книги из ГПНТБ / Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях

меняются специальные сорта стекла с малым коэффициентом объем­ ного расширения или плавленый кварц. Наиболее точны и просты в обращении ртутные термометры, отличающиеся также равномер­ ностью шкалы. Цена деления стандартных термометров обычно не менее 0,01 град; в специальных лабораторных термометрах возможны шкалы с ценой деления на один-два порядка меньше. Допустимая погрешность не превышает одного деления шкалы. Нижним пределом, ограничивающим применение ртути, является температура замер­ зания, равная —38,9° С. Температура кипения при атмосферном дав­ лении (356,7° С) не является предельной, так как для повышения верх­ него предела пространство внутри термометра над ртутью может заполняться инертным газом под давлением.

Термометры с нертутным заполнением применяются в основном для измерения низких температур; инерционность их значительно больше ртутных из-за большей теплоемкости. Кроме того, органиче­ ские жидкости смачивают стекло, что снижает точность отсчета уровня в капилляре. При использовании термометров приходится учитывать ряд факторов, приводящих к искажению показаний. Это прежде всего неравномерность температурного взаимодействия термометра с окружающими средами и, во-вторых, изменения внешнего и вну­ треннего давления. Подробные данные о термометрах механической группы приведены в [109].

Действие термометров сопротивления основано на известном свойстве металлов и сплавов изменять свое электрическое сопротив­ ление R в зависимости от температуры. В простейшем случае первич­ ный преобразователь такого термометра представляет собой отрезок проводника, на концах которого укреплены выводы. С их помощью проводник включается в электрическую цепь. К материалам, приме­ няемым в качестве терморезисторов, предъявляются прежде всего требования стабильности характеристики R = f (Т) и достаточно высокое значение температурного коэффициента сопротивления а, определяемого выражением

Для большинства чистых металлов при комнатной температуре а приблизительно равно 4•10“3 град-1. Для точных измерений тем­ пературы (до 0,01 град) электрическая схема измерения должна быть чувствительной к изменениям сопротивления в 0,004%. В не­ которых случаях чувствительность термометров сопротивления по­ зволяет измерять температуры и с большей точностью (г^ 0,001 град).

Наибольшее распространение для изготовления преобразовате­ лей термометров сопротивления получили платина, медь, никель; известно использование железа, бронзы, пирографита, некоторых сплавов, а также полупроводников, изготовленных из смеси окислов различных металлов.

Наилучшим материалом является чистая платина, которая в ши­ роком диапазоне температур не вступает в химические реакции и чрезвычайно устойчиво сохраняет, величину удельного сопротивле­

199

ния (приблизительно в пять раз большего, чем у меди, серебра или золота). Зависимость электрического сопротивления платиновых тер­ морезисторов от температуры в интервале от —200 до -)-1100° С вы­ ражается формулами (VII. 1) и (VII.2).

Незащищенные платиновые терморезисторы нельзя' применять в восстановительных средах (продукты сгорания углерода, пары кремния, калия, натрия и т. п.) из-за загрязнения их поверх­ ности при высоких температурах. Кроме того, использование таких терморезисторов ограничено распылением платины, прогрессивно возрастающим по мере повышения температуры; этот эффект тем слабее влияет на изменение электрического сопротивления, чем больше диаметр платиновой проволоки.

Платина — хороший катализатор многих термохимических реак­ ций, поэтому при измерении температур газовых смесей, содержа­ щих продукты неполного сгорания, возможно появление специфи­ ческих погрешностей, вызванных выделением тепла на поверхности терморезистора. Для исключения каталитического эффекта плати­ новую проволоку покрывают позолотой, остекловывают или исполь­ зуют терморезисторы в защитных чехлах.

Кроме платиновых в СССР серийно изготовляются технические медные термометры сопротивления с номинальными значениями R 0 53 и 100 Ом, предназначенные для работы в диапазоне температур от—50 до +180° С [37 ]. В этом интервале температур электрическое сопротивление медных термометров определяется по формуле

недостатком меди также является ее малое удельное сопротивление. Остальные материалы используются в исследовательской практике вне ГОСТов.

