Температура – одна из семи основных физических величин

1. Физические основы термометрии.
1.1. Понятие температуры.
Температура – одна из семи основных физических величин Международной
системы единиц (СИ). Она неразрывно связана с повседневной деятельностью человека,
поэтому наиболее наглядным и понятным является ее определение как величины,
отражающей степень нагретости физических тел. Это определение основано на интуиции
и может быть раскрыто на основе макроскопических и статистических законов
термодинамики.
В
соответствии
с
этим
температура
–
физическая
величина,
определяющее направление и интенсивность процессов передачи тепловой энергии от
одного тела к другому, если эти тела приведены в тепловой контакт.
С молекулярно-кинетической точки зрения температура определяет интенсивность
теплового движения атомов, молекул и других частиц, образующих системы.
Температура – это одна из трех физических величин (помимо давления и объема),
однозначно
описывающих
термодинамическое
состояние
вещества,
как
макроскопического тела. Любо вещество может находится в каком-либо агрегатном
состоянии: твердом, жидком или газообразном. Каждое состояние вещества существует в
опреде6ленном интервале температур. При повышении температуры происходит переход
вещества от одного агрегатного состояния (фазы) к другому: от твердого к жидкому
(плавление), от жидкого к газообразному (кипение). Дальнейшее повышение температуры
атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся ионами.
Это четвертое состояние – плазма. Процесс охлаждения газообразных веществ приводит
сначала к образованию жидкой фазы (конденсация), А при более низкой температуре к
образованию твердого тела (затвердение). Эти превращения веществ из одного
агрегатного состояния в другое называются фазовыми и сопровождаются поглощением
или выделением теплоты, и очень важно, происходят при одной и той же фиксированной
температуре. Однако значение этой температуры зависит от давления, при котором
находится вещество. В отличие от этого температура уникального явления природы –
тройной точки какого-либо вещества, когда в замкнутом объеме все три его агрегатных
состояния существуют одновременно, строго постоянна и не зависят от давления.
Например, одновременное существование трех фаз воды: жидкости, льда и насыщенного
газа – характеризуется одной, хорошо воспроизводимой температурой, равной 0,0100°С;
существования трех фаз водорода – температурой – 259,3467 °С.
Для каждого агрегатного состояния существует своя модель, описывающая
тепловое состояние частиц, связанное с температурой. Наиболее наглядная модель
поведения вещества в газовой фазе, особенно в состояние разряжения, когда можно не
учитывать силы взаимодействия молекул и их размеры (идеальный газ). Температура
идеального газа – это величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию его
молекул (рис. 1):
mV 2
.
2
E
(1)
Уравнение состояния одного моля такого газа, связывающее давление p, объем V с
температурой, имеет вид (уравнение Менделеева-Клайперона):
pV = RТ
(2)
где R – универсальная газовая постоянная.
По мере понижения температуры газа кинетическая энергия становится все более
соизмеримой с энергией взаимодействия молекул и при некоторой температуре
(конденсации) образуется жидкая фаза вещества, для которой присущи как свойства
газовой фазы (текучесть), так и твердых тел (низкая сжимаемость). Для жидкости
характерен так называемый близкий порядок межмолекулярного взаимодействия, при
котором каждая молекула воздействует на некоторое число ближайших молекул.
Понижение температуры приводит к увеличению радиуса взаимодействия и становятся
близкими к аналогичным значениям для твердых тел. Тепловое движение молекул
жидкости, характеризующие среднюю кинетическую энергию, состоит из нерегулярных
колебаний с амплитудой и со средней частотой 1/
о,
определяемой размерами свободного
объема, предоставленного данной частицей ее соседями. Положение равновесия молекул
при этом временны и неустойчивы. Время
равновесия связано с величиной
нахождения молекулы в положении
о соотношением
о (W
/ kT),
(3)
где W - энергия (потенциальная) активизации, k - постоянная Больцмана, T - температура.
Для маловязкой жидкости
~ 10-11с. Оно растет с ростом вязкости (понижение
температуры), достигая значений порядка часов и даже суток у стекол.
Все вещества в природе затвердевают при охлаждении до некоторой температуры.
В твердом теле, которое характеризуется стабильностью формы, атомы, молекулы, ионы
совершают малые колебания вокруг некоторых фиксированных положений равновесия.
При этом энергия колебательного движения пропорциональна температуре твердого тела.
Тепловая модель плазмы обычно основана на ее рассмотрении как смеси газов: газ
из нейтральных атомов и молекул, электронный газ, фотонный газ. Разные компоненты
плазмы характеризуются своими значениями температуры,
определяемыми средней
кинетической энергией соответствующих компонентов. Под температурой фотонного газа
понимают температуру нагретого тела, которое испускает точно такой же поток фотонов,
как и плазма.
История термометрии.
Таблица 1.
1592 – Г. Галилей изобрел термоскоп, являющийся прообразом термометра.
1604 – К. Дреббель выполнил опыт над расширением тел от теплоты.
1609 – изобретен термостат.
1620 – опубликован трактат Ф. Бэкона ―Новый органон‖, в котором впервые
высказана идея, что тепло есть движение.
1631 – Ж. Рей изобрел жидкостный термометр.
1641 – создан спиртовой термометр. В 1646 г. такой термометр продемонстрировал
Эванджелиста Торричелли (1608-1647).
1655 – изобретение ртутного термометра.
1661 – Р. Бойль и Р. Тоунли установили зависимость между объемом газа и его
давлением, к которой в 1676 г. пришел также Э. Мариотт (закон Бойля-Мариотта).
1668 – Р. Гук показал, что для всех тел точки кипения и плавления постоянны.
1674 – открытие Д. Папином зависимость точки кипения воды от давления.
1710 (или 1714) – появился термометр Г. Фаренгейта со шкалой в 212°(шкала
Фаренгейта).
1730 – Р. Реомюр предложил применять в термометрах шкалу от 0°до 80° (кипение
воды, шкала Реомюра).
1742 – А. Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра.
1750 – опубликована работа М. В. Ломоносова ―Размышления о причине теплоты и
холода‖, содержащая, в частности, идею о существовании абсолютного нуля температур.
1755
–
Ж.
Делюк
установил,
что
для
расплавления
льда
необходимо
дополнительное количество теплоты (скрытая теплота плавления).
1777 – К. Шеем ввел понятие теплового излучения.
1787 – Ж. Шарль установил закон зависимости давления газа от температуры
(закон Шарля).
1800 – У. Тершель открыл инфракрасные лучи.
1802 – исследование Ж. Гей-Люссака расширения газов при нагревании (закон ГейЛюссака).
1821 – Т. Зеебек открыл термоэлектричество (эффект Зеебека).
1824 – вышел в свет труд С. Карно, в которой содержится описание обратимого
кругового термодинамического процесса и теорема о коэффициенте полезного действия
тепловых двигателей (теорема Карно).
1826 – Ж. Гей-Люссак установил экспериментально уравнение газового состояния,
объединив свой закон с законом Бойля-Мариотта.
1830 – Леопольдо Нобили (1784 - 1835) построил термопару.
1834 – Б. Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа, обобщенное в
1874 г. Д. И. Менделеевым (уравнение Клапейрона-Менделеева) и разработал теорию
цикла Карно.
1835 – Мачедонио Меллони (1798 - 1854) предположил, что тепловые и световые
лучи имеют одну природу и отличаются лишь длиной волны.
1843 – Чарльз Уитстон (1802 - 1875) изобрел способ сопротивления (люстик
Уитстона).
1847 – Д. Герапат предложил модель идеального газа, которая объясняла газовые
законы, диффузию и распространение звука в газе, его давление.
1848 – введение У. Томсоном понятия абсолютной температуры и абсолютной
шкалы температур (шкала Кельвина).
1859 – открытие закона Кирхгофа для теплового излучения.
1862 – Г. Кирхгоф выдвинул концепцию черного тела и дал его модель.
1873 – И. Ван дер Вальс вывел состояние реального газа.
1879 – установление И. Стефаном пропорциональности энергии излучения
абсолютно черного тела четвертой степени абсолютной температуры. В 1884 г. эту
зависимость теоретически вывел Л. Больцман. Отсюда название – закон СтефанаБольцмана.
1888 – доказана тепловая природа броуновского движения (Л. Гюи).
1892 – Дж.Дьюар изобрел вакуумный сосуд с двойными стеклами для сохранения
ожиженных газов (сосуд Дьюара).
1893 - В. Вин показал, что максимум излучения в спектре абсолютно черного тела
смещается в коротковолновую область при повышении температуры (закон смещения
Вина).
1895 – В. Вин и О. Люммер осуществили модель абсолютно черного тела в виде
полости с внутренними зеркальными стенками и узким отверстием.
1896 – В. Вин вывел формулу для распределения энергии в спектре абсолютно
черного тела (закон излучения Вина) в области коротких волн.
1900 – Макс Планк предложил новую формулу для распределения энергии в
спектре излучения абсолютно черного тела (закон Планка).
- экспериментальное подтверждение закона Планка (Г. Рубенс, Ф. Курлбаум).
- Дж. Рэлей вывел закон распределения энергии в излучении абсолютно черного
тела, развитый в 1905 г. Дж. Джинсом (закон Рэлея-Джинса).
1906 – В. Нернст предсказал, что энтропия химически однородного твердого тела
или жидкости при абсолютном нуле температуры равна нулю (теорема Нернста).
1908 – получение Г. Камерлинг-Оннесом жидкого гелия и измерение его
температуры.
- Ж. Перрен экспериментально исследовал броуновское движение, доказав
реальность существования молекул и подтвердив кинетическую энергию теплоты.
1909 – Г. Камерлинг-Оннес получил температуру в 1,04 К.
1926 – П. Дебай и У. Джиок независимо друг от друга предложили метод
получения
низких
температур
при
помощи
адиабатического
размагничивания
парамагнетиков (магнитное охлаждение).
История развития термометрии (таблица 1) имеет две параллельные ветви. Это с
одной стороны создание приборов для измерения температуры и развитие понятия
сущности температуры как физической величины, которую эти приборы должны
измерять. Примерно одновременно в начале 18 века Даниэль Фаренгейт (1686-1736)
создал ртутный термометр (1714) и в то же время француз Гильом Амонтом (1663-1705)
разработал в 1702 г. газовый термометр постоянного объема, заложивший основы
фундаментальной термометрии, прозванный впоследствии инструментом для осознания
таких понятий, как термодинамическая температура и абсолютная шкала температур. С
этого времени процессам, происходящим в окружающем человека мире, стали
приписывать численное значение температуры (таблица 2). Наиболее распространенные
термометрические свойства и их основные характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 2
Значение температур объектов и физических процессов, °С
Тепловое излучение вселенной
Кипение гелия
Тройная точка водорода
-270
-268,9
-259,3467
Кипение азота
-196
Замерзание этилового спирта
-144
Затвердевание ртути
Таяние льда
Тройная точка воды
-38,8344
0,0000
0,0100(0)
Кипение воды
99,974
Затвердевание олова
231,928
Поверхность электрической плиты
500 650
Затвердевание золота
1064,18
Плавление стали
1400 1500
Нить лампы накаливания
1700 1900
Плавление вольфрама
3420
Ядро Земли
2500 5000
Поверхность Солнца
6300
Поверхность Звезд
1000 25000
Ядро
107 109
Звезд
1.2. Термометрические свойства и температурные шкалы.
В качестве термометрического свойства может быть использована однозначная
зависимость какого-либо свойства вещества от температуры. Практически все свойства
вещества зависят от температуры, но лишь некоторые в силу своих особенностей, о
которых будет сказано ниже, нашли широкое применение в термометрии (таблица 3). На
основе термометрических свойств созданы измерительные преобразователи температуры,
содержащие термометрическое вещество, являющееся основой чувствительного элемента
(ЧЭ) преобразователя. ЧЭ либо приводятся в непосредственный механический контакт с
измеряемой средой (контактные методы измерения температуры) или размещаются вне
Среды таким образом, чтобы на них попадало ее электромагнитное (тепловое) излучение
(бесконтактные методы измерения).
Большинство
средств
измерений
температуры
использует
погружение
измерительного преобразователя в среду. При этом предполагается, что ЧЭ принимает
через определенный промежуток времени температуру среды. Процесс выравнивания
температуры ЧЭ и среды обусловлен теплообменом на поверхности преобразователя.
Этот процесс может осуществляться только тремя путями (способами):
1) теплопроводность (кондуктивный теплообмен) по закону Фурье
QT
Т ср
ср
n
F
,
(4)
где – QT кондуктивный тепловой поток на поверхности преобразователя, Вт; λср теплопроводность
среды,
Вт/(м*К);
δТср/δn-
нормальный
к
поверхности
преобразователя градиент температуры Среды, К/м, F- площадь поверхности
преобразователя, м2.
2) конвекция (конвективный теплообмен) по закону Ньютона
Qk = α (T-Tср) F,
(5)
где Qk – конвективный тепловой поток на поверхности преобразователя, Вт; α –
коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 *К); Т – температура преобразователя, К;
Тср – температура среды, К.
3) тепловым излучением (радиационный теплообмен) по закону СтефанаБольцмана Qn = εσ (T4 – Tср)F,
(6)
где Qn – поток теплового излучения, Вт; ε- коэффициент теплового
излучения поверхности преобразователя (0< ε < 1); σ - постоянная СтефанаБольцмана, равная 5,67 * 10-8 Вт/(м2*К4).
Для случая, когда Т >> Т - Тср можно пользоваться упрощенной формой
этого закона
Qn ≅ 4εσT3 (T – Tср) F,
(7)
или
Qn ≅ αn (T – Tср) F,
(8)
которая аналогична закону Ньютона для конвекции, когда коэффициент
теплоотдачи, равен 4εσT3.
Наиболее важные для теплообмена измерительного преобразователя со средой
значения теплопроводности и коэффициента теплоотдачи, определяющие интенсивность
их тепловой связи (качество теплового контакта) приведены в таблице 4. В ней же даны
значения коэффициента теплового излучения различных поверхностей, характеризующего
степень близости свойств поверхности к излучательным (поглощательным) свойствам
абсолютно черного тела.
В реальных условиях чаще всего происходит комплексный (сложный) теплообмен
измерительного преобразователя со средой, когда вносит свой вклад каждый из трех
тепловых потоков. Кондуктивный теплообмен преобладает при измерениях температуры
непрозрачных твердых тел и неподвижных жидкостей и газов, радиационный – при
измерениях в области высоких температур или вакууме (рис. 3).
Интенсивность
теплообмена
измерительного
преобразователя
со
средой
определяет на ряду с его теплоемкостью скорость уравнивания температур Т и Тср, а
следовательно, динамические характеристики измерительного преобразователя в данной
среде. В дальнейшем будет показано, что при наличии теплообмена измерительного
преобразователя с объектами, имеющими отличную от среды температуру, возможны
погрешности измерения. При этом степень отличия измеренной температуры от
действительной будет зависеть от соотношения интенсивности теплообмена со средой и
величины ―паразитного‖ теплообмена.
В условиях установившейся (статистической) температуры преобразователя и
отсутствия
воздействий
высокооднородного
―паразитных‖
температурного
поля
температур,
(номинальных
например,
в
условиях),
условиях
определяют
номинальные статистические характеристики преобразования (НСХП) измерительного
преобразователя, которые устанавливают однозначную зависимость используемого в
преобразователе термометрического свойства от температуры.
Таблица 4
Теплопроводность λ, коэффициент теплоотдачи α и коэффициент теплового
излучения для объектов термометрии (при 20°С)
материалы
1. Эффективные теплоизоляторы
воздух
пенополистирол
аэрозольный кварц
2. Полимеры
оргстекло
фторопласт
резина
3. Жидкости
4. Стекла
тяжелый флинт
оптическое стекло К8
кварцевое стекло К8
5. Горные породы, строительные
материалы,
керамика
белый мрамор
кирпич
окись алюминия (порошок)
6. Металлы и сплавы
титановый сплав ОТ-4
титановый сплав ВТ-6
титан
λ, Вт/(м*К)
0,02 0,1
0,029
0,040
0,050
0,1 0,5
0,19
0,40
0,3 0,5
0,3
0,5 1,5
0,7
1,0
1,4
0,5 5
2,5
4
7
13
15
нержавеющая сталь
стали
дюралюминий
медь
30 50
60 150
360
α, Вт/(м2*К)
Спокойная вода - металлическая стенка
Текущая - металлическая стенка
Кипящая вода - металлическая стенка
Конденсирующийся водяной пар
Воздух - гладкая поверхность
350...580
350+2100 V *
3500...5800
10500
5,6+V*
V* - скорость, м/с
Для получения измеренному значению термометрического свойства численного
значения
температуры
необходима
шкала
температур.
Для
построения
шкалы
необходимо, во-первых, выбрать, как минимум, два хорошо воспроизводимых и
стабильных физических состояния, имеющих постоянную температуру (реперные точки),
во-вторых, обосновано определить с максимальной точностью значения этих постоянных
температур и, в-третьих, знать характер зависимости термометрического свойства от
температуры по длине шкалы. В качестве реперных точек чаще всего используют переход
вещества из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, затвердевание,
кипение).
Рассмотрим способ построения шкалы на примере ртутного термометра, в котором
в
качестве
термометрического
вещества
использована
ртуть,
в
качестве
термометрического свойства – зависимость объема ртути от температуры.
Температурная шкала может быть построена следующим образом:
- выбираются реперные точки (хорошо воспроизводимые и стабильные физические
состояния, имеющие постоянную температуру);
- устанавливаются значения постоянных температур;
- выбираются термометрическое вещество и термометрическое свойство и
определяется зависимость последнего от температуры.
В качестве реперных точек чаще всего используют переход вещества из одного
агрегатного состояния в другое (плавление, затвердевание и т. д.).
Проиллюстрируем такой способ построения шкалы на основе ртутного термометра,
в котором в качестве термометрического вещества используется ртуть, в качестве
термометрического свойства – зависимость объема ртути от температуры.
Предполагается, что между температурой и объемом ртути (высотой ртутного
столба в капилляре) прямая пропорциональная зависимость, то есть
T' - T''= k (V'' - V'),
(9)
где (V'' - V') – изменение объема ртути при изменении температуры от T'' до T'.
Выбрав две реперные точки (температуре Т1 соответствует V1, а температуре Т2 –
объем V2) находим из (1) коэффициент пропорциональности
k
T2
T1
V2
V1
.
(10)
Тогда шкала температур описывается уравнением
Т'' = Т' +
T2
T1
V2
V1
(V'' - V').
(11)
Если отсчитывать температуру от значения реперной точки Т 1, это уравнение для
некоторой измеряемой температуры Т (которой соответствует объем V) имеет вид
Т = Т1 +
T2
T1
V2
V1
(V – V1).
(12)
Интервал (Т2 – Т1) называют основным интервалом температурной шкалы. Если разделить
его на n равных частей, то получится цена деления шкалы, определяющая размер единицы
температуры
m
T2
T1
n
.
Тогда вместо (4) плдучится следующее уравнение
T
T1
mn
V
V1
V2
V1
.
(13)
Основные составляющие погрешности ртутного термометра, построенного в
соответствии с (4), (5): погрешность воспроизведения двух реперных точек Т 1 и Т2,
погрешность определения V1 и V2, погрешность отсчета V; погрешность, связанная с
изменением объема оболочки (как правило, стекло), в которой находится ртуть с
изменением температуры (коэффициент объемного расширения ртути 1,82·10-4 1/К, стекла
- 4·10-6 1/К). Последняя составляющая погрешности приводит в реальных ртутностеклянных термометрах к нелинейной зависимости Т от V (высоты ртутного столбика в
стеклянном капилляре) вместо принятой линейной в (4), (5).
Ртутно-стеклянный термометр впервые был изготовлен Фаренгейтом в 1713. С тех
пор они непрерывно совершенствовались.
В табл. 1 приведены данные об уровне точности, достижимой при использовании
лучших современных ртутно-стеклянных термометров.
Табл. 5
Диапазон температур,
-200...80
-80...40
-40...20
-20...10
-10...0
Погрешность, °С
±2...0,5
±0,2
±0,05
±0,02
±0,01
Диапазон температур,
0...50
50...100
100...200
200...300
300...450
450...550
±0,005
±0,01
±0,05
±0,1
±0,2
±1
°С
°С
Погрешность, °С
Ртутно-стеклянные термометры очень широко применялись и продолжают
использоваться, однако, с точки зрения удобств эксплуатации, а в ряде случаев и
точности, не могут удовлетворить требованиям практики.
Построенная таким образом температурная шкала предполагает линейность
термометрического свойства. В действительности изменение объема ртути не является
линейной
функцией
температуры
и,
поэтому,
совпадение
показаний
ртутных
термометров, например со спиртовыми, происходит только в реперных точках, а в
середине основного температурного интервала (стоградусного) расхождение показаний
составляет 1,8°С.
1.3. Термодинамические шкала и температура.
Температурные шкалы, построение которых основывается на гипотетическом
характере температурной зависимости используемого термометрического свойства,
являются условными. Другим признаком условных шкал является произвольность выбора
численных значений температур реперных точек. Так в шкале Фаренгейта (1774 г.) в
температуре тающего льда соответствует значение 32 градуса, в шкале Реомюра (1736 г.)
– 0 градусов, в шкале Цельсия (1742 г.) – 100 градусов (это значение в 1750 г. было
известно Штремером на 0 градусов).
Поэтому естественно стремление построить температурную шкалу, независящую
от свойств выбранного термометрического вещества и имеющую обоснованные
численные значения.
В 1834 г. Клапейрон в результате теоретических исследований получил
математические соотношения для описания двух физических явлений, имеющих
важнейшее значение для развития термодинамики и термометрии. Первое соотношение
устанавливает связь коэффициента полезного действия обратимого цикла Карно с
температурами нагревателя Т1 и холодильника Т2:
Q1 Q 2
Q1
T1 T 2
.
T1
(14)
ЗдесьQ1 – количество теплоты, переданное рабочему телу нагревателем; Q2 - количество
теплоты, переданное рабочим телом холодильнику.
Второе соотношение, названное впоследствии уравнением состояния идеального
газа, устанавливает взаимосвязь давления p, объема V газа от его температуры Т, массы
m и молекулярной массы :
m
pV
RT .
(15)
Здесь R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31441 Дж/(моль К).
Таким образом, стали известны не эмпирические, а полученные на основе теории
фундаментальные соотношения, в которых температура, как термодинамический
параметр, связана с другими физическими величинами. Анализ этих соотношений
позволил сделать четыре важных вывода:
1) Наиболее распространенные в то время условные температурные шкалы
Фаренгейта, Реомюра и Цельсия дают численные значения температур, которые
при подстановке в (1) и (2) приводят к абсурдным с точки зрения теории и
практики результатам. Например, при температуре таяния льда (0°С.) к.п.д. цикла
Карно достигает максимально возможного значения, равного единице, а при более
низких температурах становится больше единицы. Это противоречит физическому
смыслу к.п.д. Давление идеального газа при Т=0°С становится нулевым, а при
дальнейшем понижении температуры – отрицательным.
