Мир температурных измерений

 Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000°С и выше, кроме того, пирометры могут быть использованы для измерения и более низких температур. Одним из главных достоинств этих устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, поскольку в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

 На  основании законов излучения  разработаны пирометры следующих типов:

1. Пирометр суммарного излучения (ПСИ) - измеряется полная энергия излучения.
2. Пирометр частичного излучения (ПЧИ) - измеряется энергия в участке спектра, ограниченном фильтром (или приемником).
3. Пирометр спектрального отношения (ПСО) -измеряется отношение энергий фиксированных участков спектра.

 В зависимости  от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температура.

 Радиационной  температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность излучения абсолютно черного тела (АЧТ) равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

 Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

 Цветовой  температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн равно отношению плотностей штоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

• Пирометры суммарного излучения

 Пирометры суммарного излучения (ПСИ) измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0,4-2,5 мкм, а для плавленого кварца - 0,4-4 мкм. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т.п. Наиболее широко применяются термобатареи, в которых используются 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевых), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар приваривается к тонким пластинам, закрепленным на слюдяном кольце. Металлические выводы служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или вольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термоЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20+-2^сС, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40°С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4°С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

 ПСИ имеют меньшую точность по сравнению  с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты %, из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (при измерении температуры металла в печах), а также из-за поглощения энергии водяным паром и углекислым газом, содержащимися в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром (поэтому оптимальным считается расстояние 0,8-1,3 м).

 Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная со 100°С, кварцевое стекло используется для температуры 400-1500°С, а оптическое стекло - для температур 950°С и выше.

 ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500°С. Основная допустимая погрешность технических  промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000°С составляет соответственно ±12, ±20 и ±35°С.

• Пирометры частичного излучения

 К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

 Оптические  пирометры. Оптические пирометры, или так называемые пирометры визуальные с "исчезающей" нитью переменного накала, широко применяются для измерения яркостной температуры в видимой области спектра. Интервал измеряемых температур для общепромышленных пирометров с исчезающей нитью установлен от 700 до 8000^СС в видимой области спектра. Для оптических пирометров в интервале температур 1200-2000'С основная допустимая погрешность измерения составляет ±20°С.

Измерение яркостных температур пирометрами с "исчезающей" нитью основано на визуальном сравнении эффективной длины волны в видимой области спектра яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (луче-приемника) для фиксирования наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз. Вследствие этого измерения температуры пирометрами такого типа отличаются известной субъективностью, что следует иметь в виду при их применении.

 Фотоэлектрические пирометры. Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

 Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

1. Пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения.
2. Пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, причем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

 В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100°С применяют кислород-но-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800-4000°С - вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0,65±0,01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

• Пирометры спектрального отношения

 Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивно-етей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны 1 и 2

 Пирометры спектрального отношения (ПСО) используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200°С и имеют класс точности 1 и 1,5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы. 

Первичные и рабочие эталоны температуры

 Государственные первичные эталоны России воспроизводят МТШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8-273,16 К и 273,16-2773 К. Основную часть низкотемпературного эталона составляют две группы железо-родиевых и платиновых термометров сопротивления, каждая из них содержит 2 платиновых и 2 железо-родиевых термометра, постоянно помещенных в блок сравнения - массивный цилиндр с четырьмя продольными каналами для термометров, что существенно повышает их долговременную стабильность. Градуировочные зависимости термометров определены по результатам международных сличений результатов, полученных национальными термометрическими лабораториями России, Великобритании, США, Австралии и Нидерландов.

 В контактной термометрии рабочими эталонами  нулевого разряда - государственными эталонами для воспроизведения МТШ - оснащены РОСТЕСТ-Москва, ТЕСТ-Санкт-Петербург, Уральский ЦСМ (Екатеринбург) и СНИИМ (Новосибирск).

     Рис.1 Идеальная термопара

Термоэлектрические преобразователи, основные типы и области применения

• Термопары платинородий-платина

 Основными термопарами металлургического  производства в диапазоне 1100—1600°С являются платинородий-платиновые термопары ТПШО и ТПР, модификация ТПШЗ широко применяется на Западе. Термопары ТПП10 используются также и в качестве эталонных средств измерения температуры. По совокупности свойств платина и платинородиевые сплавы являются уникальными материалами для термопар. Их основное свойство - хорошее сопротивление газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах. Указанное свойство в сочетании с высокой температурой плавления и достаточно большой термоЭДС, хорошей совместимостью со многими изолирующими и защитными материалами, технологичностью, а также с хорошей воспроизводимостью метрологических свойств делает их незаменимыми для изготовления электродов термопар, измеряющих высокие температуры в окислительных средах.

 Для устойчивой работы термопар из платины и ее сплавов необходима надежная изоляция термоэлектродов высокочистой оксидной керамикой, а также защита корундовыми (А1₂0₃) чехлами хорошего качества. Однако газоплотный корундовый чехол с минимальным содержанием примесей имеет сравнительно невысокую термостойкость. Хорошую стойкость к термоударам (скачок температуры не менее 250°С) демонстрирует керамика с невысоким содержанием А1₂О₃(70-80%) и пористостью 5-10%.

 К недостаткам  термопар из драгоценных металлов можно отнести высокую чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям при изготовлении, монтаже эксплуатации термопар, а также их высокую стоимость.

• Термопары хромель-копель

 Термопара хромель-копель обладает наибольшей дифференциальной чувствительностью из 5-х промышленных термопар, применяется для проведения точных измерений температуры, а также для измерения малых разностей температур. Этой термопаре свойственна исключительно высокая термоэлектрическая стабильность при температурах до 600°С, обусловленная тем, что изменения термоЭДС хромелевого и копелевого термоэлектродов направлены в одну и ■-"■ г:г сторону и компенсируют друг друга. Технический ресурс термопары составляет несколько десятков тысяч часов. Недостаток - высокая чувствительность к деформации.

• Термопары нихросил-нисил

   Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из  внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14,2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Новые сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Мп, Со, Ге.. Показана перспективность применения термопары ТНН в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

Защитные чехлы термопреобразователей 

Защитные  газоплотные чехлы термопреобразователей существенно расширяют диапазон применения термопар в агрессивных средах и увеличивают их ресурс. Для температур до 800°С применяются чехлы из нержавеющей стали типа Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т (повышенная устойчивость к межкристаллитной коррозии), при более высоких температурах использовалась, в основном, ферритная сталь 15Х25Т с температурой интенсивного окалино-образования 1050С. которая имеет ограниченную свариваемость и склонна к охрупчиванию в диапазоне 450-850^:С. В настоящее время производятся также термопары ТХА в защит-зеых чехлах из жаростойкой аустенитнои стали теп Х23Н18 с такой же жаростойкостью в со--щ??шшж с хорошей свариваемостью.