Для измерения температур —300° С первым заменителем платины

6,4 10-3 град-1, но при температуре 370° С в никеле происходит структурное преобразование, и функция R — f (Т) становится не­ однозначной. До температуры —400° С может применяться железо

(а = 6,5 • 10“ 3 град-1).

В криогенной технике часто используется платиновый термометр сопротивления. При температурах ниже 60К коэффициент а, а сле­ довательно, и чувствительность платинового термометра резко умень­ шаются (рис. 50). Однако применение аппаратуры, предназначенной для точных измерений очень малых сопротивлений, дает возмож­ ность отодвинуть предельные значения температур, доступных изме­ рению платиновым термометром сопротивления, в сторону весьма низких значений (~ 4 —5К).

Для измерений в области низких температур могут быть исполь­ зованы также константан, манганин, фосфористая бронза и сплавы серебра с оловом [37].

200

При измерениях температур высокоскоростных газовых потоков находят применение вольфрамовые бескаркасные проволочные термо­ резисторы. Вольфрамовая проволока диаметром 10— 15 мкм выдер­ живает динамическое давление сверхзвуковых потоков. Зависимость удельного сопротивления вольфрама от температуры близка к ли­ нейной. Однако с увеличением температуры происходит распыление и рекристаллизация вольфрама, поэтому вольфрамовые термометры сопротивления обычно применяются для измерения температур не выше 600° С. .

В широком диапазоне температур от 0 до 2300К может применяться графит в виде пироуглерода различных модификаций или нити из волокнистых углеродистых структур. Полупроводниковые объемные

нейной зависимостью сопротивления от температуры, приближенно подчиняющейся экспоненциальному закону

RT = Аг ехр ^---- y ) >

где А т и В — коэффициенты, зависящие от физических свойств й геометрии полупроводника; при значительном изменении темпера­ туры коэффициент А г ■— функция температуры и может считаться постоянным только в малых интервалах изменения Т. Существенным недостатком полупроводниковых терморезисторов является невы­ сокая стабильность их характеристик, усиливающаяся с увеличе­ нием температуры; поэтому область их применения ограничивается температурами, не превышающими -~300° С.

Наиболее широко полупроводниковые терморезисторы исполь­ зуются в криогенной технике. Из кристаллических полупроводников в низкотемпературной термометрии нашел применение германий с примесью мышьяка. Для защиты от повреждений такие термометры помещают в платиновые или,стеклянные чехлы. На рис. 51 приведен вид градуировочной характеристики такого терморезистора. Помимо хорошей чувствительности эти термометры обладагбт .еще одним цен­

201

ным качеством: на их показаниях не сказываются предшествующие циклы охлаждения и нагрева от гелиевых температур до комнатных. В интервале температур 2—20К применяются также угольные радио­ резисторы с номинальным значением R = 10-е270 Ом. Стабильность их ниже, чем у германиевых [170].

Для улучшения линейности шкалы полупроводниковых термо­ метров сопротивления прибегают к комбинированию терморезисто­

которая имеет точку перегиба. Линеаризация характеристики в ок­ рестностях точки перегиба кривой Дц = / (Т) достигается выбором соответствующего значения RUI при назначенных условиях совпа­ дения прямой и Я?ц — f (Т) [90]. Температурный коэффициент при этом очевидно уменьшается.

В цепи, составленной из двух проводников (или полупроводни­ ков) при разнице температур мест соединения возникает термоэлек­ тродвижущая сила (т. э. д. с.), являющаяся разностью функций температур точек соединения проводников А и В (рис. 52, а),

температур при помощи термо­ пар. Измеритель т. э. д. с. может быть включен в термоэлектриче­

скую цепь по схемам, изображенным на рис. 52, б и б. В обоих случаях для обеспечения связи (VII.3) необходимо постоянство температур нерабочих соединений (спаев) цепи: Т 01, Т 02, Т 0. Величина и направление т. э. д. с. зависит от природы и материа­ лов термоэлектродов. Положительным называется тот термоэлек­ трод, по направлению к которому идет ток через рабочий спай термопары. Как правило, т. э. д. с. измеряется компенсационным методом — сведением к нулю тока в измерительной цепи. Поэтому в большинстве случаев сопротивление термоэлектродов не играет роли, а их сечения без снижения точности измерений могут быть

202

очень малы. Отсюда вытекает одно из основных достоинств термо­ пар — возможность измерять температуры в чрезвычайно малых объемах.