2) Должны существовать также численные значения температур, подстановка
которых в уравнение (1) и (2) дает правильные результаты, согласующиеся с
теоретическими
представлениями
и
экспериментальными
данными.
Такие
значения температуры впоследствии стали называть термодинамическими.
3) Существует нулевое значение температуры, при котором =1 и p=0. Это значение
называется абсолютным нулем температуры.
4) Уравнения
(1)
и
(2)
можно
использовать
для
построения
абсолютной
термодинамической температурной с одной реперной точкой шкалы, так как они
приводят
к
прямопропорциональным
зависимостям
термодинамической
температуры от термометрических свойств:
T
T0
Q0
Q,
(16)
T
T0
p0
p,
(17)
где Т0 – значение термодинамической температуры опорной реперной точки; Q0 и p0 –
измеренные значения термометрических свойств при Т0.
Особенно привлекательно построить шкалу на основе цикла Карно, так как она не
будет зависеть от индивидуальных особенностей рабочего тела. Однако для ее реализации
необходимы точные измерения количества теплоты, которые к сожалению даже
современными средствами измеряются с относительной погрешностью не менее 10 -4.
Кроме этого невозможно с высокой точностью осуществить изотермические и
адиабатические (без теплообмена с окружающей средой) тепловые процессы. Тем не
менее возможность использовать для построения шкалы цикл Карно, совершаемый над
абстрактным рабочим телом и, следовательно, не зависящий от его индивидуальных
свойств, имеет принципиальное значение. Впервые такую шкалу предложил Томпсон
(Кельвин) в 1848 г.
В дальнейшем термодинамические температуры определялись в основном с
помощью газового термометра (рис. 1), в котором в качестве термометрической величины
используется давление газа. Эта величина может быть измерена с относительной
погрешностью 5 10-6 5 10-7.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева)
pVμ = RT,
(18)
где p – давление, Vμ – молярный объем, T - температура, R = 8,314510 Дж/(моль К) –
молярная газовая постоянная, известная в настоящее время с погрешностью около 0,001%.
Если при постоянном объеме колбы с газом Vμ измерить давление в колбе в одной
реперной точке Т1 (давление р1) и при измеряемой температуре Т (давление р), то из (7)
получается
р/р1 = Т/Т1.
(19)
Хотя по своей структуре (8) и (6) идентичны соотношениям (8) и (7) «повезло» в
смысле практической термометрии значительно больше, чем (6).
Во-первых, было доказано, что температура, удовлетворяющая соотношению (6),
пропорциональна температуре, входящей в выражения законов идеального газа, в том
числе и в (7), (8). Таким образом, выбирая одну и ту же реперную точку для (6) и (8), (7)
теоретически получаем совпадающие температурные шкалы. На этом основании шкалу,
построенную в соответствии с (8) и (7), также можно считать (и считают!)
термодинамической,
термодинамической.
а
температуру,
найденную
с
их
использованием
–
Во-вторых, оказалось, что реальные газы при низких давлениях ведут себя как
идеальные и, таким образом, с точностью до этого соответствия (реальных газов
идеальным) данная температурная шкала не зависит от выбранного термометрического
вещества (реального газа при низких давлениях).
В-третьих, давление газа может быть измерено с относительной погрешностью до
10-4%. Однако для того, чтобы реализовать такую возможность по точности в
практической газовой термометрии приходится использовать не очень низкие давления
(это требуется и по ряду других причин), такие, что получения высокой точности
требуется учитывать отклонения реального газа от идеального.
Для реального газа уравнение состояния имеет вид
pVμ = RT [1 + B(T)p + C(T)p2 + …],
(20)
где B(T), C(T) – вириальные коэффициенты, зависящие от температуры и учитывающие
взаимодействие между молекулами газа. Тогда вместо (8) искомую температуру следует
определять из выражения
T
T1
p 1
p1
B (T1 ) p1
1
B (T ) p
C (T1 ) p12
C (T ) p 2
...
...
(21)
Таким образом, для получения более точных значений Т требуется знать
вириальные коэффициенты как при реперной температуре Т1, как и при измеряемой Т,
Несмотря на эти и другие трудности (необходимость учета явления сорбции,
возникающей в результате действия сил притяжения между молекулами газа и атомами
поверхностного слоя колбы; «вредного» объема, связанного с соединительными
трубками; переменной плотности газа по длине колбы и т. д.) достигнутая в практической
газовой термометрии точность существенно превышает то, что можно получить при
реализации цикла Карно.
Газовая термометрия пока остается основным методом, который позволяет
получить наиболее точные значения термодинамической температуры.
Газовый термометр постоянного объема схематически изображен на рис. Резервуар
1, заполненный газом, помещен в среду 2 с температурой Т и при помощи капилляра 3
соединен с коротким коленом 4 ртутного манометра, уровень в котором с целью
постоянного объема устанавливается в одном и том же положении путем подкачивания
ртути через трубку 7. Давление определяется по положению уровня ртути в длинной
колбе 6 манометра по шкале 5. Давление р1 измеряется аналогичным способом при
помещении резервуара в среду с известной температурой Т1. Измеряемую температуру
вычисляют по формуле (10). Давление р1 измеряют при температуре тройной точки воды
(Т1 = 273,16 °С).
Материал резервуара газового термометра выбирают, исходя из температурного
диапазона, который охватывает значения температур от 2 до 1400 К. Для заполнения
резервуара используют инертные газы при пониженном давлении.
Погрешность
определения
термодинамических
термометрами лежит в пределах ±(0,5
связана
с
учетом
многих
температур
газовыми
50) мК. Однако реализация такого термометра
источников
погрешности,
таких
как
отклонение
термометрического газа от идеального (рис. 2), влияние дополнительного (―вредного‖)
объема
капилляра,
процессов
сорбции
газа,
температурного
расширения
термометрического сосуда. Поэтому погрешность газовых термометров составляет
несколько тысячных долей градуса Цельсия.
В настоящее время для построения термодинамической шкалы используются и
другие
физические
законы,
содержащие
термодинамическую
температуру.
В
акустическом термометре используется зависимость от температуры скорости звука в
идеальном газе
RT
c
M
,
(22)
где М – молярная масса,
- отношение удельных теплоемкостей газа соответственно при
постоянных давлении и объеме, R – молярная газовая постоянная, входящая в (7), Т – та
же термодинамическая температура, что в выражениях (6) (8).
Если измерить скорость звука в газе в одной реперной точке Т 1, (скорость – с1) и
при измеряемой температуре Т (скорость - с), то из (11) следует
c
2
c1
T
T1
.
(23)
Выражением (12) можно пользоваться, если в интервале температур Т – Т1
изменение
и отклонение от идеальности газа приводят к погрешности меньшей, чем
требуется при измерениях Т. В противном случае необходимы поправки, аналогичные
введенным в (9) и (10).
Общая погрешность метода акустической термометрии остается пока выше, чем а
газовой термометрии, не
только из-за отличий скорости звука в реальном газе по
сравнению с идеальным, некоторой зависимости
от температуры, но и вследствие
влияния пограничного слоя в газовой колбе конечных размеров.
Тем не менее акустическая термометрия дает неплохие результаты при измерениях
в области низких температур. Например, измерения термодинамической температуры
точки кипения кислорода были выполнены акустическим термометром с погрешностью
±0,01 К.
2
Выражение для среднего квадрата шумового напряжения U возникающего на
сопротивлении R (включенном в замкнутую электрическую цепь) вследствие хаотичного
теплового движения электрических зарядов
2
U = 4kTR∆f,
(24)
где k – постоянная Больцмана, ∆f – полоса частот.
Если использовать один и тот же усилительно-измерительный тракт для
поочередного измерения реперной точки Т1, то из (13)
U1
U
2
T1 R1
2
TR
,
(25)
где R1 – сопротивление используемого резистора при Т1, а R – при Т.
Как видно, для нахождения термодинамической температуры Т необходимо
измерять шумовые напряжения (как правило, единицы микровольт) и сопротивления
резистора при всех измеряемых температурах и в реперной точке.
Измерения столь малых напряжений не удается выполнить с большой точностью
(наилучшие достигнутые результаты приведены к температуре 0,01%), поэтому несмотря
на различные усовершенствования метода шумовой термометрии (методы двух неравных
сопротивлений, равных сопротивлений, корреляции, измерения мощности шума) его
точность, кроме области очень низких температур, заметно ниже точности методов
газовой и акустической термометрии. Например, при относительной погрешности
измерения температуры 373 К – 0,01% абсолютная погрешность – около 0,04 К, а газовая
термометрия при этих температурах обеспечивает погрешность единицы милли Кельвин.
Законы излучения абсолютно черным телом.
Закон Планка
dL
d
c1
5
1
exp(
c2
T) 1
.
(26)
Закон Стефана Больцмана
dL
E
0
d
d
T 4,
(27)
где L – энергетическая яркость (поток излучения Ф нагретой поверхности площадью dS в
телесный угол d
Вт/м2;
в направлении, составляющем угол α с нормалью к площадке dS),
- длина волны, м;
dL
d
I - спектральная плотность энергетической яркости;
С1 = 2 hc2 = 3,7417749(22)·10-16 Вт·м2 – первая константа излучения;
C2 = hc/k = 1,438769(12) ·10-2 м·К – вторая константа излучения; h, c, k – соответственно
постоянные Планка, Больцмана и скорость света в вакууме; Е – энергетическая
светимость (поток излучения нагретой поверхности площадью dS), Вт/м2;
2 5k 4
5,67051(19) ·10-8 (Вт/м2 ·К),
2 3
15 c h
(28)
L
E
(при α=0).
Проинтегрированный по всем длинам волн закон Планка приводит к закону
Стефана-Больцмана, при дифференцировании закона Планка по длине волны можно
получить выражение для экстремумов функции L ( )
max·T = 2897756(24) мкм·К (закон смещения Вина).
(29)
В приведенных выше законах измерения температуры и термометрическое
свойство (L или Е) связаны через фундаментальные постоянные h, c, k (в случае с L в эту
связь входит длина волны).
К сожалению, реальные материалы не ведут себя как абсолютно черное тело и
приходится вводить в указанные законы поправочные коэффициенты (коэффициенты
излучения, учитывающие оптическое свойства материалов), которые зависят от
температуры длины волны, формы поверхности и т. д. Причем, влияние этих факторов
весьма значительно, а точность, с которой удается их учесть оставляет желать лучшего.
Поэтому оптическая пирометрия – так называют термометрию, основанную на
использовании (15), (16), по точности заметно уступает газовой термометрии в области
температур, по крайней мере ниже 1500°С.
Подведем итог обзору соотношений (6)...(16) ни одно из них с учетом реальных
условий не удовлетворяет поставленному в самом начале параграфа критерию: связь
между температурой и термометрическим свойством должна осуществляться только через
фундаментальные постоянные.
В этом смысле уместно здесь привести выражение, отражающее эффект
Джозефсона в слабосвязанных сверхпроводниках, когда напряжение U на слабой связи
(например, туннельном переходе Джозефсона) связано с частотой f, генерируемой этим
переходом только через отношение двух фундаментальных постоянных: удвоенного
заряда электрона 2е и постоянной Планка h и не зависит от конкретного способа
реализации слабой связи, ее температуры и т. д. (f = 2eU/h).
Увы, для температуры подобного соотношения пока не найдено и при градуировке
реальных термометров, построенных с использованием (6)...(16) приходится учитывать
влияние множества факторов введением коэффициентов в той или иной степени
зависящих от температуры, отражающих степень соответствия реального устройства
термометра положенной в его основу физической модели. По мере развития
экспериментальной техники учет этих факторов становится все более полным и точным.
В такой ситуации построение термодинамической шкалы на базе двух основных
реперных точек каждый раз по мере уточнения их численных значений приводило бы не
только к необходимости коррекции всей шкалы, но и изменению размера единицы
измерения температуры, как некоторой части основного температурного интервала между
двумя реперными точками. Использование одной основной реперной точки – тройной
точки воды с приписанным ей (точно!) значения температуры Т 0 = 273,16 К снимает эту
проблему. В частности, тщательные измерения с помощью газового термометра показали,
что точка кипения воды 99,975°С, а не 100°С. То есть пришлось бы изменять не только
значение шкалы, если бы она была построена по двум реперным точкам со значениями
0°С и 100°С, как это следует из (4), и изменять размер единицы измерения температуры,
равный по существовавшему определению одной сотой части этого основного
температурного интервала.
В
настоящее
время,
когда
говорят
о
термодинамической
шквале,
термодинамической температуре (в практическом, а не теоретическом смысле) имеют
ввиду шкалу с одной основной экспериментально воспроизводимой точкой Т 0 = 273,16 К,
один кельвин равен 1/273,16 части Т0, все остальные температуры так или иначе
«выверены» газовой, акустической термометрией в областях их наибольшей точности.
Значения термодинамических температур одних и тех же физически стабильных
процессов (реперных точек), полученные различными методами на различной аппаратуре
и в разных странах в идеальном случае должны совпадать. Однако такого совпадения
практически не бывает, что обусловлено наличием погрешностей измерения. Поэтому для
обеспечения единства измерений температуры в разных странах принимают соглашение,
в которых устанавливают некоторые усредненные значения температур реперных точек, а
также методы и средства воспроизведения температурной шкалы. Такая шкала называется
международной. Обычно для ее воспроизведения используют эталонные термометры,
более простые и удобные, чем, например, газовые, акустические или шумовые, но по
воспроизводимости
и
стабильности
не
уступающие
им.
Такими
эталонными
те6рмометрами являются, например, платиновые термометры сопротивления, основанные
на зависимости электрического сопротивления платиновой проволоки от температуры. В
этом случае шкалу температур называют часто практической, подчеркивая ее прикладную
направленность и упрощенное воспроизведение. Первая Международная практическая
температурная шкала была принята в 1927 г. (МПТШ-27), которая затем обновлялась по
мере уточнения термодинамических температур реперных точек с периодом около 20 лет
(МПТШ-48, МПТШ-68, МПТШ-90).
Зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры.
В термоэлектрическом методе измерения температуры используется температурная
зависимость
термоэлектродвижущей
силы
(термоЭДС),
возникающей
в
цепи,
составленной из разнородных проводников. Источниками термоЭДС в такой цепи
являются:
а) термоЭДС Томсона, образующаяся на концах однородного проводника,
находящихся при разных температурах Т1 и Т2. Ее значение для данного проводника А
определяется соотношением
T2
E A (T1 , T2 )
A (T ) dT ,
T1
где σА(Т) – коэффициент Томсона для данного проводника, который обычно находят
экспериментально.
Возникновение этой темоЭДС можно объяснить тем, что средняя энергия
свободных электронов, различная в разных проводниках, возрастает с
температурой.
Если вдоль проводника имеется перепад температур, то электроны на горячем конце
приобретают более высокие энергии т скорости, чем на холодном. В результате возникает
поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается
отрицательный заряд, а на горячем – положительный. Этот процесс создает одну
(объемную) составляющую термоЭДС. Важной характеристикой этого процесса является
величина
T
A dT ,
A
0
T
называемая абсолютной темоЭДС проводника.
б) Температурная зависимость контактной разности потенциалов Е АВ(Т1),
возникающей при переходе от проводника А к проводнику В (рис. 1) в точке их
соединения с температурой Т1, и ЕВА(Т2) при переходе от проводника В к проводнику А в
точке с температурой Т2. Вследствие температурной зависимости контактной разности
потенциалов ЕАВ(Т1) ≠ ЕВА(Т2), а значит суммарная термоЭДС в цепи равна
ЕАВ(Т1, Т2) = ЕА(Т1, Т2) – ЕВ(Т1, Т2) + ЕАВ(Т1) – ЕАВ(Т2).
(1)
Вклад контактной составляющей термоЭДС, называемой ЭДС Зеебека, может быть
сравним или даже быть больше объемной термоЭДС и, как правило, противоположен
последней по знаку. Появление этой составляющей связано с различной концентрацией
свободных электронов в местах контактирования проводников.
Существует еще одна составляющая термоЭДС – эффект увлечения электронов
фотонами. Если в твердом теле существует градиент температуры, то число фотонов,
движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении.
При своем направленном движении фотоны в результате столкновений с электронами
будут увлекать их за собой и на холодном конце образца будет накапливаться
отрицательный заряд (а на горячем - положительный). Возникшая разность потенциалов и
представляет собой дополнительный источник термоЭДС.
Две первые составляющие обуславливают диффузионную термоЭДС, которая
доминирует в чистых металлах при температурах T > ΘD (ΘD – температура Дебая). Во
многих сплавах диффузионная термоЭДС αдиф является основным механизмом
термоэлектричества при всех температурах.
При низких температурах у чистых металлов наблюдается сильное отклонение
зависимости α(Т) от линейной из-за влияния термоЭДС фононного увлечения αфон.
Для измерения термоЭДС, развиваемой термопарой, к ее свободным концам
подключают измерительный прибор. Это значит, что в цепь термопары вводят третий
проводник С, по своим физическим свойствам отличающийся (в общем случае) от
каждого из термоэлектродов. В этом случае суммарная термоЭДС в замкнутой цепи,
состоящей уже из трех последовательно соединенных разнородных проводников А, В и С
(рис. 3б) будет по аналогии с (1) иметь вид:
ЕАВС(Т1, Т2) = ЕА(Т1, Т2) – ЕВ(Т2, Т1) – ЕС(Т2, Т2) + ЕАВ(Т1) – ЕВС(Т2) – ЕСА(Т2). (2)
Если концы однородного проводника имеют одинаковую температуру, то объемная
термоЭДС не возникает и, следовательно,
ЕС(Т2, Т2) = 0.
(3)
По смыслу контактной разности потенциалов имеет
ЕВС(Т2) = ϕв(Т2) – ϕс(Т2),
(4)
ЕСА = ϕс(Т2) – ϕА(Т2),
где ϕА, ϕВ, ϕС – потенциалы на концах термоэлектродов А, В, С с температурой Т2.
Из (4) следует
ЕВС(Т2) + ЕСА(Т2) = ϕВ(Т2) – ϕА(Т2) = ЕВА(Т2)
и выражение (2) становится идентичным (1).
Следовательно, наличие в цепи термопары третьего проводника не вызывает
искажений ее термоЭДС, если значения температуры его концов одинаковы. В противном
случае условия (3) и (4) нарушаются и появляется дополнительная (паразитная)
термоЭДС. Отсюда следует практически важный вывод, что если на зажимах прибора, к
которым подключена термопара, обеспечивается равенство температур, то измерительный
прибор не будет вносить искажений в измерительную величину термоЭДС термопары.
Далее, электрический
контакт
между термоэлектродами
термопары (спай
термопары) можно осуществлять не только сваркой концов термоэлектродов, но и их
пайкой. Возникающая при этом между термоэлектродами прослойка третьего металла
(припоя) не вызовет искажений термоЭДС, если температуры на границах припоя с
термоэлектродами практически одинаковы.
Еще один важный вывод. Однородность свойств термоэлектродов термопары
должна быть такой, чтобы к ним нельзя было применить модель ―третьего
термоэлектрода‖, который в случае неоднородного температурного поля вдоль
термоэлектродов вносил бы искажения в суммарную термоЭДС.
С учетом этих обстоятельств можно утверждать, что термоЭДС термопары зависит
только от термоэлектрических свойств термоэлектродов и от температур измерительного
спая и свободных концов. Для однородных термоэлектродов эта термоЭДС не зависит от
характера распределения температуры вдоль них, а также от их длины, площади
поперечного сечения, электросопротивления и т. д.
Это позволяет широко использовать термопары в качестве чувствительных
элементов термоэлектрических преобразователей температуры. Физические свойства
наиболее распространенных термоэлектродных материалов приведены в таблице, а
температурные
зависимости
термоЭДС
часто
используемых
термоэлектрических
преобразователей изображены на рис. 4.
2. МЕЖДУНАРОДНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА (МТШ).
2.1. Принцип построения МТШ
При измерении температуры желательно знать точно термодинамическую
температуру.
Практически
же
можно
говорить
лишь
о
воспроизведении
термодинамической шкалы с тем или иным приближением. Из данных, приведенных в
предыдущих разделах, следует, что термодинамическая температура наиболее точно
воспроизводится газовым термометром.
Однако газовый термометр – сложный комплекс высокоточной, уникальной и
дорогой аппаратуры, требующей специальных помещений и высококвалифицированного
персонала. Непригодность применения газового термометра высокой точности для
широкого круга прецизионных измерений температуры привела к необходимости
построения практической температурной шкалы, под которой понимается совокупность
методов
и
средств,
позволяющих
просто
измерять
температуру близко
к
ее
термодинамическому значению.
Создание
практической
температурной
шкалы
предполагает
выполнение
следующих работ:
- создание первичного прибора (в частности, газового термометра), способного
воспроизводить термодинамическую температуру с наивысшей точностью;
- выбор некоторого количества хорошо воспроизводимых реперных точек,
термодинамическая температура которых тщательно измеряется первичными приборами;
- создание вторичных приборов (термометров сопротивления, термопар и т. д.),
стабильных и точных, простых и удобных для постоянного пользования, на которые
наносится термодинамическая температура.
Зависимость термометрических свойств вторичных приборов от температуры,
устанавливаемая
с
помощью
первичных
между
реперными
точками
называют
интерполяционным уравнением, а вторичные приборы – интерполяционными.
Первая международная практическая температурная шкала (МПТШ) была введена
в 1927г. Международным комитетом мер и весов, вторая – в 1948г., третья – в 1968г. В
настоящее время действует международная температурная шкала МТШ-90, введенная в
действие с января 1990г. взамен МПТШ-68.
МТШ-90 построена таким образом, чтобы во всем диапазоне температур
численные значения температуры Т90 минимально отличались от наиболее точных
значений термодинамической температуры, полученных к 1990 году. В качестве основной
реперной точки выбрана тройная точка (ТТ) воды – точка равновесия твердой (лед),
жидкой и газообразной (насыщенный пар) фаз воды. Тройная точка воды выбрана в
качестве основной потому, что ее относительно легко получить и она наиболее
воспроизводима по сравнению с другими известными фазовыми равновесиями. Тройная
точка воды имеет на 0,01 К большее значение, чем точка плавления льда, которая
традиционно использовалась в качестве основной. Однако воспроизводимость тройной
точки на порядок выше и ее можно осуществить с погрешностью около 0,1 мК. Единицей
температуры
является
Кельвин,
символ
К,
определенный
как
1/273,16
часть
термодинамической температуры тройной точки воды. Принимая во внимание способ
определения предшествующих температурных шкал, в МТШ-90 сохранена практика
выражения температуры в виде разности ее значения относительно температуры 273,16 К
– точки плавления льда. Выраженная таким образом температура называется
температурой Цельсия и определяется как t, °C = T, K – 273,16.
Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия, символ °C, размер
которого равен Кельвину по определению. Значения температуры и разности температур
могут быть выражены в Кельвинах или в градусах Цельсия.
2.2. Описание МТШ-90.
МТШ-90 перекрывает диапазон температур 0,65 К до температуры практически
доступной
измерению
в
соответствии
с
законом
измерения
Планка
для
монохроматического излучения.
МТШ-90 имеет диапазоны (поддиапазоны), в каждом из которых установлено свое
определение Т90. Если они перекрываются, то определения Т90 на участке перекрытия
эквивалентны и ни одно из них не является предпочтительным, несмотря на некоторую
численную разницу. Аналогично при использовании даже одного определения Т90 два
очень хороших интерполяционных прибора могут дать обнаруживаемую разницу в
численных значениях Т90, находящейся между основными реперными точками. Однако
упомянутые расхождения пренебрежимо малы.
Некоторые основные положения МТШ-90 отражены в табл. 2.1.
Стандартная функция Wr(T90), используемая в табл. 2.1. – это относительное
сопротивление гипотетического (идеализированного) платинового термометра.
Значения Wr(T90) в некоторых реперных точках приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2.
Реперная точка
ТТ Н2
ТТ Ne
TT O2
TT Ar
TT Hg
13,8033 K
24,5561 K
54,3584 K
83,8058 K
234,3156 K
Wr(T90)
0,00119007
0,00844974
0,09171894
0,21585975
0,84414211
Реперная точка
TT H2O
TЗ Ga
TЗ In
TЗ Sn
TЗ Zn
273,16 К
29,7646 °С
156, 5985 °С
231,928 °С
419,527°С
1,000000
1,11813889
1,60980185
1,89279768
2,56891730
Wr(T90)
Реперная точка
Wr(T90)
TЗ AI
TЗ Ag
660,323°С
961,78 °С
3,37600860
4,28642053
TT – тройная точка, ТП – точка плавления, ТЗ – точка затвердения.
Для интерполяционного термометра сопротивления должна использоваться чистая
платина, свободная от всех напряжений и удовлетворяющая следующим соотношениям:
(2.2)
В составе национального эталона температуры в каждой стране должны
использоваться платиновые термометры сопротивления, удовлетворяющие условию (2.2).
Отличие реальных значений W(T90) от стандартных Wr(T90) учитываются функцией
отклонения
∆W = W(T90) - Wr(T90), которые определяются в соответствии с табл. 3.1.
Так для национального эталона температуры в соответствии с технологическим
уровнем развития в данной стране устанавливается W(T90), а следовательно, через (2.1)
зависимость воспроизводимой температуры от измеренного значения сопротивления
платинового термометра.
Основные отличия МТШ-90 от МТШ-68 следующие:
1. Дополнительно введены ТП Ga и ТЗ AI, In, Cu.
2. Вместо
определения
W(T)
=
R(T)/R(273,16
K)
используется
W(T90)
=
R(T90)/R(273,16 K).
3. Уточнены значения температур реперных точек (некоторые из них приведены в
табл. 2.3).
Таблица 2.3.
ТЗ AI
ТЗ Zn
ТЗ Sn
ТЗ Au
МТШ-27
960,5
МТШ-48
960,8
419,505
МТШ-68
961,93
419,58
231,9681
1064,43
МТШ-90
961,78
419,527
231,928
1064,18
4. Уточнены интерполяционные уравнения (стандартные функции).
В целом разница между МТШ-90 и МТш-68 иллюстрируется графиком на рис.3.1.
2.3. Реализация МТШ-90 в России.
Поверочная схема для средств измерений температуры состоит из 3-х частей:
- часть 1 охватывает диапазон 0,8...303 К;
- часть 2 охватывает диапазон выше 0°С (контактные термометры);
- часть 3 охватывает диапазон выше 0°С (радиационные термометры);
Часть 1 поверочной схемы (0,8..303 К).
Государственный эталон состоит из: группы термометров сопротивления,
криостатов сравнения; контрольной температуры; аппаратуры для воспроизведения
основных реперных точек МТШ-90 в диапазоне 0,8...303 К; газового интерполяционного
термометра; гелиевого конденсационного термометра; ртутного манометра.
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы температуры в
диапазоне 0,8...273,16 К со средним квадратическим отклонением результата изме6рений=
0,0003...0,001К;
при неисключенной систематической погрешности = 0,0004...0,0015 К.
В качестве эталонов-свидетелей и рабочих эталонов применяются платиновые
(диапазон 13,8...303 К) и железорадиевые
(диапазон 0,8...303 К) термометры
сопротивления типов ТСПМ-1, ТСПМ-5, ТСПМ-6, ПТС-10, ТСРЖ = 0,0006...0,002 К.
Реализуются три параллельных цепочки поверочной схемы, которые начинаются с
рабочих эталонов: одна (диапазон 0,8...303 К) – для железорадиевых термометров и
полупроводниковых (последние начинаются со 2-го разряда), другая (диапазон 13,8...303
К) – для платиновых термометров сопротивления, третья (диапазон 77..303 К) – тоже для
платиновых термометров сопротивления.
Во всех этих цепочках реализуется метод непосредственного сличения в
криостатах; пределы допускаемых абсолютных погрешностей для образцовых средств
измерения (ОСИ) 1 разряда – 3-10 мК, ОСИ 2 разряда – 0,015-0,1 К.
Соотношение пределов допускаемых абсолютных погрешностей ОСИ 1-го и 2-го
разрядов должно быть не более 1:5.
В качестве рабочих средств измерений применяют полупроводниковые и
металлические термометры сопротивления, термоэлектрические и пьезокварцевые
термометры; манометрические, жидкостные и ртутные термометры; полупроводниковые,
платиновые,
железорадиевые
термометры
сопротивления
повышенной
точности
(0,005...0,05 К); термоэлектрические и ртутные термометры повышенной точности
(0,05...0,1 К).
Соотношение пределов допускаемых абсолютных погрешностей ОСИ 2-го разряда
и рабочих средств должно быть не более 1:3.
Часть 2 поверочной схемы (0...2500 °С). (контактные термометры)
Для этого диапазона первичный эталон состоит из: аппаратуры для
воспроизведения реперных точек МТШ-90 для 0°С; группы платиновых термометров
сопротивления; средств измерения электрического сопротивления.
Он
обеспечивает
воспроизведение
единицы
температуры
со
средним
квадратическим отклонением результатов измерений ( ) при 5 независимых измерениях и
неисключенной систематической погрешностью ( ), не превышающей значений,
указанных в табл.
°С
°С
°С
0
510-5
МО"4
29,7646
510-5
2-Ю-4
156,5985
МО"4
2-Ю-4
231,928
2-Ю"4
2-Ю"4
419,527
2-Ю-4
2-Ю-4
660,323
5-Ю"3
3-Ю"4
961,78
7-Ю-3
5-Ю-3
1064,18
7-Ю"3
5-Ю-3
1-Ю"2
5-Ю"3
1084,62
В поверочной схеме далее следует эталон-копия, который используют для
поверки 4-х рабочих эталонов. Два из них: - рабочий эталон, содержащий только
платиновые
термометры
сопротивления
на
диапазон
0...1084,62°С,
которые
градуируют в реперных точках эталон-копии; -рабочий эталон, содержащий только
аппаратуру для воспроизведения реперных точек в диапазоне 0...1084,62°С, который
поверяют методом прямых измерений с помощью платиновых термометров
сопротивления, входящих в состав эталон-копии.
Среднее
квадратическое
отклонение
суммарной
погрешности
сличений
перечисленных рабочих эталонов с эталоном-копией при 3-х независимых измерениях
должно быть от 0,45 10-3°С при 0 °С. Указанные рабочие эталоны "передают" единицу
температуры соответственно методом прямых измерений и градуировкой в реперных
точках ОСИ 1 разряда (доверительные границы абсолютных погрешностей ( )
последних при доверительной вероятности 0,95 не более 0,002..0,2 °С в диапазоне 0...
1084,68 °С). Еще два рабочих эталона осуществляют передачу единицы температуры
термоэлектрическим термометрам. Один из них состоит из термоэлектрических
термометров на диапазон 0...1800 °С ( = 0,01... 1 °С), другой - из аппаратуры для
воспроизведения реперных точек на диапазон 962... 1769 °С ( = 0,3... 1,0 °С). Метод
непосредственного
сличения
в
термостатах
для
передачи
размера
единицы
температуры предусмотрен, в основном, начиная с ОСИ 2-го разряда. По
особенностям использования рабочие средства измерения делятся на термометры
погружения (диапазон 0...1085 °С, = 0,003...9 °С), термометры для измерения
температуры поверхности (диапазон 500 °С, = 0,5... 15 °С), термометры для измерения
разности температур (диапазон 0...150 °С, = 0,01...0,2 °С), термопреобразователи
сопротивления
(диапазон
0...1085
°С,
=
0,2...20
°С),
термоэлектрические
преобразователи (диапазон 0...1800 °С, = 0,05.. .3,0 °С), термоэлектрические
термометры (диапазон 0...1800°С, = 0,1... 15 °С).
Часть 3 поверочной схемы (диапазон 0...2500 °С), (радиационные термометры)
Эталоны-копии на диапазон температур 0...1084,62°С - излучатели-модели
абсолютно черного тела (АЧТ) на основе реперных точек: ТТН 2О, ТП , ТЗ , , , , .
Эталон-копии для диапазона температур выше точки золота - набор температурных
ламп (не менее 3 шт.), градуированных в видимой УФ и ближней ИК-областях спектра
в диапазоне температур до 2500 °С. В качестве компаратора для сличения эталонакопии с первичным эталоном выше серебра используется спектрокомпаратор, ниже ТЗ
золота - платиновые термометры сопротивления.
Среднее квадратическое отклонение суммарной погрешности сличений эталонакопии составляет 0,1... 1,8 °С в диапазоне 0...2500 °С.
Применяются два рабочих эталона: один представляет собой набор излучателей
типа "черное тело", выполненных в виде моделей АЧТ либо с регулируемой
температурой излучающих полостей (с встроенным контактным термометром), либо при
температурах фазовых переходов чистых веществ в диапазоне 0...2500 °С в широком
спектральном интервале, в том числе ИК; другой - набор температурных ламп,
градуированЯк в УФ и видимой областях спектра (диапазон 800...2100 °С). Средняя
квадратическая погрешность сличений рабочих эталонов с эталонами-копиями 0,2...3 °С
в диапазоне 0...2500 °С. В качестве ОСИ 1-го разряда применяют пирометры
(монохроматические, полного и частичного излучения), излучатели в виде моделей АЧТ и
температурных ламп для диапазона 0...2800 °С, плазменные излучатели (диапазон 2500...
15000 °С), широкоаппаратурные излучатели с регулируемой температурой (диапазон
1О3...1О5 °С) для микроволновой области спектра. Доверительная погрешность ОСИ 1го разряда с доверительной вероятностью 0,95 должна быть не более: диапазон O...28OO
°С - 0,5... 1,7 °С; диапазон 2500... 15000 °С -6,5... 100 °С; диапазон 1О3...1О5 °С - 30...3103 °С.
Рабочие средства измерений: пирометры полного и частичного излучения,
пирометры спектрального отношения тепловизоры, монохроматические, а также
широкоаппаратурные излучатели и радиометры для микроволнового излучения.
Пределы допускаемых погрешностей диапазон 0...2800 °С - 1...35 °С; 400...1,5-Ю4 °С -5...300
°С; 1О3...1О5 °С - 12О...1,2-1О4 °С.
Соотношение доверительных погрешностей образцовых средств измерений и
предела допускаемой погрешности рабочих СИ должно быть не более 1:2 при
контрольном допуске на поверку, составляющим 0,8 от предела допускаемой
погрешности рабочих СИ.
Измерение ТЭДС термопреобразователя с помощью
милливольтметров
Для измерения ТЭДС термоэлектрических преобразователей широко
применяют милливольтметры, в частности, магнитоэлектрического типа.
Принцип действия магнитоэлектрических милливольтметров основан на
взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной
катушки (рамки) при протекании в ней
постоянного тока,
обусловленного ТЭДС преобразователя.
Рис. 4.11. Схема магнитоэлектрического
милливольтметра
Основными элементами милливольтметра (рис. 4.11) являются
постоянный магнит 4, неподвижный железный сердечник 3 и подвижная
рамка 1 в форме прямоугольника, выполненная из нескольких десятков или
сотен витков тонкой изолированной медной проволоки. Рамка
укрепляется по центру сердечника на кернах и жестко связана со
стрелкой 2, конец которой перемещается по шкале 6 прибора. Вся
подвижная система прибора (рамка, стрелка и др.) балансируется с
помощью противовесов 5 так, чтобы центр тяжести ее совпадал с
геометрической осью вращения. Рамка подключается к электрической
цепи, в которой измеряется ТЭДС, с помощью спиральных пружинок или
растяжек. Растяжки или пружины создают упругий момент вращения,
противодействующий
моменту
вращения,
возникающему
при
взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и рамки с током.
Известно, что в этом случае угол поворота рамки φ определяется
уравнением:
φ = C0i
(4.11)
где Со — постоянный коэффициент пропорциональности для данной
конструкции прибора; i — сила тока, протекающего по рамке, А.
Чтобы определить ТЭДС, развиваемую
термоэлектрическим
преобразователем,
необходимо
знать общее
сопротивление
измерительной цепи, состоящее из сопротивлений милливольтметра RГ
и сопротивления внешней цепи RBН.
Тогда сила тока
i
E (t1 , t 2 )
RГ
R ВН
(4.12)
Таким образом, угол поворота рамки милливольтметра φ является
функцией ТЭДС Е (t1 , t2 ) термопреобразователя.
В общем случае зависимость угла поворота рамки можно выразить
как функцию нескольких величин:
φ = f (RГ, RВН, E).
(4.13)
В реальных условиях сопротивление милливольтметра RГ и
внешней цепи RBН могут значительно изменяться при изменении их
температуры. Эти изменения могут явиться причиной отклонений
показаний прибора от действительных значений. Для уменьшения
изменений показаний прибора, вызываемого отклонением температуры
окружающей среды от нормальной (25±10)°С, последовательно с медной
обмоткой рамки RP измерительного механизма (ИМ) включают
добавочное сопротивление
RД из манганина.
Температурный
-5
-1
коэффициент манганина очень мал (0,6×10 К ). Таким образом,
значение сопротивления практически не будет изменяться при изменении
температуры, а температурный коэффициент милливольтметра
значительно уменьшится.
Измерительные механизмы милливольтметров. Наиболее распространены измерительные механизмы с внешним магнитом, в зазоре
между полюсами которого установлена подвижная рамка, снабженная
легкой алюминиевой стрелкой для отсчета показаний. Подвижная часть
измерительного механизма может быть установлена на кернах или на
растяжках.
Милливольтметры с подвижной частью на кернах разделяются на
две подгруппы: с вертикальной и горизонтальной осью. Они конструктивно
оформляются в виде приборов показывающего типа. Чаще всего
используются приборы с вертикальной осью. Милливольтметры с
подвижной частью на растяжках конструктивно оформляются в виде
показывающих и самопишущих приборов. В зависимости от
назначения милливольтметры подразделяются на стационарные и
переносные.
Переносные милливольтметры, предназначенные для работы с
термоэлектрическими преобразователями, градуированы либо только в
милливольтах, либо в единицах температуры и милливольтах.
Стационарные, показывающие и самопишущие милливольтметры,
предназначенные для работы со стандартными термоэлектрическими
преобразователями, изготовляются с одной шкалой, отградуированной в
единицах температуры для данной градуировки термопреобразователя.
Пределы измерений этих приборов должны соответствовать ГОСТ 9736—
80.
Самопишущие милливольтметры применяются для измерения и
записи температуры в одной или в нескольких точках (2—6). Одноточечные
самопишущие милливольтметры могут быть выполнены с двух- или
трехпозиционным регулирующим устройством, которое может быть
использовано также и для сигнализации температуры.
Отечественной промышленностью выпускается ряд самопишущих
милливольтметров (Н3009, Н399 и др.), класс точности которых 1,5.
При измерении ТЭДС с помощью милливольтметра необходимо
учитывать собственное потребление мощности прибором. На
рис. 4.12 приведена электрическая схема милливольтметра с
подключенным к нему термоэлектрическим преобразователем.
Как следует из схемы, ток, протекающий в измерительной цепи
I
E AB (t1 , t 2 )
RM
RТП
RТ
RУ
(4.14)
где EAВ(t1,t2) — ТЭДС, развиваемая термоэлектрическим
преобразователем, В; RM, — внутреннее сопротивление
милливольтметра при температуре 20°С, Ом; RTП —
сопротивление удлиняющих термоэлектродных проводов при
температуре 20°С, Ом; RТ — сопротивление термоэлектрического
Рис. 4.12. Электрическая схема милливольтметра
с подключенным термоэлектрическим преобразователем
преобразователя при температуре 20°С, Ом; RУ — значение подгоночного
манганинового сопротивления, Ом.
Сопротивление внешней электрической цепи милливольтметра в
данном случае
RВН = RТ + RTП + RУ + RП
где RП — сопротивление медных проводов при 20 °С, Ом.
Напряжение на зажимах милливольтметра
U M = I RM
Подставив в формулу (4.14) значение тока I из (4.12) и с учетом
(4.13) получаем:
UM
E AB (t1 , t 2 ) R M
RM
R ВН
(4.15)
откуда
UM = EAB(t1, t2) – UM (RВН /RM) = EAB(t1, t2) – IRВН
(4.16)
Таким образом, напряжение на зажимах милливольтметра всегда
меньше, чем ТЭДС, развиваемая термоэлектрическим преобразователем, на
значение, равное
падению
напряжения
во внешней цепи. Падение
напряжения тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление
милливольтметра по сравнению с его внешним сопротивлением, т. е. чем
меньше отношение RВН/RМ. Поэтому внутреннее сопротивление
милливольтметра делается достаточно большим.
Пользуясь формулой (4.16), можно рассчитать погрешность
измерения ТЭДС с помощью милливольтметра, обусловленную
потреблением
милливольтметром
мощности
при
протекании
в
измерительной цепи тока I.
§ 4.8. Измерение ТЭДС компенсационным методом
Как было указано в § 4.7, измерение ТЭДС термопреобразователя
непосредственно милливольтметром по силе тока в цепи постоянного
сопротивления имеет ряд недостатков, снижающих точность измерения.
Более точными являются компенсационные методы измерения,
заключающиеся в уравновешивании (компенсации) измеряемой ЭДС
известным напряжением, получаемом от строго определенного тока,
называемым обычно рабочим, на сопротивлении с известным значением.
На рис. 4.13 приведена принципиальная схема компенсационного
измерения ТЭДС. ЭДС термопреобразователя, равна я E(t 1 ,t 2 ), в этой
схеме сравнивается с падением напряжения U ab на участке аb цепи от
постороннего источника напряжении — гальванического элемента (ГЭ)—
эта цепь называется компенсационной. ТЭДС и падение напряжения Uab,
включены навстречу друг другу.
Рис. 4.13. Принципиальная схема компенсаци- Рис. 4.14. Упрощенная схема
онного ичмерения ТЭДС
потенциометра с постоянной
силой рабочего тока
Значение Uab можно изменять двумя методами: поддерживая
постоянной силу рабочего тока 1Р в компенсационной цепи и изменяя
значение R'К: переменного сопротивления RK на участке ab; сохраняя
сопротивление RK постоянным и изменяя силу тока Iр в компенсационной
цепи.
Рабочий ток Iр измеряется миллиамперметром mА и изменяется
сопротивлением Rp. Значение компенсационного сопротивления R'K
определяется по положению подвижного движка или рукояток магазина
сопротивлений.
Если E(t 1 ,t 2 ), развиваемая термоэлектрическим преобразователем, не
равна падению напряжения Uab, то в цепи термопреобразователя возникает
ток, обнаруживаемый по отклонению стрелки гальванометра G. Изменяя
сопротивление RK или рабочий ток /р, добиваются равенства E(t 1 ,t 2 ) и Uah.
В случае компенсации (уравновешивания) этих напряжений тока в цепи
термопреобразователя не будет, и стрелка гальванометра установится на
нуле. Значение ТЭДС в этом случае определяется по зависимости:
E(t 1 ,t 2 ) = Uab = IP R'K
(4.17)
В большинстве практических случаев обычно принимают постоянным
рабочий ток Iр, тогда ТЭДС пропорциональна одной величине —
электрическому сопротивлению R'K.
Рассмотренный компенсационный метод измерения ТЭДС положен в
основу принципа действия приборов, называемых потенциометром с
постоянной силой рабочего тока. Сила тока в компенсационной цепи
(контуре)
потенциометра
пропорциональна
напряжению
Е
гальванического элемента, которое, как известно, с течением времени
уменьшается. Поэтому для поддержания постоянной силы рабочего тока IP
необходимо периодически контролировать его значение с помощью
стандартной меры электродвижущей силы — нормального элемента. В
последние годы вместо гальванических источников питания получили
широкое распространение стабилизированные электронные источники
питания (напряжения или тока).
Основное преимущество компенсационного метода измерения ТЭДС,
по
сравнению
с
непосредственным,
например,
с
помощью
милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в цепи
термопары равен нулю. Это означает, что сопротивление внешней цепи не
влияет на погрешность измерения: никакой подгонки сопротивления
внешней цепи производить не ладо и нет необходимости учитывать влияние
температуры окружающей среды на сопротивление внешней цепа.
Нормальные элементы (НЭ), применяемые в качестве меры
электродвижущей силы, характеризуются большим постоянством
(стабильностью) развиваемой ими ЭДС. Изготовляют даа типа нормальных
элементов — насыщенные (более высокой точности) и ненасыщенные.
Основные технические характеристики НЭ, изготовляемых по ГОСТ
1954—75, приведены в табл. 4.7. Следует отметить, что НЭ очень
чувствительны к перегрузкам. Так, насыщенные НЭ нельзя даже
кратковременно, в течение 1 мин, нагружать током более 1 мкА, а
ненасыщенные — более 10 мкА.
Потенциометры переносные и лабораторные с постоянной силой
рабочего тока широко применяются в практике температурных
измерений. В компенсационную цепь схемы (рис. 4.14) включены RP —
регулировочное сопротивление; ИП — источник питания (гальванический
элемент, батарея или стабилизированный источник питания); RK —
регулируемое компенсационное сопротивление (магазин сопротивлений);
Rr — контрольное сопротивление для установки рабочего тока Iр.