Для стабилизации температуры нерабочего спая чаще всего ис­ пользуют теплоизолированную ванну с тающим льдом. Точка тая­ ния льда (273,15 К) удобна потому, что влияние различных факторов на ее температуру незначительно. Если в процессе градуировки поддерживается температура То свободных концов, а при эксплуата­ ции — температура То, то в показания термопары вносится поправка, прибавляемая к измеренной т. э. д. с. етт*, и т. э. д. с. соответствую­

щая условиям измерения, будет равна

На практике для обеспечения постоянства температуры То стре­ мятся удалять свободные концы термопары от места измерения тем­ пературы Т. Однако при использовании для термоэлектродов благо­ родных металлов, это оказывается нерентабельным. Поэтому для удлинения термоэлектродов применяются специальные компенса­ ционные провода. Такие провода не вносят дополнительной погреш­ ности, если в местах соединения их со свободными концами термопары поддерживаются одинаковые температуры и.т. э. д. с., развиваемая компенсационными проводами, равна по величине т. э. д. с. самой термопары в диапазоне температур концов проводов. Термопары из благородных металлов имеют широкое распространение в основном для измерения температур выше 1000° С. Основной термопарой этой группы (применяемой в качестве образцовой) является термопара платинородий — платина (табл. 22). Эта термопара (при температуре нерабочих спаев 0° С) развивает при 1600° С т. э. д. с., равную 17 мВ. Термопары платинородий— платинородий имеют т. э. д. с. несколько меньшую: например, при 1546° С т. э. д. с. термопары ПР 30/6 равна 10,82 мВ.

Из числа термопар из неблагородных металлов стандартизованы: медь—копель, железо—копель, хромель—копель, хромель—алю- мель, из которых первые две не получили распространения. Термо­ пара ХА имеет практически линейную характеристику, а термопара ХК при значительно большей нелинейности развивает весьма высо­ кую т. э. д. с., чем и объясняется их широкое применение.

Для измерения высоких температур применяются термопары из тугоплавких металлов (иридия, молибдена, рения, вольфрама) или из неметаллических элементов и соединений (графита, карби­ дов, боридов и др.). Для последних характерны зависимости, близ­ кие к линейным, и весьма высокие значения т. э. д. с. Рабочие характеристики некоторых полупроводниковых термопар приведены на рис. 53. Термопары с неметаллическими электродами, (так же как и с тугоплавкими металлами) механически нестойки, поэтому их выполняют в виде так называемой карандашной конструкции с торцовым рабочим спаем.

203

Криогенные температуры чаще всего измеряются термопарой медь—константан, имеющей лучшую однородность структуры и со­ става, чем другие пары. Также может быть использована и термопара хромель—константан, обладающая не­ сколько большей т. э. д. с. и низкой

теплопроводностью.

Инерционность термопар зависит от наличия или отсутствия защитных чех­ лов, размеров термоэлектродов и свойств измеряемой среды. Малоинерционные (постоянная времени 200—250 мс) ми­ ниатюрные термопары с открытым рабо­ чим спаем особенно удобны при изме­ рении температуры поверхностей или тонких стенок.

3. Контактные методы измерения температур

При использовании для измерения температуры вспомогательного термо­ метрического вещества приемный пре­ образователь, содержащий это веще­ ство, приводится в соприкосновение с объектом исследований. Вне зависи­ мости от принципа действия и конструк­

ции преобразователя и, следовательно, от его индивидуальных (при­ борных) погрешностей контактным методом измерений свойственны общие методические погрешности, которые могут в несколько раз превосходить инструментальные погрешности термоизмерителей. Свя­ зано это с тем, что термометрический эффект определяется значе­ нием собственной температуры чувствительного элемента преобразо­ вателя, которая, как правило, не совпадает с измеряемой температу­ рой из-за искажений температурного поля объекта теплообменом

стермоизмерителем.