ТАБЛИЦА 4.7
Тип НЭ
Насыщенный
Класс
Значение ЭДС при
точности температуре 20°С, В
Нестабильность Рабочая
ЭДС, не более, температура,
мкВ
°С
При
за 1
за 3
эксплуатации год
года
0,0005
при выпуске
из
производства
От 1,018590 От 1,018540
5,0
1,0
19 – 21
до 1,018700
0,001
0,002
0,005
Ненасыщенный 0,002
От 1,019000
до 1,019600
до 1,018730
От 1,018800
до 1,019600
0,005
0,01
0,02
10,0
20,0
50,0
20,0
2,0
4,0
10,0
4,0
18 – 22
18 – 24
10 - 40
10 – 40
50,0
100,0
200,0
10,0
20,0
40,0
10 – 40
5 – 40
5 - 40
Переключателем П можно пулевой прибор (гальванометр) НП
включать в цепь НЭ или в цепь термоэлектрического преобразователя
E(t 1 ,t 2 ). В реальных схемах потенциометров для предохранения и.х от
случайных перегрузок большим током включают последовательно с ним
балластное сопротивление (на рисунке не показано).
Для установления определенного значения рабочего тока IР
переключатель П устанавливают в положение К. При этом НЭ вместе с
последовательно подключенным нулевым прибором НП оказывается
переключенным к зажимам а и b контрольного сопротивления RI.
Ток Iр в компенсационной цепи (контуре) регулируется резистором
Rp до тех пор, пока падение напряжения на сопротивлении RI не станет
равным ЭДС нормального элемента EНЭ.
При выполнений этого условия указатель нулевого прибора
установится на нулевой отметке шкалы, и имеет место равенство:
EНЭ = IР RI,
при этом
(4.18)
IР = EНЭ / RI.
(4.19)
После установки рабочего тока IР переключатель П возвращают в
среднее положение, а значение сопротивления RK устанавливают
в
положение, приблизительно соответствующее измеряемому значению
ТЭДС. Затем переключатель Я переводят в положение П, при котором
термоэлектрический
преобразователь
включается
в
цепь
с
компенсационным сопротивлением RK и нулевым прибором НП. Регулируя
сопротивление R'K, добиваются равенства значений ТЭДС преобразователя
E(t 1 ,t 2 ) и компенсирующего напряжения на части R'K сопротивления RK.
При этом показание прибора ИП равно нулю.
Таким образом,
E(t 1 ,t 2 )= IР R'K
(4.20)
С учетом формулы (4.19), получаем:
E (t1 , t 2 )
E НЭ
R1
'
RK
E НЭ
RI
mR K
(4.21)
где m = R'K / RK.
Компенсационное измерение ТЭДС имеет следующие основные
преимущества: отсутствие в момент измерения тока в цепи
термопреобразователя, т. е. ТЭДС не искажается; отсутствие тока через
измерительный прибор. Это обстоятельство обусловливает только
необходимость высокой чувствительности по напряжению Си нулевого
прибора НП (а не его точности). Действительно, в момент компенсации
стрелка прибора не отклоняется, при этом ∆Е = E(t 1 ,t 2 )- IРmRK ≤CU .
Значение определяет погрешность измерения ТЭДС E(t 1 ,t 2 ).
Точность отсчета компенсирующего устройства зависит от точности
установки рабочего тока Iр и точности отсчета компенсационного
сопротивления mRK.
Для измерения ТЭДС в лабораторных условиях в зависимости от
предъявляемых требований к точности применяются потенциометры
классов точности 0,005; 0,015; 0,02 и 0,05 по ГОСТ 9245—79. К таким
потенциометрам относятся потенциометры, например, типа Р-363 (класс
точности 0,001—0,005 в зависимости от модификации), Р-368 (класс
точности 0,02), ПП-63 (класс точности 0,05).
Автоматические потенциометры от лабораторных и переносных
отличаются тем, что операции регулирования компенсирующего
напряжения и, следовательно, уравновешивания измеряемой ТЭДС
производятся не вручную, а автоматически перемещением движка по
калиброванному реохорду с помощью непрерывно действующего следящего
устройства.
Блок-схема автоматического потенциометра приведена на рис. 4.15.
В случае равенства ТЭДС преобразователя E(t 1 ,t 2 ), компенсирующему
напряжению UK механизм следящей системы потенциометра находится в
покое. При наличии разности между этими значениями на усилительное
устройство потенциометра подается сигнал разбаланса. Сигнал
усиливается, преобразуется в электрический сигнал переменного тока и
поступает на реверсивный двигатель, который устанавливает движок
реохорда в положение, соответствующее полной компенсации ТЭДС
термопреобразователя. Положение движка, эквивалентное значению
измеряемой температуры, фиксируется при этом указателем-кареткой на
шкале потенциометра или на диаграммной ленте Д (указатель-каретка
связан с движком реохорда). Привод механизма движения диаграммной
ленты осуществляется синхронным двигателем, а в многоточечных
приборах этот двигатель, кроме того, приводит в действие печатающее
устройство каретки.
Автоматические потенциометры — это
технические общепромышленные приборы высокой
(класс 0,25), средней (класс 0,5; 1,0) и низкой
точности (класс 1,5 и ниже).
Потенциометры с ленточной диаграммой
выпускаются как одноточечными, так и многоточечными для измерения и
записи температуры в нескольких (двух, трех, шести и двенадцати) точках.
Многоточечные приборы снабжаются кареткой с печатающим механизмом
для многоцветной или одноцветной записи и двухполюсным
переключателем, автоматически подключающим к измерительной схеме
поочередно все подключенные к потенциометру термопреобразователи.
Динамические характеристики (быстродействие) определяются
временем прохождения указателем всей шкалы. По этой характеристике
потенциометры классифицируются как быстродействующие (время
прохождения 0,15 и 0,25 — 0,5 с), среднего (время прохождения 1; 2,5; 5;
10 с) и низкого быстродействия (время прохождения более 10 с).
В зависимости от назначения автоматические потенциометры
градуированы в градусах Цельсия или в единицах напряжения, обычно в
милливольтах. При применении потенциометров с температурной шкалой
необходимо иметь в виду, что их шкала действительна только для
указанной на шкале градуировки (ХА, ХК и т. п.), а следовательно, и
для определенного термоэлектрического преобразователя.
Принципиальные схемы автоматических потенциометров. Выпускаемая отечественной промышленностью широкая номенклатура
автоматических потенциометров соответствует требованиям ГОСТ 7164—
78, а их принципиальные схемы имеют много общих, в т. ч.
унифицированных узлов.
Принципиальная электрическая схема многоканального электронного автоматического потенциометра приведена на рис. 4.16. На
схеме RP — сопротивление реохорда, уравновешивающего измерительную
схему, а Rш — шунт реохорда, служащий для подгонки его
сопротивления до заданного нормированного значения Rрн.
Сопротивление RH определяет нижний предел измерения или начало
шкалы; RП — верхний предел измерения или конец шкалы. Сопротивления
ГН и ГП —подгоночные; выполнены в виде спиралей и представляют
собой части сопротивлений RH и RП, намотанных на каркасы катушек,
как и все сопротивления измерительной схемы.
220В
л/
Рис. 4.16. Схема принципиальная электрическая автоматического многоканального
потенциометра КСП4
При изменении температуры свободных концов термоэлектрического
преобразователя па значение ∆t ТЭДС изменяется назначение ∆Е, что
вносит погрешность в показания прибора. Для автоматической компенсации
влияния
изменения
температуры
свободных
концов
введено
сопротивление RМ, выполненное из медной проволоки. Сопротивление Rа
введено для ограничения тока в измерительной схеме; Rc является плечом
моста компенсационной схемы и одновременно служит для проверки
наличия тока в схеме; RPТ ограничивает ток в цепи источника питания.
Переменное сопротивление R'PT служит для установки значения рабочего
тока в измерительной схеме.
Питание измерительной схемы стабилизированное, осуществляется от
источника ИПС, который питается от обмоток трансформатора усилителя
У напряжением 6,3 В и дает стабилизированное напряжение 5 B при токе
5 мА.
Термоэлектрические преобразователи присоединяются к измерительной схеме потенциометра через многоточечный двухполюсный
переключатель П, с помощью которого осуществляется поочередное
периодическое подключение преобразователей к точкам с и f и через RCфильтры к точкам а, b, с, d компенсационной измерительной схемы,
составленной из сопротивлений Rp, Rш, RП, ГП, RН, Г Н Ra, RM, RPT, R'PT и
входов 1—3 усилителя У.
Автоматический потенциометр работает следующим образом.
Изменение сигнала термопреобразователя, т. е. его ТЭДС, вызывает
подачу этого сигнала в измерительную схему и на вход усилителя У, от
которого выходное напряжение подается на обмотку управления (клемма
3—5) исполнительного двигателя M1 типа РД-09. Обмотка возбуждения
двигателя питается от сети переменного тока напряжением 220 В через
предохранитель Пр, выключатель К1 и фазосдвигающие конденсаторы
С1 и С2 емкостью 0,5 мкФ. Ротор реверсивного двигателя вращается в ту
или другую сторону и перемещает движок реохорда до наступления
равновесия в компенсационной измерительной схеме.
Для проверки в схеме постоянства рабочего тока к зажимам 1, 2
клеммной панели внешнего подключения нормального элемента (НЭ)
необходимо подключить образцовый потенциометр I или II класса. Если
напряжение на этих зажимах выходит за пределы 1,019В±0,ЗмВ, то
следует установить рабочий ток с помощью переменного сопротивления
R'PT.
В потенциометрах КСП4 для уменьшения электрических помех в
цепи термопреобразователей на входе прибора включены многозвенные Гили Т-образные фильтры. Синхронный двигатель М2 типа СД-54 питается
от сети переменного тока напряжением 220 В через конденсаторы СЗ, С4 и
включается с помощью переключателя К2. Одноточечные потенциометры
КСП4 снабжены схемой дистанционной передачи показаний и
позиционным регулирующим устройством.
Кроме рассмотренного автоматического потенциометра типа КСП4
с широкой диаграммной лентой (длина шкалы и ширина поля записи
соответственно 280 и 250 мм) в промышленности нашли применение
малогабаритные автоматические потенциометры (с длиной шкалы и
шириной поля записи 210 и 150 мм). К ним относятся, в частности,
малогабаритные отечественные приборы типа КСП2, габаритные
размеры которых почти в 2 раза меньше, чем у потенциометров КСПЗ при
высоких метрологических характеристиках (основная погрешность по
показаниям не превышает ±0,5 %, а по записи ±1 %).
Основные сведения об источниках стабилизированного питания
(ИПС). ИПС используются в современных моделях автоматических
потенциометров вместо ранее применявшихся сухих элемен ТОВ с
ограниченным сроком годности. Применение стабилизированного
источника питания исключает необходимость в нормальном элементе и
механизме установки рабочего тока. Это значительно упрощает
кинематику механизма и повышает надежность эксплуатации прибора.
На рис. 4.17 приведена электрическая принципиальная схема
источника питания ИПС, применяемого в автоматических потенциометрах
типа КСП, КПП и др. Он состоит из трансформатора Тр; мостового
выпрямителя Д1- Д4; Г-образного фильтра (С1, С2, R1); стабилитрона
Д5 типа Д814; медного резистора R2 и сопротивлении R3, R4 и R5.
Рис. 4.17. Принципиальная электрическая схема источника
стабилнзироваинoного (ИПС)
питания
Первичная обмотка трансформатора Тр питается переменным током
частотой 50 Гц, напряжением 6,3 В. Для уменьшения помех из сети
обмотки трансформатора экранированы. Напряжение 6,3 В повышается
трансформатором, выпрямляется и стабилизируется стабилитроном Д5.
Поскольку рабочая характеристика стабилитрона зависит от температуры
окружающей среды, то для температурной компенсации его параметров
используется медный резистор R2, каркасом для которого служит корпус
стабилитрона.
Делитель, состоящий из сопротивлений R4 и R5, предназначен для
увеличения коэффициента стабилизации. Сопротивление R5 .служит для
согласования выхода ИПС с нагрузкой, сопротивление которой RH равно
1000 Ом. Выходное напряжение источника питания 5 В при нагрузке 1000
Ом. Коэффициент стабилизации по напряжению при токе нагрузки 5 мА не
менее 500, что обеспечивает стабильность рабочего тока в измерительной
схеме с допускаемой погрешностью.
Основные сведения об усилителях потенциометров. В современных автоматических потенциометрах наиболее широко используются
полупроводниковые усилители. Б автоматических потенциометрах типа
КСП применяются электронные типа УЭД или полупроводниковые
усилители типа УПД. В настоящее время распространены автоматические
потенциометры с транзисторными усилителями серии У1, У2 и УЗ,
построенными на микроэлектрон-пой базе.
Основные модели усилителей должны удовлетворять следующим
требованиям: порог чувствительности усилителей 0,1; 0,5; 1; 10 или
100мкВ; входное сопротивление усилителей 500. 15000 или 25000 Ом;
выходная мощность 1,5Вт (допускается до 10 Вт); средний уровень
шумов на выходе не более 10% от максимального сигнала. Усилители
проектируются для работы с реверсными двигателями.
Усилители серии У1 предназначены для усиления сигналов
рассогласования постоянного тока; усилители У2 и УЗ — для усиления
сигналов рассогласования переменного тока. Усилители имеют
агрегатно-блочное исполнение и состоят из следующих унифицированных
блоков: предварительного усилителя УП, оконечного усилителя УО и
трансформатора Тр. Блок УП представляет собой печатную плату с
размещенными на ней элементами электрической схемы. Усилитель УО
выполнен на двух печатных платах. Усилители У1Т, У2Т и УЗТ
изготовляются в тропическом исполнении.
Рис. 4.18. Принципиальная электрическая схема усилителя предварительного УП
На рис. 4.18 приведена принципиальная электрическая схема УП.
Отличительная особенность усилителя-—применение бесконтактного
модулятора Э1. В связи с этим отпадает необходимость в контактных
вибропреобразователях ВПМ2-02, а надежность усилителей повышается в
2 раза. Входное сопротивление усилителей увеличено с 500 до 1000 Ом.
Электрические схемы усилителей выполнены с применением микросхем
и кремниевых транзисторов и состоят из унифицированных блоков, что
обеспечивает простое получение различных моделей и модификаций
усилителей. Конструкция — блочно модульного принципа.
В табл. 4.8 приведены
модификации усилителей У1,
применяющихся в потенциометрах постоянного тока.
ТАБЛИЦА 4.8
Модификация
усилителя
У1 – 01
У1 – 017
У1 – 02
У1 – 02Т
У1 – 03
У1 – 03Г
Коэффициент
передачи на
напряжения, не
менее
Смещение нуля,
мкВ, не более
Входное
сопротивление,
Ом, не менее
Выходное
напряжение при
перегрузке, мВ,
не более
2,2 ·105
5
108
6,8
1,0 ·103
1000
106
1000
Основные источники погрешностей электронных потенциометров.
Погрешность электронных потенциометров, складывающаяся
из
погрешности измерения и записи, подразделяются на два вида —
основную и дополнительную. Основная погрешность имеет место при
нормальных
условиях
работы
потенциометра.
Дополнительные
погрешности возникают под влиянием внешних факторов при
отклонении условий работы прибора от нормальных. Источниками
дополнительных погрешностей, например, являются:
отклонение температуры окружающей среды от нормальной, что
приводит к изменению параметров электрической цепи прибора и
механических подвижных частей;
отклонение потенциометра от его рабочего положения в каком-либо
направлении;
влияние внешнего электрического или магнитного поля, нарушающего работу измерительной схемы, следящего устройства и т. п.;
изменение частоты питающей сети.
Нормируемые метрологические характеристики погрешностей
измерений и записи автоматических потенциометров определяются
ГОСТ 7164—78 и ГОСТ 8,009—84.
Погрешность измерений ∆ потенциометров разделяется на си
стематическую ∆с и случайную погрешности.
Погрешности ∆ автоматических потенциометров характеризуются:
пределом ∆д допускаемого значения погрешности автоматического
потенциометра,
математическим
ожиданием
М[∆]
и
средним
квадратическим отклонением
[∆] погрешности автоматического
потенциометра.
Оценка основной погрешности ∆ для автоматических потенциометров на практике выбирается в виде предела ∆д допускаемо го
значения погрешности или среднего квадратического отклонения [Д]
погрешности автоматического прибора.
Основная погрешность (в %) автоматических потенциометров с
температурной компенсацией свободных концов термопреобразователя
определяется по формуле
∆Д = (Е – е – Е0) · 100/ (ЕК - ЕН),
(4.22)
где Е—значение ТЭДС термопреобразователя, соответствующее
данной числовой отметке, мВ; Е0 — отсчет по образцовому потенциометру,
мВ; ЕК, ЕН — значения ТЭДС, соответствующие концу и началу шкалы, мВ;
е — значение ТЭДС термопреобразователя, соответствующее температуре
его свободных концов, мВ, Источники основной погрешности
потенциометров: погрешность измерительных схем, в том числе:
погрешность
вследствие
неравномерности
намотки
реохордов,
неодинаковых диаметра и сопротивления по всей длине проволоки; эта
погрешность достигает в ряде случаев 0,13—0,15% сопротивления
реохордного устройства; погрешность, вызываемая нестабильностью
элементов измерительной схемы (реохорда, катушек, сопротивлений и т.
п.); погрешность, обусловленная неточной установкой рабочего тока в
измерительной схеме; погрешность из-за вибрации деталей и элементов,
особенно в цепях входных трансформаторов и других узлах;
погрешность отсчета и записи показаний, в том числе, погрешность
изготовления шкал, установки шкалы, погрешность отклонения стрелки
потенциометра от необходимой формы и т. д.; погрешность записи,
обусловленная несовпадением отметок шкалы с соответствующими
делениями сетки диаграммной лампы; изменением размеров бумаги при
изменении влажности окружающего воздуха; неточностью механизма
перемещения бумаги; запаздыванием записывающего устройства,
вызываемым инерцией следящей системы потенциометра.
§ 5.5. Компенсанционный метод измерения сопротивления
термопреобразователей
Компенсационный метод широко распространен для определения
градуировочной характеристики и при точных измерениях в лабораторной
практике.
Схема измерения компенсационным методом приведена на рис. 5.14.
В соответствии со схемой, термопреобразователь сопротивления RT
включен последовательно с образцовым сопротивлением R N В цепь
источника постоянного тока. В качестве сопротивления RN обычно
применяется
образцовая
катушка
сопротивления класса 0,01. В
некоторых случаях, например, при измерении
сопротивления
полупроводниковых
термопреобразователей, сопротивление
которых
изменяется в зависимости от температуры в очень широких пределах (в
несколько раз и более), в качестве образцового сопротивления Ry
применяется магазин сопротивления.
Измерительный ток в схеме устанавливается с
помощью
регулировочного
сопротивления
RI ,
а
контролируется с помощью потенциометра по значению
падения напряжения UN на образцовом сопротивлении RN.
Необходимое
значение
измерительного
тока
выбирается таким, чтобы он не вызывал заметного нагрева
чувствительного элемента термопреобразователя соК потенциометру
противления.
Рис. 5.14. Схема измерения
Потенциальные
проводники
от cопротивления
компенсационным
методом
термопреобразователя сопротивления и образцовой
катушки сопротивления подсоединяются к переключателю, с помощью
которого потенциометр может быть подключен поочередно для измерения
падения напряжения на образцовой катушке сопротивления R N и на
чувствительном элементе термопреобразователя сопротивления UT.
Если ток в цепи обозначить через I, то UN = IRN, а Uт = IRT. Отсюда
формула для определения значения RT имеет вид
RT
UT
UN
RN
(5.3)
Измерительный ток, проходящий через термопреобразователь, равен
0,1—2 мА, а UT, и UN не превышают нескольких десятков милливольт.
Поэтому для измерения значений UT и UN применяют потенциометры
класса 0,005—0,02, например, Р-363.
Погрешность измерения сопротивления термопреобразователя
зависит от погрешности применяемых средств и условий измерения. Так,
при особо точных измерениях, например, при измерениях в процессе
изготовления шунтов к измерительным приборам, образцовых катушек
сопротивлений и т. д. образцовую катушку
сопротивления
термостатируют, помещая в масляный термостат, а температуру в
помещении, где проводят измерение, поддерживают в пределах
(20±0,5)°С.
§ 5.6. Измерение сопротивления термопреобразователей
мостовым методом
Простейшая схема уравновешенного моста приведена на рис.
5.15,а. Термометр сопротивления и расположенные последовательно с
ним сопротивлеиия RЛ соединительных линий включаются в плечо СВ
мостовой схемы. В диагональ ДВ моста подается напряжение от
источника питания.
Изменением сопротивления RЗ добиваются равенства напряжения в
точках А и С, что фиксируется отсутствием тока в диагонали АС с
помощью гальванометра Г.
Рис. 5.15. Схемы измерения сопротивления мостовым методом
Такое положение соответствует равенству отношений падения
напряжения на плечах обеих ветвей моста, т. е.
U ДА
U ДС
U АВ
U СВ
(5.4)
или R 1 /R 3 = R 2 /(R T + 2R Л ),
откуда RТ = R2/R1· R3 - 2RЛ.
Сопротивления R1 и R2 постоянны и выполнены из манганина. В
качестве сопротивления R3 применяют магазин сопротивлений. На
практике сопротивления соединительных линий (проводов) делают либо
очень малыми по сравнению с RГ (в сотни раз), либо с помощью
подгоночной катушки устанавливаются постоянными и вычитаются из
результата измерений в соответствии с формулой (5.4).
Схема, представленная на рис. 5.15,а, характеризуется достаточно
высокой точностью измерений, практически не зависящей от напряжения
источника питания моста.
Схема уравновешенного моста применяется для измерения сопротивлений в очень широком диапазоне от 0,5 до 10 7 Ом. При измерении
сопротивлений малых значений — от единицы ома и менее — особенно
существенной оказывается погрешность, обусловленная контактным
сопротивлением движка (RД) переменного сопротивления R3 (или щеток и
ламелей переключателей магазина сопротивлений). Кроме того, на
результат измерения влияет изменение сопротивления соединительных
проводов RЛ.
Чтобы устранить влияние контактного сопротивления R3 и сопротивлений соединительных проводов RЛ, применяется схема с
трехпроводным включением термопреобразователя сопротивления (рис.
5.15,б).
В трехпроводной схеме одна из точек подключения источника питания
(например, точка В) перенесена непосредственно к термопреобразователю
сопротивления. Влияние контактного сопротивления RД устраняется тем,
что оно включает в диагональ моста СА, сопротивление которой в момент
отсчета (когда ток в диагонали равен нулю) практически не имеет
значения.
Равновесие указанного моста обеспечивается при выполнении
условия
R1
r3'
r3"
RЛ
R2
RТ
RЛ
,
откуда
RT
’
”
R2
R1
r3"
r3'
R2
R1
r3"
1 RЛ ,
(5.5)
где r3 , r3 - части сопротивления R3 в момент равновесия моста, Ом.
Очевидно, что если R2 /(R1 + r"3) = 1, то сопротивление RT не зависит
от RЛ. Такое положение, строго говоря, будет соответствовать лишь
одному положению движка сопротивления R3, так как сопротивление r"3
переменно. При другом положении движка изменения сопротивления линии
RЛ будут вносить погрешность в результат измерения сопротивления
термопреобразователя RT, однако эта погрешность в схеме с
трехпроводным включением RT будет значительно меньше. Например,
если значения сопротивлений R1 и R2 будут в несколько раз больше
сопротивления г"%, то влияние изменения сопротивления линии RЛ будет
в десять и более раз меньше, чем в двухпроводной схеме.
Недостаток схемы уравновешенного моста — необходимость
выполнения операций по уравновешиванию при каждом измерении —
устраняется в схемах неуравновешенных мостов (рис. 5.15, в).
Эта схема отличается от схемы, приведенной на рис. 5.15,6, тем,
что в диагональ моста СА вместо нуль-индикатора Г включается
миллиамперметр МА, а сопротивление R3 — постоянно. Напряжение
питания моста в диагонали БД (UBD) должно при этом поддерживаться
постоянным.
Контроль напряжения UBD осуществляется с помощью контрольного
сопротивления RK при установке переключателя П в положение 2, а
значение UBD регулируется сопротивлением RP.
При установленном постоянном значении напряжения £/BD И
постоянных значениях сопротивлений R1, R2, R3 и RK ток в диагонали СА
будет иметь определенное значение IД.
Измерение сопротивления термопреобразователя производят при
установлении переключателя П в положение 1. В этом случае значение тока
в
диагонали
СА
(Iп)
зависит
от
значения
сопротивления
термопреобразователя RT следующим образом:
IД
U BD
R1 R3
R 2 RT
D
,
где D = RВН(R2 + RT) · (R1 + R3) + R1R3(R2 + RT) + R2RT(R1 + R3), Ом2;
RВН -внутреннее сопротивление милливольтметра, Ом.
(5.6)
Достоинства схемы уравновешенного моста — высокая точность,
устранение влияния сопротивления RД, под соединительных проводов RЛ, и
другие - используются в автоматических мостах, широко применяющихся
в различных отраслях промышленности для записи и регистрации
температуры в комплекте с термопреобразователями сопротивления.
Мостовая уравновешенная измерительная трехпроводная схема
автоматических мостов типа КСМ1, КСМ2 и КСМ.4 приведена на рис.
5.16.
Для равновесного и равноплечего моста при среднем значении
измеряемой температуры и расположения движка
реохорда в середине шкалы изменение сопротивления присоединительных проводов RЛ не
выводит схему из состояния равновесия, и трехпроводная
линия
обеспечивает
устранение
температурной погрешности.
Для исключения соединительных проводов
движок выполнен двухконтактным: один контакт
перемещается по спирали реохорда, а другой - по
голой медной проволоке. Сопротивление Rp
Рис. 5.16. Схема мостовая уравновешенная
измерительная мостов автоматических типов
КСМ1, КСМ2 и КСМ4
является сопротивлением спирали реохорда, RШ — шунт для его подгонки.
Сопротивления RП и подгоночное сопротивление, намотанное в виде
спирали rП, определяют пределы измерения прибора. Сопротивления Rн и rн
определяют начало шкалы. Сопротивления R1, R2 и R3 — это плечи моста.
Сопротивление Rб включено в цепь питания и служит для ограничения тока в плечах измерительной схемы с целью обеспечения
минимального
нагрева
термопреобразователя
сопротивления
измерительным телом. Сопротивления RЛ предназначены для подгонки
сопротивления соединительных проводов линии к некоторому
определенному значению. В указанных выше автоматических мостах
сопротивление соединительных проводов и катушек равно 5 Ом,
сопротивление одной линии —2,5 Ом.
Так как сопротивление термопреобразователя RT меняется с изменением
температуры, то для равновесия моста необходимо изменять
сопротивления в плечах моста. Это достигается применением
специального калиброванного сопротивления RP (реохорда), движок
которого служит вершиной измерительной диагонали моста. По
положению движка на реохорде судят о значении измеряемой
температуры.
Рис. 5.17. Принципиальная электрическая схема автоматического многоканального
уравновешенного моста типа КСМ4
Градуировка схем автоматических уравновешенных мостов
осуществляется с помощью сопротивления RД, определяющего начало
шкалы, и сопротивления RП, определяющего верхнее предельное значение
шкалы.
Автоматические уравновешенные мосты модели КСМ4 (рис. 5.17)
выпускаются в одно- и многоканальном исполнении и рассчитаны на
измерение, запись и регулирование с помощью термопреобразователей
сопротивления, изготовляемых по ГОСТ 6651—78.
Для измерения температуры термопреобразователями сопротивления
RT (всего до двенадцати) в приборе используется трехпроводная схема
уравновешенного моста, составленная из сопротивлений RР, RШ, rД, RД, Rб,
R1, R2, R3 и входов R'1 и R'2 усилителя У. В одну диагональ моста включен
источник питания измерительной схемы переменным током частотой 50
Гц и напряжением 6,3 В от обмотки силового трансформатора
электронного усилителя, а в другую диагональ моста — усилитель У. При
изменении
измеряемой
температуры
изменяется
электрическое
сопротивление термопреобразователей сопротивления R1Т — R12Т, что
нарушает равновесие измерительной схемы моста. На вход усилителя У
подается сигнал рассогласования, от которого выходное напряжение
поступает на обмотку управления (клеммы 3, 5) исполнительного
двигателя M1. Обмотка возбуждения двигателя питается от сети
напряжением 220 В через предохранитель Пр, выключатель К1 и
фазосдвитающие конденсаторы CI и С2. Ротор реверсивного двигателя
вращается в ту или иную сторону и перемещает движок реохорда RР до
наступления равновесия в мостовой измерительной схеме.
Классификация и типы выпускаемых автоматических мостов.
В зависимости от формы представления информации автоматическим
мостам присвоены следующие шифры: КСМ — с записью на ленточной
диаграмме; КПМ — показывающие с плоской шкалой; КВМ —
показывающие с вращающейся шкалой; КСУ, КПУ и КВУ — приборы
для
измерения
унифицированных
сигналов
измерительных
преобразователей государственной системы приборов (ГСП): КСД, КПД,
КВД—приборы с дифференциально-трансформаторной измерительной
схемой.
В приборах всех типов предусмотрены устройства, предназначенные
для регулирования технологических процессов.
В зависимости от габаритных размеров приборы разделяют на
следующие группы:
миниатюрные типов KCMI, КСД1, КСУ1 — ширина поля записи и
длины шкалы 100 мм, габаритные размеры 160×200×500мм;
малогабаритные типов КСМ2, КСД2, KCU.2 — ширина поля записи
и длина шкалы 160 мм, габаритные размеры 240×320×492 мм;
нормалыюгабариткые типов К.СМ4, КСУ4 — ширина поля записи и
длина шкалы 250 мм, габаритные размеры 400×400×367 мм;
показывающие приборы с вращающейся шкалой типов КВМ1, КВД1,
KBУ1—длина шкалы 500 мм, габаритные размеры 160×200×470 мм;
показывающие приборы с плоской шкалой типов КПМ1, КПД1,
КГЩ1 — длина шкалы 195 мм, габаритные размеры 160×200×520 мм;
приборы с дисковой диафрагмой типов КСМЗ, КСДЗ, КСУЗ — длина
шкалы 600 мм, габаритные размеры 320×320×400 мм.
Разграничение назначения приборов позволило создать приборы
различных классов точности в соответствии с длиной шкалы: миниатюрные
класса 1; малогабаритные класса 0,5; нормально-габаритные класса 0,25.
Время пробега кареткой (указателем) всей шкалы составляет 1;
2,5; 10с.
Конструктивное исполнение приборов базируется на блочномодульном принципе. Блоки расположены на выдвижных и поворотных
кронштейнах, что обеспечивает доступ к блокам, повышает их
ремонтоспособность. Электрические блоки соединены между собой с
помощью штепсельных разъемов.
Тип градуировки и пределы измерений автоматических мостов
приведены в табл. 5.9, основные технические характеристики — в табл.
5.10.
ТАБЛИЦА 5.9
Автоматические цифровые мосты. Цифровая форма представления
результатов измерения непосредственно в виде числа в десятичной
системе счисления или в виде цифрового кода позволяет практически
полностью устранить ограничения, накладываемые на точность
приборов
размерами
их
отсчетных
устройств, повышает
помехоустойчивость приборов и позволяет автоматизировать процесс
измерения и регистрации данных, в том числе, автоматический выбор
пределов измерения.
ТАБЛИЦА 5.10
Измерительная схема цифровых автоматических мостов приведена на рис.
5.18. Это четырехплечий мост, в одно из плеч которого,
например, в первое включен термопреобразователь
сопротивления RТ. Второе и третье плечо являются
плечами отношения и служат для автоматического
выбора диапазона измерения сопротивления. Сопротивления
указанных
плечей моста изменяются с
помощью
комбинации
включения
составляющих
сопротивлений -соответственно R21, R22, ..., R2m и R31, R32, ...,
5.18. Измерительная
R3n, которая
осуществляется автоматически
с Рис.
схема цифровых
помощью
управляющего устройства УУ. Мост автоматических мостов
приводится
в
равновесное
состояние
путем
регулирования
сопротивления четвертого плеча, состоящего из
магазина проводимостей G 1 . . . G n , соотношение между которыми
точно соответствует числам цифрового кода. Проводимости для
уравновешивания моста также выбираются автоматически с помощью
устройства управления УУ.
Технические характеристики мостов, регламентируемые ГОСТ 25242-82,
приведены в табл. 5.11.
§ 5.7. Измерение сопротивления термопреобразователей
логометрическим методом
Измерение сопротивления термопреобразователя может осуществляться с помощью логометров, построенных на принципе взаимодействия магнитных полей токов в цепях термопреобразователя
сопротивления RT и постоянного сопротивления R (рис.5.19). Основной
элемент логометра — подвижная система, состоящая из двух жестко
скрепленных скрещенных рамок 1 и 2, выполненных из тонкого медного
изолированного провода. Рамки имеют одну общую ось вращения и
находятся в зазоре постоянного магнита 3. Ток от
источника питания при замкнутой цепи разветвляется в точке
А на две параллельных ветви I 1 и I2. В одну ветвь включена
рамка 1 и термопреобразователь сопротивления RT, в другую рамка 2 и постоянное сопротивление R. В электрическую цепь
рамки включены таким образом, что токи I1, и I2 текут навстречу друг другу и создают в рамках противоположные
моменты вращения. В случае равенства токов I1, и I2 моменты,
создаваемые в рамках при взаимодействии с полем
постоянного магнита, равны, и рамки расположены
симметрично относительно магнита.
Рис. 5.19. Схема логометра
При изменении сопротивления термопреобразователя RT под
воздействием, например, повышения температуры, отношение токов I1, и
I2 изменяется, так как ток I1 уменьшается с увеличением RT,
соответственно изменяются и моменты М1 И М2, создаваемые в рамках,
что вызывает поворот всей подвижной системы. Воздушный зазор между
полюсами магнита N и S и сердечником 4 сделан неравномерным, и
магнитная индукция в зазоре непостоянна.
Поэтому при повороте всей подвижной системы с жестко
скрепленными рамками одна из рамок, например 1, попадает в более
сильное магнитное поле, а рамка 2 — в более слабое. В этих условиях
моменты вращения рамок М1 и М2 вновь уравновесятся, а по шкале
заранее проградуированного прибора можно отсчитать Температуру
термопреобразователя.
Напряжение источника питания в логометре теоретически не влияет
на угол поворота рамок, который определяется только отношением токов
I1, и I2. Практически изменение напряжения вызывают ощутимую
погрешность лишь при отклонении напряжения источника питания ИП на
значение, превышающее ±20 % от номинального.
Таблица 5.12
Примечание. Градуировка логометров по ГОСТ 6651-78.
Типы и технические характеристики логометров регламентируются
ГОСТ 9736—80 (см. табл. 5.12).
Глава 8
ПОВЕРКА И ГРАДУИРОВКА ТЕРМОМЕТРОВ
§ 8.1. Методы градуировки и поверки
Классификация методов градуировки и поверки устанавливается ГОСТ 8.002 – 71,
в котором рекомендуются следующие методы: непосредственного сличения, сличения при
помощи компаратора прямых и косвенных измерений. Технические характеристики я
конструкции новых термометров и термометров, находящийся в эксплуатации, должны
удовлетворять требованиям соответствующих НТД (стандартов, технических
условий).
Метрологические характеристики термометров определяют требования к
правильности и точности их показаний при нормальных условиях работы и
отклонениях от них. Стабильность метрологических характеристик термометров
обеспечивается проведением государственных испытаний, государственной и
ведомственной поверок.
При государственных испытаниях устанавливают соответствие приборов
всем требованиям стандартов или других нормативных документов. При
государственной и ведомственной поверке определяют соответствие термометров
некоторым, предусмотренным стандартом,требованиям.
Градуировке подвергаются образцовые термометры я термометры с
индивидуальными градуировочными характеристиками. Градуировку и поверку можно
осуществлять путем сравнения с образцовыми термометрами или по реперным точкам.
При этом необходимо следить за тем, чтобы были исключены погрешности измерения в
результате подвода и отвода тепла. Для этого термометры нужно погружать на
достаточную глубину в среду, температура которой измеряется. Очень важно соблюдать
время выдержки термометра в среде до достижения установившегося значения
температуры, что существенно зависит от конструкции и размеров термометра.
В процессе градуировки и поверки следует по возможности предотвращать или
корректировать погрешности измерения, которые могут возникать у различных
термометров.
Методы градуировки и проверки зависят от разряда средства измерения, т. е.
от точностных характеристик. Поверочные схемы, устанавливающие средства, методы и
точность передачи размера единицы температуры от эталона рабочим средства;.:
измерении, охватывают различные температурные диапазоны. Для каждого разряда
средств измерения температуры и соответствующего диапазона НТД на методы и
средства поверки устанавливают средства поверки, т. е, аппаратуру для
воспроизведения температурной шкалы, установки, измерительные приборы,
образцовые и эталонные средства, необходимый инструмент, материалы и ве щества.
§ 8.2. Аппаратура для воспроизведения температурной шкалы
Всю аппаратуру, используемую для поверки и градуировки термометров,
можно разделить на две группы: аппаратура для установления любого значения
температуры с высокой стабильностью; аппаратура для получения фазовых состояний
химически чистых веществ.
Аппаратуру первой группы — жидкостные термостаты, трубчатые печи —
используют при поверке и градуировке термометров методами сличения с образцовыми
термометрами; второй—устройства для воспроизведения тройных точек (равновесие
трех фаз вещества — твердой, жидкой, газообразной), точек кипения (равновесие
между жидкой и газообразной фазой), точек плавления или затвердевания (твердой
и жидкой фазами) - для градуировки средств измерения температуры по
первичным реперам.
Жидкостные термостаты. В температурном диапазоне от —170 до +600 °С
применяются,
как
правило,
жидкостные
термостаты с
принудительным
перемешиванием жидкости. В качестве рабочих в термостатах используются
жидкости, приведенные в табл. 8.1, для различных температурных интервалов.
Таблица 8. 1
Термостат
Жидкостные
Водяной
Масляный
Солевые
Оловянный
Рабочая жидкость
Пентан
Метанол
Этиловый спирт
Водный раствор
антифриза
Дистиллированная вода
Масло индустриальное
50
Масло цилиндровое 52
Масло веретенное АУ
Кремний-органическое
Смесь азотнокислого
калия
и азотнокислого
натрия
(45% +55%)
Смесь хлористого
калия и
хлористого пзтрня (75
%+
+ 20%)
Олово расплавленное
Температурный интервал, "С
От —170
до
» —100 »
» —80 >
» —10 »
0
0
0
0
»
»
0,5
95
» 99
» 200
»
.
.
»
100 » 300
95 » 150
20 1 250
180 » 550
»
500 » 630
»
360
» 650
Вязкость используемых жидкостей играет очень важную роль, так как равномерность
температурного поля в термостате определяет точность измерений. Вода обладает достаточно
малой вязкостью и легко перемешивается. Вязкость масел зависит от температуры и
существенно уменьшается при ее повышении. Масло индустриальное 50 целесообразно
применять при более низких температурах (от 90°С и выше), так как его вязкость меньше,
чем у масла цилиндрового 52. Однако необходимо учитывать, что при длительной
эксплуатации масел в них появляются смолы и вязкость возрастает. Для этого их необходимо
периодически менять.
Схема простейшего жидкостного термостата показана на рис. 8.1 [l]. В
термостате
Рис. 8.1. Схема жидкостного термостата
имеется рабочая камера (цилиндрический сосуд 1 ) , заполненная жидкостью и
находящаяся в металлическом защитном кожухе 2. Пространство между рабочей
камерой и защитным кожухом заполнено теплоизоляцией 3. Вал электродви-гателя
8 соединен с насосом 5 и мешалкой 4, расположенной s цилиндре с отверстиями в
верхней части для циркуляции жидкости. Электродвигатель жестко закреплен в
крышке / / , с отверстиями для погружения поверяемых и образцовых термометров 10.
Насос термостата используется для поддержания постоянной температуры во внешнем
аппарате либо для ее охлаждения. В этом случае штуцеры 7 подсоединяются к
змеевику, находящемуся в хладоагенте, или к аппарату, в который подается рабочая
жидкость. При отсутствии необходимости использования насоса штуцеры соединяются
трубкой 6. В термостате имеются один или два (в зависимости от конструкции)
нагревателя 12, 14. Электроконтактный термометр 9 включен в схему автоматического
регулирования и поддержания температуры в термостате. Блок автоматического
регулирования крепится к защитному кожуху или встраивается в термостат. В прецизионных термостатах вместо электроконтактных термометров используются
термометры сопротивления, преобразовзтель которых встраивается в рабочую камеру.
Змеевик 13 используется для охлаждения рабочей жидкости. Уровень жидкости в
термостате должен быть на минимальном расстоянии от крышки. Жидкость из
термостата сливается через трубку 15.
Жидкостные криостаты применяются для работы в диапазоне от -— 170 до
0°С. Температура в рабочей камере регулируется за счет изменения скорости
пропускания хладоагента по змееваку. В качестве хладоагента чаще всего
используется жидкий азот. Интенсивность потока можно регулировать, изменяя
давление в металлическом вакуумном сосуде, как показано на рис. 8.2. В прецизионных
термостатах, рабочие камеры которых заполняются водным раствором антифриза,
рабочая жидкость охлаждается холодильным агрегатом до —10 °С.
Водяной термостат используют для получения температур в диапазоне от 5 до
99°С. Рабочая камера термостата заполняется дистиллированной водой. Степень
дистилляции можно контролировать по ее электропроводности. На практике
применяются во-дяные термостаты типа ТС-24 (см. рис. 8.1) и прецизионные термостаты ТВ-4 и ТВП-6.
В отличие от описанной схемы жидкостного термостата в этих устройствах
рабочая жидкость циркулирует между рабочей и подготовительной камерами (в
термостате типа ТВ-4 имеется две подготовительные камеры:
нагревательная и
холодильная). Градиент температур в термостате ТВП-6 по вертикали
Рис. 8.2. Схема жидкостного крностата
и горизонтали рабочего пространства составляет 4-10-2 К/м, а среднее квадратическое
отклонение случайной составляющей погрешности поддержания температуры 5-10 -3 и
1-10 -2 К, при температурах от 20 до 50 °С и от 20 до —10°С соответственно.
Водяной прецизионный термостат ТВП-6-—это замкнутая двухкамерная система,
заполненная рабочей жидкостью (теплоносителем) и состоящая из рабочей и
подготовительной камер, трубопроводов и крана для слива рабочей жидкости.
Теплоноситель, температура которого доведена до заданного значения в подготовительной камере, перемешивается мешалкой и подается по трубопроводу в рабочую
камеру. Объем рабочей камеры больше, чем подготовительной, что улучшает
регулирование температуры и обеспечивает небольшой градиент по всему рабочему
пространству рабочей камеры.
Масляные термостаты применяются для диапазона температур 95—300°С.
Используют нефтяные масла (индустриальное 50 с температурой вспышки 230°С и
цилиндровое 52 с температурой вспышки 320°С). Широко применяются также
кремнийорганические (селиконовые) масла, которые имеют меньшую вязкость и
повышенную стойкость к работе на предельной температуре (без образования смол).
При заполнении термостата маслом обязательна предварительная выдержка его
при температуре 100°С.
Это необходимо для полного удаления из масла воды, имеющейся в нем. При
работе термостата необходимо применять вытяжное устройство. На практике
широко распространен термостат типа ТМ-3, конструктивно выполненный в виде
блока, включающего вытяжной шкаф, термостатирующее устройство, заполняемое
маслом, пульт управления. Градиент температур по вертикали рабочего пространства
4-10~г К/мин. В термостате одновременно можно поверять до шести термометров.
Соляные термостаты заполняются расплавленными солями и используются для
получения температурного диапазона от 180 до 630°C. Сухую смесь солей засыпают
до верхнего края термостата
Рис. 8.3 Схема криостата сравнения
и включают нагреватель. Когда смесь расплавится, ее начинают периодически перемешивать, включая двигатель мешалки. Сухую смесь добавляют по мере ее плавления до
полного заполнения рабочей камеры. Солевой термостат следует устанавливать в вы-
тяжном шкафу, как и масляный, так как при высоких температурах в случае повреждения ртутных термометров возникает опасность появления в воздухе большой концентрации паров ртути.
При работе с солевыми расплавами следует соблюдать осторожность, так как образующиеся брызги могут причинить сильные ожоги.
Оловянный термостат применяется для диапазона температур от 300 до 600°С.
Заполняются термостаты оловом марки Градиент температуры в рабочей камере 0,2—
0,5 К/м, что соответствует термостату типа ТО-3.
Криостаты сравнения служат для передачи размера единицы температуры и
практических температурных шкал в диапазоне температуры ниже —170°С. Принцип
работы этих устройств существенно отличается от жидкостных криостатов, описанных
выше.