Впростейшем случае измерения температуры неподвижной среды (например, газа) чувствительный элемент (термопара, термосопротив­ ление и т. п.) помещается в защитную трубку, изолирующую его от среды. Защитная трубка позволяет осуществить выводы от термо­ приемника во внешнюю среду с иной температурой Т 0, чем в месте измерения. Из-за этого по корпусу защитной трубки при постоянной разнице температур на ее концах будет происходить теплоотвод и

температура стенки трубки Гст будет ниже температуры измеряемой среды Т. В [86] рассмотрено решение подобной задачи; уравнение, определяющее Тст— Т, имеет вид

где I — глубина погружения защитной трубки в измеряемую среду;

m = j/~ — ; ак — коэффициент конвективной теплоотдачи от

206'

измеряемой среды к трубке; к — коэффициент теплопроводности ма­ териала трубки; U — периметр по внешнему диаметру трубки; S — площадь кольцевого сечения стенок трубки. При выводе этого уравнения не учитывалось влияние лучистого теплообмена и условно принималось, что длина части трубки, находящаяся в стенке и в на­ ружной среде, пренебрижимо мала по сравнению с I. Если дополни­ тельно пренебречь теплоотводом по элементам термоизмерителя, на-

- ходящегося в защитной трубке, то можно считать, что температура чувствительного элемента равна Тст. Как видно из приведенного урав­

шя U/S, т. е. выбором формы и размеров трубки, можно добиваться снижения погрешности.

В случаях измерения температуры сред, прозрачных для тепло­ вого излучения, обычно доминируют методические погрешности, обусловленные теплообменом путем излучения между термоизмери­ телем и окружающими среду твердыми телами. Если допустить, что теплоотвод через защитную трубку (и арматуру чувствительного элемента) отсутствует, то на установившемся режиме количество тепла, полученное поверхностью трубки от среды (газа),

=(Тс— Т ст),

равно количеству тепла, отданному поверхностью трубки лучеиспу­ сканием поверхностям, ограничивающим объем среды,

и, следовательно, погрешность в измеряемой температуре будет равна

Здесь S i — поверхность погруженной части трубки; с0— коэффи­ циент лучеиспускания абсолютно черного тела1; е — приведенная степень черноты поверхности трубки и поверхности, ограничиваю­ щей объем среды; Тп — температура (К) ограничивающей поверх­ ности.

Из последнего уравнения видно, что для уменьшения погрешности выгодно применять защитные трубки с гладкой блестящей поверх­ ностью, имеющие малое значение е. Кроме того, повышение Тп вы­ зывает быстрое снижение погрешности; следовательно, если приме­ нять тепловую изоляцию ограничивающих стенок, то лучистый тепло­ обмен внутри объема будет существенно меньше. Погрешности из­ мерения, вызванные лучеиспусканием, также зйачительно умень­ шаются при использовании защитных экранов, окружающих защит­ ную трубку и имеющих повышенную температуру.

jCm. стр. 119.

207

П огреш ности , вызванные лучеи сп ускан и ем п оверхн остей тер м о ­ прием ников, отсутствую т при и зм ерени ях тем пературы тверды х, сы пучих и ж и д к и х тел , так как эти тела непрозрачны дл я р ади а ­

больш ими тем пературны м и перепадам и; здесь наилучш ие результаты

или дви ж ущ егося с малой скоростью газа в связи с вы сокой п розрач ­ ностью среды и низким значением а к. У м еньш ение подобны х погреш ­ ностей м ож ет быть дости гн уто особы м приемом , приводящ им к ис­ кусственном у увеличению коэффициента к онвективной теп л оотдач и ак.

где а кс — коэффициент теплоотдачи при свободн ой конвекции; к — коэффициент теплопроводности среды ; L — характеристический р а з­ мер; константы а и Ь в зависим ости от величины п р ои зведе­ ния G rP r имеют значения:

ж ден н ой конвекции, в вы раж ение (VI 1.4) вместо числа Gr вклю чается д р угой определяю щ ий критерий ■— число R e

“ KB = - ^ c R e - P r " . (V II.5)

208