Схема криостата приведена на рис. 8.3. Градуируемые термометры 3
помещены в сверлении массивного медного блока сравнения 4, окруженного
противорадиационной ширмой 7 и подвешенного в вакуумной рубашке 5.
Температурный режим устанавливается автоматическим регулятором типа ВРТ-2
или ВРТ-3. Входным сигналом регулятора является разность опорной ЭДС и ЭДС
термопреобразователя 6, установленного на ширме. Выходной сигнал подается на
нагреватель ширмы. При таком методе регулирования и стабилизации
температуры температура блока сравнения за время измерения в каждой точке
(не менее 30 мин) изменяется в пределах +0,001 К. а градиент температуры по
блоку не превышает 0,001 К.
В качестве рабочей жидкости в наружном сосуде Дьюара 9 используют
жидкий азот. Внутренний сосуд Дьюара 2 заполняется газообразным гелием из
газгольдера. Через 3 ч после выдерж ки в сосуд 2 заливают жидкий гелий.
Рис. 8.4. Устройство трубчатой печи
Через 30 мин после заливки понижают давление паров гелия и стабилизируют его
регулятором откачки 10.
Вакуум в рубашке криостата 5 контролируется вакуумметром 11. В каждой
точке температуру устанавливают с помощью автоматического регулятора и
выдерживают не менее 30 мин для стабилизации и выравнивания температуры по
блоку сравнения. При измерениях необходимо, чтобы уровень жидкости в сосуде 2
был выше, чем в ловушке излучения 1.
Трубчатые печи. Термоэлектрические преобразователи при температурах до
1200°С и выше поверяются в электрических трубчатых печах с хорошей
теплоизоляцией. Печь (рис. 8.4) состоит из фарфоровой трубы 6, вокруг которой
расположен нагревательный элемент 3. Печи изготовляют с толстым слоем
теплоизоляции 5, закрытой защитным металлическим чехлом 7. Торцевые отверстия
печи закрывают теплоизоляционными пробками с тем, чтобы исключить появление
погрешностей измерения в результате воздушных потоков внутри трубы. Для
обеспечения максимально равномерного распределения температуры по всей длине
печи нагревательную обмотку выполняют вблизи концов трубы более плотной. При
поверке внутрь фарфоровой трубы вставляют металлический блок 4 с несколькими
отверстиями, расположенными параллельно
продольной оси
для размещения
термоэлектрических преобразователей 1, 2 или термометров. Эти блоки делают из
алюминия или меди для применения при температурах до 500 СС, из алюминиевой
бронзы — при температурах до 750Х и из чистого никеля и жаростойкой стали — при
температурах 800 °С и выше. Для изготовления электропечей, работающих при температурах выше 1300 °С, применяют керамику из окиси алюминия, окиси бериллия и
окиси магния. При поверке термопар из благородных металлов их следует сначала
вводить в защитные керамические чехлы, а затем закладывать в металлические
блоки.
Для получения температур до 2500 °С применяются электропечи с
графитовыми нагревателями, выполняемыми в виде трубки
4
6
Рис. 8.5. Электропечь с графитовым нагревателем
с небольшим сопротивлением и рассчитанными на низкое напряжение и большие токи
(при U = 5—15 В, I = 500—5000 А). Чтобы исключить химическое воздействие углерода
и его содержаний в таких печах предусматривается соответствующая защита чувствительных элементов преобразователей. На рис. 8.5 показано устройство электропечи с
графитовым нагревателем 3. Рабочее пространство трубы 1, изготовленной из окиси
алюминия, защищено от углерода и его соединений танталовым экраном 2.
Графитовый нагреватель окружен слоем теплоизоляции 4. Ток к нагревателю
поступает через металлические токоподводы 6. Особенность печей — наличие
водоохлаждаемоѐ наружной оболочки 5.
Постоянство температуры в печах любого типа поддерживается с помощью
непрерывно действующего автоматического регулирующего устройства. Можно
использовать простое устройство для регулирования температуры, если сначала
отрегулировать в печи требуемую температуру, а затем отключить систему регулирования и так установить ток нагрева, чтобы температура оставалась во время
измерений постоянной.
Сосуд тройной точки воды (рис. 8.6) представляет собой стеклянный
герметичный сосуд, заполненный водой высокой чистоты с изотопным составом,
близким к изотопному составу океанской воды, в котором воспроизводится
равновесие трех фаз воды— твердой, жидкой и газообразной. Сосуд состоит из
баллона 3, в верхнюю часть которого встроена стеклянная трубка 4 для размещения
поверяемых термометров. Из стеклянного баллона 3, заполненного совершенно чистой
водой 2, откачивают газы, находящиеся над водой и в воде, после чего его нижняя
часть запаивается. В верхней части баллона, не заполненной водой, образуется
водяной пар / под давлением в 614 Па при 0°С. На трубку, которую заполняют
твердой углекислотой, намораживают слой льда 5. Затем сухую углекислоту из
стеклянной трубки удаляют и наливают туда воду комнатной температуры для
того, чтобы между стенкой трубки и льдом образовался тонкий слой воды 6. После
этого сосуд помещают в ледяную ванну, где поддерживается температура таяния
льда (нулевой термостат). Температура тройной точки воды 273,16 К
-
Рис. 8.6. Сосуд тройной
точки воды
мостат
Рис. 8.7. Нулевой тер-
Рис. 8.8. Водяной
кипятильник
может
поддерживаться достаточно долго — от нескольких часов до
нескольких суток при правильном поддержании температуры точки таяния льда в
нулевом термостате. Сосуды могут изготовляться различных размеров
(диаметр, высота).
Для получения точки таяния льда 273,15 К (0 °С) используют нулевой
термостат (рис. 8.7). Рабочая камера термостата обычно представляет собой сосуд
Дьюара 1 с двойными стеклянными отражающими стенками, пространство между
которыми вакуумировано. В нулевых термостатах некоторых типов рабочую камеру
изготовляют из металла, например, в термостате ТН-12. Рабочая камера помещается в
металлический кожух, а пространство между ней и кожухом заполняется
теплоизоляцией. Внизу рабочей камеры имеется кран для слива талой воды,
образовавшейся в рабочем пространстве. При подготовке термостата к работе необходимо заполнить рабочую камеру мелко дробленным льдом или снегом, полученным в
льдогенераторе. Лед изготовляется из дистиллированной воды, так как примеси солей
будут влиять на тепловой режим.
Рабочую камеру, тщательно очищенную и обезжиренную, заполняют льдом 3 и
добавляют столько чистой воды, чтобы ее уровень 2 был на 10—20 мм ниже
поверхности льда. При недостаточном количестве воды более легкий лед всплывает
на поверхность воды, что может исказить измеряемую температуру. В процессе
эксплуатации целесообразно отжимать лед вниз в сосуде, добавлять лед, а излишнюю
воду удалять.
Водяной кипятильник—паровой термостат. Для поверки термометров по
точке кипения воды используют кипятильники (рис. 8.8). Термостат состоит из рабочей
камеры — цилиндрического резервуара 6, защищенного слоем теплоизоляции 7. Внутри
рабочей камеры имеется циркуляционный металлический цилиндр 5. Нижняя часть
(дно) циркуляционного цилиндра выполнено в виде сетки или имеет большое
количество отверстий. Нижняя часть циркуляционного цилиндра соединена с
устройством 2 охлаждения паров, сообщающимся с атмосферой. Вода,
сконцентрировавшаяся в холодильнике из пэров, стекает в нижнюю часть рабочей
камеры, а уровень ее внутри камеры определяют по водомерному стеклу 4. Избыточное
давление водяного пара измеряет дифференциальный водяной манометр 8. В крышке
9 имеется ряд отверстий для установки термометров /. На практике в составе поверочных установок широко применяется паровой термостат типа ТП-5. В паровых
термостатах, в которых рабочая камера сообщается с атмосферой, температура
кипения существенно зависит от атмосферного давления. Температура кипения воды
только при нормальном атмосферном давлении 101325 Па равна 373,15 К (100°С).
Поэтому в процессе поверки необходимо контролировать атмосферное давление и
по таблицам, приведенным в стандартах, определять точное значение температуры
кипения, либо измерять температуру кипения Образцовым-термометром с учетом
поправок. При градуировке эталонных термометров применяют паровые термостаты с
замкнутой системой, в которой давление паров кипящей воды поддерживается
автоматически равным нормальному— атмосферному.
Печи плавления. Для получения температур плавления и затвердевания
химически чистых металлов применяются трубчатые печи с электрическим нагревом
(рис. 8.9). Цилиндрический тигель 5, заполненный химически чистым металлом 4,
размещают примерно в центральной зоне трубчатой печи на графитовых вкладышах
2, расположенных ниже и выше тигля. Тигель и графитовые вкладыши находятся в
фарфоровой трубе 6. Между металлическим корпусом 1 и теплоизолирующими
трубками 7, внутри которых находится электрический нагреватель, располагают
второй толстый слой теплоизоляции 3.
Тигли изготовляются из графита, окиси алюминия, вольфрама и других
окисей тугоплавких металлов. Тигель закрывается сверху крышкой, в которую
крепится защитный чехол для погружения термометра 8, а металл засыпается
графитовым порошком толщиной примерно 1 см. Это необходимо для защиты
металла от окисления. В настоящее время применяют и другой способ защиты
металла от окисления: тигель герметизируют, удалив предва рителько из него воздух,
Рис. 8.9. Устройство печи плавлении химически чистых
металлов
Рис. 8.10. Термограмма фазового перехода жидкий металл
— твердый металл
а пространство под металлом заполнив инертным газом.
Использовать такие тигли можно многократно.
Процесс, происходящий в печи, идет по этапам:
быстрого разогрева печи до температуры t н в рабочем пространстве;
поддержания в рабочем пространстве печи температуры tн при минимальном
градиенте температуры до полного расплавления металла;
перегрев жидкого металла на ∆t относительно температуры затвердевания;
охлаждения печи до температуры t в рабочем пространстве при сохранении
минимального градиента температур. В течение этого процесса оператор через равные
промежутки времени измеряет ТЭДС или электрическое сопротивление в
зависимости от того, какой преобразователь градуируется, термоэлектрический или
сопротивления. По результатам измерения строится термограмма
(рис. 8.10).
Горизонтальный участок зависимости τ=f (Т) соответствует температуре
затвердевания металла. Промежуток времени Дт для горизонтального участка
зависимости должен быть не менее 20—30 мин, в течение которых можно произвести
требуемое количество отсчетов.
При получении температур затвердевания металлов существенное значение
имеет чистота металла, так как примеси понижают температуру
затвердевания
металла. Кроме того, зависимость τ=f(T) загрязненного металла не имеет четко
К насосу
Рис. 8.11. Установка для реализации тройной точки кислорода
выраженного горизонтального участка, что создает неопределенность значения
температуры затвердевания.
В установке типа «Ципк-5», служащей дли получения температуры
затвердевания цинка, используется печь плавления со стойкой управления
«Авторепер», осуществляющая автоматическое регулирование и поддержание
требуемого температурного режима с продолжительностью горизонтальной
«площадки» затвердевания цинка марки ЦВ-00 не менее 100 мин.
Для реализации точки росы кислорода и точек кипения азота и водорода
применяется установка для реализации ожиженных газов при нормальном и
пониженном давлениях (рис. 8.11). Основными узлами установки являются блок
сравнения 1, внутренний сосуд Дьара 8, регулятор давления 9. Градуируемые термометры вставляют в отверстия блока сравнения на крановой замазке,
обеспечивающей хороший тепловой контакт оболочки термометра с блоком.
Потенциальные провода 5 и провода от поверяемых термопреобразователей 4 подводят
к соединительной колодке 3. К крышке 6 монтируется внутренний сосуд Дьюара 5, в
который через отверстие 7 заливают жидкий хладоагент. С помощью регулятора 9
при работе насоса добиваются необходимого понижения давления. За давлением
следят по манометру 10.
При работе с жидким водородом и азотом при пониженном давлении на
внутренний сосуд Дьюара 8 монтируют внешний сосуд Дьюара 11, в который заливают
жидкий азот. При работе на установке при нормальном атмосферном давлении
используют не регулятор давления 9 с насосом и манометром, а термопреобразователь
2, который через центральное отверстие в крышке 6 вставляют в пазы блока
сравнения.
§ 8.3. Поверка стеклянных жидкостных термометров
Стеклянные жидкостные термометры поверяют методом сличения с
образцовыми термометрами. Методы и средства поверки рабочих стеклянных
жидкостных термометров определены ГОСТ 8.279—78, а образцовых ртутных
стеклянных термометров — ГОСТ 8.317—78. При их поверке применяется следующая
аппаратура: пулевой термостат типа ТН-12 или сосуды Дыоара; сосуд тройной точки
воды с внутренним колодцем длиной от 200 до 220 мм, диаметрами 12 и 14 мм; водяной
кипятильник тина ТН-5; криостат типа КР-60 с диапазоном температур от —60 до 0°С;
водяные термостаты типа ТВП-б и ТБ-4; масляные термостаты типа ТМ-3, ТС-24;
оловянный термостат ТО-3 и др.
В качестве образцовых средств поверки рекомендуются: образцовые платиновые
термопреобразователи, медьконстантановый термоэлектрический преобразователь,
образцовые ртутные стеклянные термометры. Цена деления образцового термометра
должна быть меньше или равна цене деления поверяемого. При проведении поверки
должны быть выполнены следующие операции: внешний осмотр термометров и
определение метрологических параметров.
Важное значение при поверке имеет показание термометра при температуре
273,15 К, так как по положению нулевой точки тер-момера контролируют стабильность
его показаний и изменение показаний за счет старения и депрессии.
Положение нулевой точки определяют при температуре тройной точки воды
для термометров с ценой деления 0,01 и 0,02 °С и при температуре плавления льда
термометров с ценой деления свыше 0,02 °С. Положение пулевой точки после
проведения поверки определяют только для термометров с ценой деления не более 0,2
"С.
Поверку проводят при переходе от более низких температур к более высоким,
начиная с первой числовой отметки шкалы. Поверяемые градусные отметки шкалы
термометров (кроме нулевой) в зависимости от цены деления шкалы выбирают из
таблиц стандартов. Если шкала поверяемого термометра содержит менее трех отметок,
указанных в таблицах, то поверку в любом случае проводят в трех отметках — начале,
середине и конце шкалы. Для термометров с ценой деления не более 0,02°С при
определении поправок с применением платинового термометра сопротивления
фиксируют атмосферное давление после окончания измерений в данной точке шкалы.
При определении действительного значения температуры образцовые и поверяемые
термометры устанавливают в следующем порядке: слева образцовый, поверяемые, а
затем второй образцовый. Показания отсчитывают слева направо. Для каждой
поверяемой отметки проводят не менее 10 отсчетов. Повторный обсчет проводят в
обратном порядке, начиная со второго образцового термометра и заканчивая первым.
При расчете поправок и погрешностей определяют среднее арифметическое
показание для данной отметки поверяемого термометра. Поправку вычисляют как
разность действительной температуры термостата и средним арифметическим значением
для поверяемой отметки шкалы. Для образцового термометра к среднему
арифметическому отсчету для данной отметки шкалы алгебраически прибавляют
поправку, взятую из свидетельства.
Погрешности рассчитывают аналогично описанному только с той разницей, что
вычисляют разность показаний среднего арифметического значения поверяемого
термометра и действительного значения температуры. Погрешности поверяемых
термометров не должны превышать предельных допускаемых погрешностей, зависящих
от диапазона измеряемых температур и иены деления термометра.
Необходимо при поверке следить за правильным положением глаза и визирного
устройства, чтобы избежать ошибок из-за параллакса особенно при поверке палочных
термометров. Глаз до-верителя должен находиться на уровне горизонтальной, касательной к мениску, так, чтобы штрих шкалы в точке отсчитыва-ния был виден
прямолинейным.
В результате поверки рабочих стеклянных жидкостных термометров
устанавливают соответствие техническим характеристикам по ГОСТ 8.279—78 и
ГОСТ 8.317—78. В результате поверки образцовых стеклянных жидкостных термометров,
кроме того, определяют поправки к их показаниям и выдают свидетельство, в котором
приводят таблицы поправок и указывают положенье нулевой отметки.
§ 8.4. Поверка монометрических термометров
Манометрические термометры, как и стеклянные жидкостные, поверяют методом
сличения с образцовыми термометрами. Методы
и
средства
поверки
манометрических термометров
изложены в ГОСТ 8.305—78. При их поверке
применяют такие же образцовые средства и аппаратуру, как при поверке стеклянных
жидкостных термометров.
Самопишущие манометрические термометры обычно не являются одновременно
и показывающими приборами, поэтому при их поверке определяют погрешность
самопишущего устройства (записи) и погрешность хода диаграммной бумаги. У
показывающих манометрических термометров определяют основную погрешность и
вариацию показаний. У термометров с электроконтактным устройством определяют
погрешность и вариацию срабатывания сигнального устройства.
Основную погрешность показаний, записи и выходных сигналов определяют по
ГОСТ 8624—80. При обратном ходе поверку допускается проводить па трех отметках
шкалы диаграммной бумаги (начальной, средней и конечной). Показания поверяемого
термометра отсчитывают с погрешностью не более 0,2 наименьшего деления шкалы
термометра. При определении основной погрешности и вариации показаний
конденсационных приборов время выдержки термобаллона в термостате перед
снятием показаний допускается увеличивать до 20 мин.
Подготовка манометрических термометров к поверке сводится к следующему.
Термометры устанавливают в рабочее положение после внешнего осмотра. Для
самопишущих приборов необходимо вставить чистую диаграммную бумагу, заправить
перо чернилами и привести в действие механизм движения диаграммной бумаги; к
термометрам с электроконтактами подключают образцовый милливольтметр и
подают питание за 2 ч до поверки. После этого термобаллоны манометрических
термометров и образцовый термометр погружают в термостат, в котором
поддерживается температура, соответствующая нижней числовой отметке шкалы
поверяемых термометров. Показание образцового и поверяемых термометров
отсчитывают и записывают после трехминутной выдержки при постоянной температуре.
Перед отсчетом показаний поверяемые приборы слегка постукивают рукой, отмечая в
протоколе смешение стрелки или пера. Показания образцового термометра снимают
дважды — до и после отсчетов показаний всех поверяемых термометров. Поверка
манометрических термометров производится от нижнего значения температуры до
верхнего, а затем после пятиминутной выдержки на верхнем пределе в обратном
направлении от верхнего к нижнему. Это необходимо для определения основной
погрешности показаний или записи и вариации. Рационально при поверке пользоваться
несколькими термостатами с установленными значениями температур, соответствующих поверяемым точкам шкалы. При этом переносят термобаллон из термостата в
термостат в течение 1—3 с.
Основная цель поверки манометрических термометров заключается в
определении соответствия значения основной погрешности и вариации показаний
требованиям ГОСТ 8.305—78.
§ 8.5. Поверка термопреобразователей
термоэлектрических термометров
Термопреобразователи термоэлектрических термометров градуируют и поверяют
методом сличения с образцовыми термопреобразователями и методом прямых
измерений температур фазовых состояний химически чистых веществ. Методы и
средства поверки термопреобразователей технических термоэлектрических термометров
изложены в ГОСТ 8.338—78, термопреобразователей образцовых платинородийплатиновых термоэлектрических, термометров - в ГОСТ 8.420—81.
Для поверки применяется образцовая установка типа УТТ-6В, в комплект
которой входит измерительный пульт ПИП-1, паровой' термостат ТП-5, нулевой
термостат ТН-12 и две шахтные печи с температурой нагревания до 1200°С, образцовые
платинородий-платиновые термоэлектрические термометры требуемых разрядов с
соответствующим диапазоном температур.
Поверка технических преобразователей термоэлектрических термометров.
При подготовке к поверке термопреобразователей из неблагородных металлов
образцовый платинородий-платиновый термопреобразователь помещают в кварцевую
защитную пробирку. При этом его рабочий конец должен касаться дна пробирки. В
рабочем пространстве печи в зоне равномерного распределения температуры
устанавливают никелевый стакан или никелевый" блок. При поверке чувствительных
элементов платинородий-платиновых преобразователей вводят защитную кварцевую
трубу. Свободные концы термостатируют при 0°С льдо-водяной смесью, при
комнатной температуре — водой или маслом комнатной температуры, измеряемой
стеклянным ртутным термометром.
При поверке методом сличения с образцовым 2 или 3-го разряда
термопреобразователем термоэлектрического термометра градуировки ПП важно
обеспечить равенство температур рабочих спаев всех поверяемых и образцовых
термопреобразователей, поэтому термопреобразователи (не более четырех поверяемых)
складывают в общий пучок с кварцевой пробиркой, в которой находится образцовый
преобразователь. Внутри печи пучок чувствительных элементов должен упираться в
дно никелевого стакана.
При поверке чувствительных элементов их ТЭДС должна быть определена не
менее, чем при четырех значениях температуры. Значение температур, при которых
необходимо проводить поверку, указаны в ГОСТ 8.338—78 для технических
термопреобразователей.
По достижении требуемой температуры пучка чувствительных элементов
последовательно отсчитывают ТЭДС всех, начиная с образцового, поверяемых
термопреобразователей в прямом (по их номерам), а затем в обратном порядке. Общее
число отсчетов по каждому термопреобразователю должно быть равно четырем. В
этом случае отличие показаний в связи с изменением температур в печи
усредняется по всем термометрам за одно и то же время, необходимое поверителю
для снятия серии отсчетов. Чем меньше это время, тем точнее результат.
Из результатов измерений в каждой поверяемой точке вычисляют среднее
арифметическое значение ТЭДС для образцового и каждого
поверяемого
термопреобразователя. Затем это значение |ТЭДС приводят к температуре свободных
концов, равной 0°С. Не-обходимую поправку определяют по соответствующей
номинальной статической характеристике, указанной в ГОСТ 3044—84. По
приведенному значению ТЭДС образцового термопреобразовате-ля определяют
температуру рабочих концов поверяемых чувствительных элементов по формуле
t = tсвид + ((Е’обр - Есвид) / (∆Е/∆t)t)
где Е'обр — приведенное значение ТЭДС чувствительного элемента образцового
(8.1)
термопреобразователя
Е’обр = Еобр + с’св.к
(8 2)
ЕобР — среднее измеряемое значение ТЭДС чувствительного элемента образцового
термопреобразователя;
с'св. к — поправка на температуру свободных концов
образцового
преобразователя, -найденная по номинальной статистической
характеристике на градуировку ПП по температуре tсв. к:, определенной ртутным
стеклянным термометром; Есвид — значение ТЭДС, взятое из свидетельства на
образцовый
преобразователь,
ближайшее
к Е обр; TСВИД — температура,
соответствующая
значению Есвид, °С; (∆Е/∆t)t — приращение ТЭДС образцового
платинородий-платинового преобразователя на единицу температуры, равное:
t, С
(∆Е/∆t)t 102 мВ/К
t, С
300
8,18
800
400
9,36
900
500
9,66
1000
600
10,02
1100
700
10,35
1200
(∆Е/∆t)t 102 мВ/К
10,6
4
10,9
9
11,3
4
11,6
4
11,9
Далее по номинальным статическим характеристикам, указанным 'В ГОСТ 3044—84,
для поверяемых чувствительных элементов находят нормированное значение их ТЭДС,
соответствующее температуре, найденной по формуле (8.1). Для каждого поверяемого
чувствительного
элемента
определяется
разность
между
приведенным
нормированным значениями ТЭДС при каждой температуре
E’пов = Епов + ссв. к
(8. 3)
где Епов — среднее измеренное значение ТЭДС поверяемого чув-ствигельного
элемента; ссв. к — поправка на температуру свободных концов поверяемого
термопреобразователя, найденная по но-шинельным статическим характеристикам
по температуре. Разность
∆Е = Е’пов – Енорм
(8.4)
должна быть в пределах, установленных ГОСТ 3044—84. Чувствительные элементы
термопреобразователей термоэлектрических термометров, не удовлетворяющих этому
требованию хотя бы при одном из заданных значений температуры, должны быть
забракованы. Результаты измерений ТЭДС термопреобразователей технических
разборных и неразборных конструкций обрабатывают аналогично.
Метод
поэлектродного
сличения
чувствительных
элементов
преобразователей градуировок ПП, ПР 30/6, ВР-5 и ВР-20 с образцовыми
термопреобразователями термоэлектрических термометров 2-го и 3-го разряда.
Метод ноэлектродного сличения заключается в измерении ТЭДС ∆е термоэлектродов
поверяемых чувствительных элементов в паре с одноименными термоэлектро-дами
образцового термопреобразователя. Измерения приводят в прямом и обратном
порядке, переходя последовательно от первого чувствительного элемента к
последнему, а затем наоборот. Для технических термометров поверку производят в
трубчатых электропечах, а для образцовых 1, 2, 3-го разряда — в печах с графитовыми
нагревателями при температурах затвердевания цинка, сурьмы, меди. Свободные концы
термостатируют. Рабочие концы технических термопреобразователеп при поверке
погружают на неизменную глубину, а образцовые поочередно па глубину 250 и 300
мм, определяя среднее арифметическое значение полученных ТЭДС.
Для каждого поверяемого чувствительного элемента определяют разность
между приведенным и нормированным значениями ТЭДС при каждой температуре.
Разность указанных значений должна быть в пределах, установленных НТД. Поверку
методом поэлектродного сличения образцовых термопреобразоватслей производят на
установке типа УПСТ-1 в диапазоне температур 50— 1200°С.
Методика градуировки чувствительных элементов высокотемпературных
термоэлектрических термометров путем плавления малых количеств металлов
или окислов на рабочем спае используется для градуировки чувствительных
элементов высокотемпературных преобразователей термоэлектрических термометров
градуировки ВР-5 и ВР-20, предназначенных для измерения температуры в диапазоне
1800—3000°С.
При подготовке к градуировке рабочий спай термопары выполняется скруткой
термоэлектродов из шести витков. Затем на рабочий спаи навивается отрезок
проволоки или фольги из платины, родня, иридия, ниобия, молибдена. При
градуировке в точке плавления корунда до изготовления спая па один из термоэлектродов нанизывается бусинка из корунда. Для плавления платины, родия, корунда,
иридия используют печь УГТ-2500, а для ниобия, молибдена, тантала — печь ПЭЛ3000. Температуру в печи устанавливают примерно на 50 сС ниже температуры
плавления металла (окисла). Далее нагрев осуществляют со скоростью 2—3
К/мин. Момент плавления определяют визуально через смотровое окно,
одновременно измеряя ТЭДС в каждом репере не менее трех раз.
Свободные концы термопреобразователей термостатируют при температуре 0°С.
§ 8.6. Поверка термопреобразователей сопротивления
Методы и средства поверки термопреобразователей термометров сопротивления
регламентированы ГОСТ 8.461—82, кроме платиновых образцовых, поверяемых по
ГОСТ 8.427—81. Платиновые образцовые термометры сопротивления для низких
температур поверяются по ГОСТ 8.133—74. При проведении поверки применяются
поверочная установка типа УТГ-6В с пределами воспроизведения температур О—
1200°С. низкотемпературная поверочная установка типа УГТ-1 с пределами
воспроизведения температуры от 2 до 273 К, установка типа «Цинк» для воспроизведения температур затвердевания цинка.
Поверка рабочих термопреобразователей термометров сопротивления
стандартных градуировок. При подготовке к поверке чувствительные элементы
термопреобразователей разборных конструкций без защитной арматуры помещают в
стеклянные или металлические пробирки с кольцевым зазором не более 2 мм.
Пространство между стенками пробирки и проводами плотно закрывают ватой.
Термопреобразователи неразборных конструкций с защитной арматурой длиной не
более 350 мм укрепляют в разделительной камере и вместе с пей погружают в
термостат. Если длина термопреобразователя неразборной конструкции более 350
мм, то их погружают в термостат бет разделительной камеры.
При измерении сопротивления термопреобра.ювателей компенсационным
методом (установка УТТ-6В) применяют схему, показанную па рис. 5.14. Сила тока,
протекающего через чувствительный элемент термопреобразователя, должна быть
такой, чтобы выделяемая при этом мощность, не превышала 1 мВт. При выпуске из
производства термопреобразователи поверяют в трех точках диапазона измерений.
Если в процессе эксплуатации поверку производят в двух точках диапазона
измерений, то этими точками чаше всего являются точки плавления льда и кипения
воды.
После
внешнего
осмотра
термопреобразователь
подключают
в
измерительную цепь и погружают в термостат. Сопротивление поверяемого
термопреобразователя начинают измерять с точки таяния льда. Для удобства
обработки результатов при измерении сопротивления компенсационным методом
целесообразно ток в потенциометре подбирать из соотношения
RN / UN = 1 10η
(8.5)
где RN — сопротивление измерительной катушки по свидетельству; UN — падение
напряжения на измерительной катушке сопротивления; п — целое число. В этом случае
сопротивление поверяе- мых термопреобразователей будет численно равно а x -10 n ,
где ах — отсчет по потенциометру.
По результатам отсчетов по потенциометру вычисляют среднее арифметическое
значение_ падения напряжения на измерительной» катушке сопротивления UNобр и
падения напряжения па поверяемых термопреобразователях из ряда значений Ut1 , ...
Ut , полученных из четырех отсчетов
R 0 =R Nобр .Ut /UNобр
(8.6)
где RNобр — значение сопротивления образцовой катушки сопротивления, взятое из
свидетельства; Ut— UNобр —средние арифметические значения четырех отсчетов
падения напряжения на термопреобразователе
и
измерительной
катушке
соответственно.
Расчет следует проводить с точностью 1-10-5 R 0 . Отклонение Rо от
номинального значения при 0°С (в Ом) определяют по формуле
∆R0 = R0 — Rпом,
(8 7)
где Rном—номинальное значение сопротивления термопреобразователя при t = QcC,
Значение ∆R0 не должно превышать значений допускаемых отклонений сопротивления
термопреобразователей при О"С.
Определение сопротивления термопреобразователя при температуре
кипения воды можно начинать после выдержки в термостате термопреобразователя
неразборной конструкции в течение 30 мин, разборных конструкций — 20 мин.
Температуру паров воды следует измерять образцовым термометром с
погрешностью не более ±0,04 "С или по барометрическому давлению, если оно
изменяется от 97325 до 104097,6 Па.
По результатам измерения сопротивления при температуре кипения воды tк
вычисляют сопротивление поверяемых термопреобразователей при 100 °С по формуле
R100 = Rtk ± ∆R
(8. 8)
где Rtk —значение сопротивления поверяемого термопреобразователя (в интервале
температур от 97 до 103"С); ∆R — поправка на
приведение сопротивления
термопреобразователя к t=100°C (табл. 8.2).
Разность температур
∆tk = 100 – tk
(8. 9)
Для ∆tк, равной десятым и сотым кельвина, ∆R( меньше приведенных в табл. 8.2 в 10
и 100 раз.
Поправки для номинальных статических характеристик типов 1П, 10П, ЮМ
меньше приведенных в таблице соответственно в 100 и 10 раз, поправки для
характеристик 5П меньше приведенных в таблице в 10 раз, а для характеристик 500П
больше в 10 раз. По результатам измерений сопротивления поверяемых термопреобразователей при температурах 0 и 100 °С вычисляют значения Wtoa, которые не
должны превышать номинальные допускаемые значения.
Градуировка
технических
полупроводниковых
термометров
сопротивления. Методы и средства градуировки технических полупроводниковых
термопреобразователей (ПТС) сопротивления изложены в МУ 242.
ТАБЛИЦА 8.2
Значение
поправок ∆Rtk
1 Н для определения R 100
преобразователей
температуре
tk для термо-
ТСП с НСХ
50П
1
100П
ТСМ с НСХ
Гр. 21
50М
IC0M
Гр. 23
0,18
0,21
0,38
0,43
0,23
2
0,35
0,43
0,77
0,85
0,45
3
0,53
0,64
1,15
1,28
0,67
4
0,71
0,85
1,54
1,71
0,90
5
9,89
1,07
1,93
2,14
1,13
6
1,07
1 ,'28
1J5
2,31
2,57
1,36
7
1,25
1,35
2,70
1 [оО
3,00
1,58
8
1,47
1.71
1,54
3,08
3,42
1,81
9
1,60
1,93
1,73
3,47
3,85
2,03
Градуировке предшествует внешний осмотр и определение допускаемой
мощности рассеяния ПТС, необходимое для расчета силы измерительного тока.
Измерительный ток, проходящий через ПТС, следует выбирать таким, чтобы
погрешность вследствие перегрева ПТС за счет выделения в нем мощности рассеяния не
превышала половины допускаемой погрешности измерения температуры. После
определения допускаемой мощности рассеяния для каждого ПТС, проводят
градуировку в заданном диапазоне температур с интервалом в 10°. Измеренные
значения R, соответствующие значениям t, наносят на график, откладывая по оси
абсцисс температуру, а по оси ординат-—сопротивление. Полученные точки
соединяют плавной кривой. Промежуточные значения сопротивления определяют по
полученной опытной кривой. Допускается получение градуировочной характеристики в
интервале до 100 К по формуле (5.2) с определением ее постоянной при трех
значениях температур. Сопротивление термопреобразователей можно измерять
компенсационным методом или с помощью мостовой схемы.
0,19
0,38
0,58
0,77
0,93
§ 8.7. Поверка термоэлектрических термопреобразователей
и термопреобразователей сопротивления для измерения
температуры поверхностей твердых тел
Поверка термопреобразователей для измерения температуры плоских
поверхностей и твердых тел (ПТ) осуществляется с помощью комплекса аппаратуры
типа УГТП-2 в диапазоне 20— 500°С, включающем градуировочное устройство,
регулирующий пульт, термостатную установку, измерительную стойку и установку
УТТ-6В.
Основной узел градуировочного устройства — нагреваемая до 500 СС
металлическая плита, на поверхности которой устанавливают поверяемые
термопреобразователи. С помощью регулирующего пульта автоматически
поддерживают
температуру
поверхности
плиты
на
заданном
уровне.
Измерительный пульт служит для определения ТЭДС контрольных и поверяемых
термопреобразователей. Температура поверхности определяется линейной экстраполяцией
показаний
контрольных
термоэлектрических
термометров,
термопреобразователи которых вмонтированы по осевой линии градуировочной плиты.
Температура поверхности плиты поддерживается высокоточным регулятором
температуры ВРТ-3. . Время установления заданной температуры плиты 1,5 ч, градиент
температуры в горизонтальной плоскости плиты градуировочного устройства не
превышает 20 и 60 К/м, при температурах поверхности плиты 100 и 500°С
соответственно. Методы и средства поверки изложены в МИ 108—76.
При проведении поверки должны выполняться такие операции, как внешний
осмотр, определение градунровочной характеристики, определение поправок на
показания, учитывающие теплообмен термопреобразователя с поверхностью объекта
измерения и окружающей средой.
Градуировка чувствительного элемента термопреобразователя ПТ проводится
в соответствии с ГОСТ 8.338—78, ГОСТ 8.461—82 в последовательности,
описанной в разд. 8.5 и 8.6, в зависимости от типа применяемого чувствительного
элемента.
Поправки на показания ПТ, учитывающие теплообмен с поверхностью объекта
измерения и с окружающей средой, определяют в следующем порядке. На
поверхности плиты устанавливают ПТ, подключают их к измерительной установке
и выдерживают на поверхности плит 10 мин. Определяют /т чувствительного элемента
и температурное поле плиты. При этом, если температура градуировки не более
100"С, измеряют избыточную температуру в двух точках плиты (верхней и нижней),
если температура превышает 100 "С. то температуру плиты определяют в четырех
точках. Затем определяют температуру свободных концов контрольных
термоэлектрических термопреобразователей tx.c Неискаженную температуру
поверхности определяют по формуле
tn=ϑп + tx.c,
(8.10)
где ϑn —избыточная относительно температуры окружающей среды температура
поверхности
ϑп=ϑ4 / А;
(8.П)
А— характеристика неискаженного температурного поля плиты, указанная в ее
паспорте; ϑ4 — температура в нижней части плиты, избыточная относительно
температуры окружающей среды. Поправка на теплообмен термопреобразователя с
поверхностью объекта и окружающей средой при tmax градуировки
∆tr=-tn-tг .
(8.I2)
Далее определяют искажение температурного поля ∆t г, вызванное установкой
термометра на объект, при tmax гдадуировки; составляющую поправки, обусловленную
наличием теплового контакта между чувствительным элементом и контролируемой поверхностью при tmax градуировки. Вычисляют поправки ∆tl и ∆t2, соответствующие
промежуточным температурам заданного диапазона градуировки, которые определяют
путем линейной интерполяции. По формуле ∆t =∆tl + ∆t2 определяют значение
суммарной поправки, соответствующей промежуточным температурам диапазона
градуировки. ПТ должны удовлетворять требованиям cooт- ветствуюшей нормативной
документации.
§ 8.8. Поверка электроизмерительных приборов, входящих в
комплект термометров
Измерительные приборы, применяемые в термоэлектрических термометрах и
термометрах сопротивления, подробно описаны в гл. 4 и 5. Поверка этих приборов,
шкалы которых градуированы а единицах температуры, имеет существенное значение
для точности измерения и регулирования температуры в технологических процессах, и
осуществляется только для находящихся в эксплуатации.
Поверка пирометрического милливольтметра. Методы и средства поверки
пирометрических милливольтметров определены ГОСТ 8.012—72. Поверка
проводится при нормальных условиях. Применяемые при поверке образцовые
средства должны быть выбраны так, чтобы точность их была в пять раз больше
точности поверяемого прибора, а класс точности образцового прибора определяется по
формуле
К0 = Кп/5 · Ап/А0
(8.13)
где Ко, Кп — числовые значения классов точности образцового и поверяемого приборов;
Ап и Ао— верхние пределы шкалы поверяемого и образцового приборов.
В процессе поверки выполняют следующие операции: внешний осмотр,
определение основной погрешности, вариации показаний, проверку невозвращения
указателя на нулевую отметку.
Для самопишущих пирометрических милливольтметров обязательна поверка
качества записи и скорости перемещения диаграммы, для регулирующих
пирометрических милливольтметров — определение погрешности срабатывания
контактов. Основную погрешность Де и вариацию показаний ∆ev определяют методом
непосредственного сличения с образцовым милливольтметром или по компенсационной
схеме с помощью потенциометра постоянного
К аброзцоВому маппи Вольтметру
или
потенциометру
постоянного тока
К потенциометру
частаяннога msnc
Рис. 8.12. Схема поверки пирометрического милливольтметра
тока. Схема поверки приведена на рис. 8.12. Основную погрешность и вариацию
показаний милливольтметров всех классов точности определяют при подводе
указателя к каждой поверяемой отметке шкалы со стороны меньших и больших
значений. Погрешность записи определяют при минимальной и максимальной
скорости движения диаграммы. Погрешность ∆еь ∆е2 и вариацию ∆ev вычисляют по
формулам:
∆е1 = егр – е1; ∆е2 = егр – е2
(8.14)
∆еV = |∆е1 — ∆е2|,
(8.15)
где е1, e2 —-показания образцового прибора при движении стрелки со стороны
меньших и больших значений, мВ; eгр — значение напряжения, соответствующее
поверяемой отметке шкалы, мВ. Допускаемые для данного класса точности поверяемого
прибора значения основной погрешности и вариации вычисляют по форму-.лам:
∆едоп = ∆еVдоп = ек · К/100
(8.16)
где ∆едоп и ∆еVдоп —допускаемое значение основной погрешности
и вариации показаний, мВ; е к— конечное значение шкалы поверяемого
милливольтметра, мВ; К — класс точности поверяемого милливольтметра.
В результате поверки необходимо определить соответствие погрешностей ∆е1, ∆е2,
∆ev, определенных на каждой поверяемой отметке шкалы, допускаемым значением. Для
образцовых милливольтметров классов точности 0,2 и 0,5 поправки вычисляют в единицах
температуры.
Термометрические
милливольтметры,
соответствующие
требованиям
стандарта, подлежат клеймению.
Поверка логометров. Методы и средства поверки магнитоэлектрических логометров,
используемых в термометрах сопротивления, устанавливает ГОСТ 8.209—76. При поверке
выполняют сле дующие операции: внешний осмотр; проверку отклонения указателя
Рис. 8.13. Схема поверки логометра
логометра за начальную отметку шкалы или наличия сигнала при отключении
питания логометра; определение погрешности указателя логометра на контрольную
отметку, основной погрешности и вариации показаний; определение основной
погрешности записи, несовпадения крайних линий сетки диаграммной бумаги с
крайними отметками шкалы прибора и отклонения скорости движения диаграммной
бумаги — для самопишущих логометров; определение погрешности срабатывания и
зоны нечувствительности — для регулирующих приборов.
При проведении поверки следует применять образцовые или рабочие магазины
сопротивления или образцовые мосты постоянного тока, поверочные установки типа
УПИП-60М или УВПТ-2АМ.
Основную погрешность и вариацию показаний определяют на всех числовых
отметках шкалы поверяемого прибора 1 по одной из схем, приведенных на рис. 8.13,
а — г, при помощи образцового магазина сопротивления 2 и образцового моста
постоянного тока 3. Магазином сопротивления стрелка прибора устанавливается на
поверяемую отметку со стороны больших и меньших значений сопротивления — Rt и R2.
Основную погрешность прибора (в Ом} определяют как наибольшую из двух
разностей
∆1 = Rгр – R1;
(8.17)
(8.18)
∆2 = Rгр – R2
где Rrv — значения сопротивления, соответствующие поверяемой отметке шкалы.
Вариация показаний
∆v = R2 — R1.
(8.19)
Приведенные основную погрешность и вариацию показаний (в %) определяют по
формулам:
δ = ∆ / (Rk - Rн) ·100; γ = ∆ / (Rk - Rн) ·100,
где Rгр — значения сопротивления, соответствующие конечной и начальной отметкам
шкалы поверяемого логометра. Влияние наклона поверяемого логометра определяют
на трех отметках шкалы (в начале, середине, конце) при наклоне прибора в четырех
перпендикулярных направлениях. Допускаемые значения погрешностей логометров
указаны в ГОСТ 9736—80.
При поверке самопишущих логометров определяют несовпадение крайних
линий сетки диаграммной бумаги с крайними отметками шкалы прибора через 5—10
мин после включения двигателя. Несовпадение не должно превышать ширины
крайних отметок шкалы. Основную погрешность записи самопишущих лого-метров
определяют на любых трех числовых отметках диаграммной бумаги. Качество
записи должно соответствовать требованиям ГОСТ 9999—79. Отклонение скорости
движения диаграммной бумаги от заданной определяют на одной из числовых отметок шкалы секундомером; оно не должно превышать ± 1 % заданного значения.
При определении погрешности срабатывания регулирующего устройства
измерения проводят на любых двух отметках шкалы поверяемого логометра в пределах
действия регулятора согласно ГОСТ 9736—80. Зоны нечувствительности для
регулирующих устройств определяют по ГОСТ 8.209—76. Влияние изменения напряжения питания логометра определяют на трех числовых отметках шкалы.
Поверка автоматических потенциометров и автоматических уравновешенных
мостов. Методы и средства поверки автоматических потенциометров и автоматических
уравновешенных мостов (показывающих и самопишущих) устанавливает ГОСТ 8.280—78. При поверке выполняют следующие операции: внешний осмотр, измерение рабочего
тока у потенциометров; установление характера успокоения указателя прибора;
определение времени прохождения указателем всей шкалы; основной погрешности и
вариации показаний; погрешности записи; проверка качества записи; нахождение
отклонения скорости движения диаграммных лент и скорости вращения диаграммных
дисков; проверка соответствия метрологических характеристик выходных устройств
(регулирующего устройства, его задатчика и др.) установленным требованиям
При поверке следует применять образцовые приборы и оборудование,
перечисленное в ГОСТ 8.280—78 и входящее в установку УВПТ-2АМ,
обеспечивающую поверку автоматических мостов и потенциометров и их узлов.
Поверку потенциометров проводя г по схеме, приведенной па рис. 8.14.
Поверяемый прибор ПП подключается к схеме магазина напряжения МН, в которую
входит источник регулируемого постоянного напряжения и образцовый потенциометр
ОП; R — сопротивление внешней цепи потенциометра, шкала которого градуирована в
°С. Мосты поверяют по схеме, показанной на рис. 8.15. Поверяемый мост ПП через
сопротивление Rn> и Rл. подключается по трехпроводной схеме к магазину
сопротивления МС, на котором устанавливаются сопротивления, соответствующие
поверяемым отметкам.
Если прибор после внешнего осмотра соответствует установленным
требованиям, его размещают в специальной стойке и подсоединяют к измерительной
схеме. Соответствие основной погрешности определяют не менее, чем на пяти отметках
шкалы, интервал между которыми не должен превышать 30% длины шкалы, с обязательным введением начальной и конечной отметок шкалы. Вариацию показаний
определяют не менее, чем на трех отметках, равномерно распределенных по шкале,
причем две из них должны находиться вблизи начала и конца шкалы.
Г Л А В А 11
ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 11.1. Классификация пирометров излучения
Классифицировать пирометры, как и любые другие средства измерения,
можно по различным признакам. Основные признаки, от которых зависят свойства и
возможности пирометров — принцип действия, используемая область спектра
излучения, особенности конструкции, а также технические и метрологические
характеристики.
От температуры тела зависят различные параметры его теплового излучения,
а именно, энергетическая яркость и спектральное распределение энергетической
яркости. Таким образом, по принципу действия, т. е. в зависимости от параметра
излучения, используемого для измерения температуры, следует различать энергетические и пирометры спектрального распределения.
К энергетическим относятся пирометры, принцип действия которых основан на
использовании зависимости изменения энергетической яркости излучающего тела от
изменения его температуры.
К пирометрам спектрального распределения — пирометры, принцип действия
которых основан на использовании изменения относительного спектрального
распределения энергетической яркости излучающего тела от изменения его
температуры.
К энергетическим пирометрам относят пирометры полного и частичного
излучения и монохроматические.
Пирометры полного излучения (их часто называют также радиационными)
- это энергетические пирометры, воспринимающие; излучение без искажений, т. е.
неселективно во всем спектре. При этом зависимость воспринимаемой пирометром
интегральной энергетической яркости от температуры для случая визирования черного тела должна описываться законом
Стефана — Больимана. На практике
обычно на спектральную область воспринимаемого излучения накладывает
ограничение оптика пирометра, Поэтому реальные пирометры полного излучения
отвечают вышеприведенному критерию лишь в узком температурном интервале
(при высоких температурах),
вследствие чего, правильнее их отнести
к
пирометрам частичного излучения с неселективным приемником излучения.
Однако не будем игнорировать сложившуюся практику и будем называть такие
пирометры пирометрами полного излучения.
Монохроматические пирометры — это пирометры, воспринимающие
излучение в столь узком спектральном интервале, что зависимость воспринимаемой
энергетической яркости от температуры в применении к черному телу может быть
описана с достаточным приближением формулой Планка (Вина). Как правило, в
таких пирометрах для монохроматизации излучения воспринимаемого приемником
пирометра используются либо узкополосные интерференционные фильтры, либо
монохроматоры, либо стеклянные отрезающие фильтры, которые в сочетании с
кривой спектральной чувствительностью приемника обеспечивают узкую полосу
пропускания. К последним относятся визуальные пирометры с исчезающей нитью.
Пирометры частичного излучения — это пирометры, которые воспринимают
излучение объекта в достаточно широком, но ограниченном интервале длин волн
(часто при использовании селективного приемника без фильтра). При этом
зависимость воспринимаемой энергетической яркости от температуры в
применении к черному телу не может быть описана с необходимым приближением
ни формулой Стефана — Больцмэна, ни формулой Планка (Вина).
Среди пирометров спектрального распределения выделим пирометры
спектрального отношения или как их иногда называют — цветовые или двухцветные
пирометры. Однако с широким освоением пирометрией
ИК-диапазона
нецелесообразно использовать слово «цвет», поэтому правильнее наименование
«пирометры спектрального отношения». Принцип действия таких пирометров основан
на зависимости от температуры тела, отношения его энергетических яркостей в двух
спектральных интервалах.
К пирометрам спектрального распределения относятся и пирометры двойного
спектрального отношения, хотя имеются пока только их опытные образцы для
специальных целей. Иногда их называют трехцветовыми пирометрами. Принцип
действия их основан на зависимости от температуры тела, отношений его энергетических яркостей в трех (четырех) спектральных интервалах. Отличия
энергетических пирометров от пирометров и спектрального распределения
обусловлены существенными различиями свойств измеряемых ими условных
температур.
В зависимости от используемой области спектра пирометры следует разделить
на два типа: оптические и радиопирометры. Оптические пирометры — это пирометры,
работающие в оптическом диапазоне спектра. В таких пирометрах для концентрации
излучения (и если необходимо для выделения рабочей спектральной области)
применяются элементы классической оптики — линзы, зеркала, призмы, светофильтры
и т. п.
Таким образом, пирометры с исчезающей нитью, которые и сегодня часто
называют «оптическими пирометрами», являются составной частью пирометров этого
типа. Радиопирометры — это пирометры, работающие к радиодиапазопе и
использующие для концентрации излучения элементы радиотехники — антенны, волноводы и т. п.
В зависимости от приемника излучении пирометры следует разделять па
визуальные, в которых излучение объекта воспринимается глазом человека, и
объективные. В объективных пирометрах излучение объекта измерения
воспринимается фотоэлектрическим или тепловым приемником излучения. В
настоящее время визуальные пирометры сохранились лишь как разновидность
монохроматических пирометров — пирометры с исчезающей нитью. Широко
распространены сейчас объективные пирометры, поскольку они лишены
субъективности восприятия, связанной с особенностью зрения того или иного
наблюдателя, узким интервалом спектральной чувствительности и т. д. Естественно,
глаз не позволяет автоматизировать процесс измерения или использовать визуальный
пирометр как датчик системы автоматического регулирования температуры.
В пирометрах полного излучения применяют тепловые приемники
(термобатареи, болометры, пироэлектрические приемники) вследствие их
неселективности. В пирометрах частичного излучения и монохроматических
пирометрах используют, как правило, фотоэлектрические приемники (Ge и Si —
фотодиоды, фотоэлементы, фоторезисторы, фотоумножители). В пирометрах
спектрального отношения используют также фотоэлектрические приемники.
Пирометры, предназначенные для измерения температуры малых объектов
(обычно менее 1 мм) называют микропирометрами. Наибольшее распространение пока
получили визуальные микропирометры с исчезающей нитью, хотя существуют и
объективные микропирометры для измерения температуры микросхем и других
элементов электронной техники.
В некоторых случаях возникает необходимость измерять температуру ряда
точек
поверхности
в
определенной
последовательности.
Пирометры,
предназначенные для таких измерений, называют сканирующими. К их числу
можно отнести и тепловизоры, в том случае, если они обладают возможностью
измерять температуру с нормируемой точностью.
В зависимости от характера температурного контроля, для ко торого
предназначены пирометры, они разделяются на стационарные и переносные
(портативные). Стационарные пирометры предназначены для непрерывного
контроля температуры объекта
и могут осуществлять регулирование температуры
этого объекта. Датчики таких пирометров монтируют вблизи какого-либо определенного объекта. Их конструкция, как правило, рассчитана на воз действие
окружающих факторов и предусматривает наличие защитной арматуры с водяным
или воздушным охлаждением, отдувом сжатым воздухом и т. п. Переносные
приборы предназначены для периодического оперативного контроля температуры
одного или нескольких объектов. Такие приборы компактны, имеют небольшую
массу и автономное питание от встроенных батарей или аккумуляторов.
К
переносным относятся отечественные визуальные пирометры с исчезающей нитью
«Проминь», ОППИР-017, пирометры частичного
излучения
«Смотрич-4П»,
«Смотрич-5П» и пирометр спектрального отношения «Спектропир П».
За рубежом широко распространены объективные переносные пирометры
частичного излучения с цифровым и аналоговым отсчетом. Их выпускают фирмы
AGA (Швеция), Raytek (США), Williamson (США), Land (Англия) и т. д.
Пирометры, как и всякие измерительные приборы, могут строиться по двум
измерительным схемам: прямого преобразования и компенсационной.
Пирометры прямого преобразования {рис. 11.1,а) не имеют в своей
измерительной схеме обратной связи по световому потоку. Схема относительно проста,
но предъявляет весьма жесткие требования к стабильности коэффициента передачи
каждого звена и„ прежде всего, к стабильности приемника излучения, так как
инструментальная погрешность прибора определяется изменением коэффициента
передачи всей схемы, а он равен произведению коэффициентов передачи всех звеньев.
Пирометрами прямого преобразования являются отечественные пирометры полного
излучения РАПИР и ППТ, пирометры частичного излучения ПЧД, пирометры
спектрального отношения «Спектропир» и «Веселка».
§ 11.2. Пирометры полного излучения
Само название этих приборов говорит о том, что они измеряют условную
температуру реальных тел по их полному излучению (излучению во всем спектре).
Эти пирометры иногда называют еще пирометрами суммарного излучения или чаще
радиационными пирометрами, а температуру, измеряемую ими, радиационной. Еще
раз напомним, что те радиационные пирометры, которые широко распространены на
практике, не являются пирометрами полного излучения в строгом смысле, так как из-за
ряда ограничений они используют не весь спектр. Эти приборы точнее было бы
назвать пирометрами частичного излучения с неселективными приемниками, тем не
менее мы будем рассматривать их в этом разделе.
Поскольку идеальный пирометр полного излучения должен воспринимать
неискаженно весь спектр излучения, приемник пирометра также должен быть
чувствителен к излучению во всем спектре. Причем, чтобы показания прибора (для
черного тела) подчинялись закону Стефана — Больцмана, приемник должен обладать
неселективной спектральной чувствительностью. Для этой цели используются
тепловые приемники. Обычно приемную площадку приемника покрывают чернью,
которая лучше всего отвечает требованию нсселективного поглощения падающей
энергии излучения.
В качестве приемников излучения в таких приборах чаще всего используют
термобатарею, представляющую собой последовательно соединенные несколько
термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта. При этом ТЭДС —
это мера энергии, нагревающей рабочий спай и, следовательно, пропорциональна
энергетической (радиационной) температуре объекта.
Термобатареи обладают очень хорошей стабильностью и воспроизводимостью
своих характеристик. В качестве измерительного прибора при этом используются
автоматические самопишущие потенциометры или милливольтметры.
Значительно реже применяется болометр, сопротивление которого изменяется
от нагрева его излучением объекта.
В ранних моделях пирометров полного излучения применяли зачерненную
биметаллическую спираль, деформация которой зависит от нагрева излучением
объекта.
Рис. 11.2. Схемы пирометров полного излучении с диафраг-менной
(а), линзовой (б) и зеркальной (е) оптикой
На рис. 11.2, а приведена схема идеального пирометра полного излучения.
Поток излучения объекта, попадающий на приемную площадку приемника
излучения, формируется диафрагмами. Значение этого потока пропорционально
энергетической яркости объекта, площади приемной площадки и телесному углу, в
котором воспринимается излучение. Как показывает расчет, энергии недостаточно,
чтобы уверенно фиксировать сигнал термоэлемента, в частности, техническими
приборами.
Применение оптической системы для того, чтобы сконцентрировать больший
поток на приемнике излучения, позволяет резко увеличить чувствительность
пирометров, уменьшить нижний предел измерения и использовать в качестве
вторичных измерительных приборов достаточно грубые приборы, пригодные для
эксплуатации в условиях производства. Для этой цели используют либо линзовую
(рефракторную) (рис. 11.2,6), либо зеркальную (рефлекторную) оптику (рис. 11.2, в).
В ранних моделях пирометров применяли подвижные оптические системы,
позволяющие фокусировать изображение источника на поверхности приемника.
Современные приборы — это приборы с «постоянной наводкой». При
короткофокусных объективах смещение действительного изображения мало и им
пренебрегают.
Недостаток рефракторной оптической системы заключается в том, что она не
отвечает требованию неселективности передачи энергии во всем спектре. Например, у
линз из стекла, граница пропускания ~2,5 мкм, из кварца ~4 мкм, из флюорита ~8—10
мкм. Зеркальная оптика лучше отвечает этому требованию. Например, золоченое
зеркало имеет коэффициент отражения QS, равный 0,97 (в диапазоне измеряемых
пирометром температур до 2000°С), у посеребренного зеркала этот коэффициент еще
выше, но зато зеркало быстро тускнеет и, следовательно, меняет свои свойства, что
недопустимо. Опасность представляет также нагрев стеклянного зеркала, так как оно
само начинает излучать весьма заметно, поэтому предпочтительнее использовать
металлические зеркала. И еще один весьма существенный недостаток зеркальной
оптики— ее запыление во время работы, меняющее коэффициент отражения. Причем
снять пыль весьма затруднительно, так как зеркало в отличие от линзы размещается
внутри телескопа, иногда это вообще недопустимо. Всякая защита зеркального
телескопа уменьшает достоинства приборов с зеркальной оптикой. Ими измеряют
только весьма низкие температуры. В промышленной практике широкое
распространение получили пирометры с линзовой оптикой.
Существуют модели радиационных пирометров со светопроводом, позволяющие
измерять температуру объекта даже в тех случаях, когда доступ к нему весьма
затруднен, закрыт для прямого визирования или необходимый угол зрения не может
быть обеспечен (смотровые отверстия недопустимо малы), либо необходимо
исключить влияние поглощения промежуточной среды или влияния посторонних
источников.
Подавляющее большинство радиационных пирометров — это приборы,
построенные по схеме прямого преобразования. Однако существуют и приборы
компенсационного типа с обратным преобразователем в виде микрохолодильника,
работающего на эффекте Пельтье.
Отечественной промышленностью выпускаются пирометры полного излучения
двух типов: РАПИР с телескопом ТЕРА-50 и ППТ, причем последний является
составной
частью
агрегатного
комплекса стационарных
пирометрических
преобразователей ЛПИР-С, входящего в состав Государственной системы приборов
(ГСП).
Пирометр РАПИР состоит из датчика (телескопа) и вторичного
электроизмерительного прибора, в качестве которого используются либо самопишущие
автоматические потенциометры, либо милливольтметры.
Рисунок 11.4 конструкция
термобатареи
Рис. 11.3. Конструкция телескопа ТЕРА-50
Телескоп ТЕРА-50 (рис. 11.3) представляет собой литой силуминовый корпус
цилиндрической формы I, в котором находятся однолинзовый объектив 2, вкладыш 8
с укрепленной на ней термобатареей 6 и выходными клеммами 9 и вкладыш 5 с
перемещаемой калибровочной диафрагмой 3. Диафрагма перемещается в
продольном направлении трубкой 4. На конце трубки имеется ось со шлицом, что
позволяет с помощью отвертки перемещать диафрагму. Эта операция выполняется
для подгонки напряжения при градуировке телескопа в соответствии со стандартной
градуировочной таблицей, т. е. позволяет компенсировать некоторый разброс
характеристик термобатарей. Оба вкладыша крепятся винтами 7 к корпусу телескопа,
в центре вкладышей имеется отверстие, позволяющее визировать объект с помощью
линзы окуляра //, помещенной в крышке телескопа 10, которая также крепится
винтами к корпусу.
Термобатарея (рис. 11.4) представляет собой десять последовательно
соединенных между собой в «звездочку» миниатюрных хромель-копелевых
термопар. Рабочие (горячие) спаи термопар расположены в центре, а свободные
(холодные)
концы — по окружности.
Здесь
же располагается
термокомпенсационное
сопротивление—медная
катушка,
шунтирующая
термобатарею. ТЭДС термопары — функция разности температур ее рабочего и
свободного концов. Поэтому изменение температуры свободных концов, связанное
с изменением температуры корпуса и в конечном счете с изменением температуры
окружающей
среды, может вносить существенную погрешность в показание
пирометра полного излучения. Эту погрешность следует каждый раз учитывать, что
сложно в производственных условиях, либо исключать. Для этого обычно
используют либо термочувствительное сопротивление, воздействующее на сигнал
термобатареи, либо термочувствительную (биметаллическую)
заслонку,
воздействующую на поток излучения и тем самым на сигнал термобатареи. Эти
меры не исключают полностью погрешность вследствие изменения окружающей
температуры, но значительно уменьшают, сводя ее примерно к 2°С при изменении
окружающей температуры на 10°С от номинальной (20 с С). Пирометр РАПИР
может работать в диапазоне окружающих температур от 10 до 100°С. При более
высоких окружающих температурах рекомендуется использовать защитную арматуру. Комплект защитной и вспомогательной арматуры для таких пирометров
включает кожух с водяным охлаждением; патрубки водяного и воздушного
охлаждения;
защитную
заслонку, предохраняющую объектив от возможных
выбросов пламени, державку, шарнирное устройство и т. п. В пирометре РАПИР
имеется также соединительная панель ПУЭС. Она обеспечивает возможность
подключения к телескопу до двух вторичных измерительных приборов
различного типа (рис. 11.5).
Для этого
она снабжена уравнительными и
эквивалентными
сопротивлениями, уравнительные
сопротивлении
сохраняют
постоянство
сопротивлений соединительных линий телескопа и вторичных
приборов с панелью. Эквивалентные сопротивления являются эквивалентом
сопротивления милливольтметра и линии (205 Ом) и включаются в отсутствии
милливольтметра. При любом включении приборов нагрузка телескопа должна быть
равной 142,5 Ом.
И милливольтметры, и потенциометры, работающие в комплекте с телескопом
ТЕРА-50, имеют корректоры показаний. Однако к соответствующим зажимам панели
ПУЭС подключается только корректор милливольтметра (только одного в любом
случае), представляющий собой переменное сопротивление 49 Ом (30 Ом в нормальном
положении), которое может изменять напряжение на зажимах милливольтметра, изменяя его показания с тем, чтобы
они соответствовали истинной температуре
объекта. В пирометрах этого типа можно менять показания в пределах 10—15% по
температуре.
Пирометр РАПИР может комплектоваться различными типами телескопов
ТЕРА-50, отличающимися оптической системой и соответственно пределами измерения.
В табл. 11.1 ,приведены технические и метрологические характеристики различных
телескопов ТЕРА-50. В нашей стране выпускаются также пирометры ППТ
нескольких модификаций, различающихся
конструктивным исполнением и типом
оптической системы: ППТ-121
(диаметр телескопа 25 мм), ППТ-131 (диаметр
телескопа 50 мм) и ППТ-142 (диаметр телескопа 100 мм). При этом телескопы ППТ121 и ППТ-131 имеют линзовую оптику, а ППТ- 131 имеют линзовую оптику, а
ППТ – 142 зеркальную.
Рис. 11.5. Схема соединения элементов
комплекта пирометра полного излучения РАПИР:
а — с двумя милливольтметрами; б— с двумя
потенциометрами; в – с потенциометром и
милливольтметром
Телескоп пмрометра представляет собой цилиндрический корпус, в котором размещены
оптическая система (линзовая или зеркальная) и приемник излучения (термобатарея
из хромелевой и копелевой фольги толщиной 4 мкм).
ТАБЛИЦА 11.1
Пределы
ния. измере"С
Тип градуировки
100-500
Р5
400-1200 400--500
500-700 700—
1100
1100-1200
РК-20
(Р1)
1
Материал лпиэьг
объект 11 на
Флюорит (0,4—
9 мкм)
Кварц (0,4—4
мкн)
Основна Показая
тель
погрешвизиность. DC рования
+8
±8 +
10 ±15
+ 20
Быстродействий,
с
—
1/16
4
700-1500
700-ИЗО 11 (Ю1500
900—2000 9001100
1100—200
РК-16
(Р2)
Кварц
(0,4—4 мкм)
+•15
±20
1/20
РС-20
(РЗ)
Стекло К-8
(0,4—2.5 мкм)
±15
±20
1/20
1200-2500 12002000 2000-2200
2200 -2500
РС-25
(Р4)
Стекло К-8
(0,4—2,5 мкм)
+ 20
±25
±30
1/20
На рис. 11.6 показана конструкция телескопа ППТ-142. На кронштейне 5
установлены элементы оптической системы и приемник излучения 3. Зеркало 1
фокусирует излучение объекта на задней стороне приемника, а объектив 4
концентрирует излучение
Рис. 11-6. Конструкция
телескопа
пирометра
полного
излучения
ППТ-142
на передней стороне приемника. Этот объектив совместно с окуляром 6 образует
визирное устройство телескопа, служащее для наводки его на объект. Калибровочный
конус 2 выполняет те же функции, что и калибровочная диафрагма в линзовых
телескопах. Входное отверстие телескопа защищено лавсановой пленкой,
пропускающей ИК-излучение. Снаружи пленка закрыта жалюзи. Телескопы ППТ
работают в комплекте со вторичными измерительными преобразователями типа ПВ-0,
которые усиливают электрический сигнал приемника и преобразуют его в сигнал
ГСП-0-ЮОмВ и один из следующих 0—5 мА, 0—10 В, 4—20 мА. В зависимости от
типа преобразователя ПВ-0 производится также линеаризация сигнала, запоминание
максимального значения сигнала и индикация. В преобразователь ПВ-0 входит
устройство коррекции выходного сигнала в зависимости от коэффициента излучения
объекта измерения в диапазоне его значений 0,1—1,0.
Рнс. 11.7. Телескоп пирометра полного излучения ППТ-131
Телескопы ППТ-131 (рис. 11.7) и ППТ-142 имеют встроенную визирную систему:
ГШТ-121 наводится с помощью визирной трубки, входящей в состав монтажного
комплекта.
В табл. 11.2 приводятся основные технические характеристики пирометров
ППТ. Пирометра ППТ работают при температуре окружающего воздуха от 5 до 100°С
и относительной влажности от 30 до 80%. Инерционность не превышает 2с. Для этих
пирометров выпускается также комплект защитной и монтажной арматуры,
обеспечивающей крепление и нормальные условия эксплуатации на объекте.
§ 11.3. Пирометры частичного излучения
В пирометрической практике пирометрами частичного излучения обычно
называют пирометры, работающие в достаточно широкой области спектра. В таких
пирометрах используют, как правило, селективные приемники излучения без фильтра
(фотодиоды, фоторезисторы) или термоприемники с селективным широкополосным
светофильтром.
В Советском Союзе выпускаются и применяются стационарные пирометры
частичного излучения типа ФЭП-4, ФЭП-8, а также пирометры ПЧД (14
модификаций) и пирометры типа «Смот-рич-1» и «Смотрич-2». Разработаны
переносные пирометры «Смот-рич-4П» и «Смотрич-5П». В промышленности находят
применение пирометры частичного излучения, построенные по схеме прямого
преобразования, благодаря своей относительной простоте и надежности, с одной
стороны, и гибкости, с которой они позволяют видоизменять их характеристики
(прежде всего, рабочую спектральную область) в соответствии с особенностями того
или иного объекта измерения, с другой.
Такими являются отечественные пирометры ПЧД, в которых в качестве
приемника излучения
используются германиевые
и кремниевые фотодиоды.
Пирометр ПЧД включает телескоп (первичный преобразователь), вторичный
преобразователь ПВ-3 и, при необходимости, показывающий или самопишущий
прибор. Телескопы ПЧД разработаны в трех модификациях ПЧД -Н1, ПЧД-121 и
ПЧД-131 и конструктивно решены так же, как пирометры ППТ (единый нормальный
ряд конструктивов).
§ 11.4. Монохроматические пирометры
Пирометры полного и частичного излучения, которые мы рассматривали выше, —
это пирометры объективные. Первые в силу принципа действия, вторые — потому, что
используют в основном ИК-область спектра. Монохроматические пирометры, которые
получили распространение в наше время, — это и объективные и визуальные пирометры.
Визуальные пирометры известны очень давно. По-видимому, первым, кто
предложил принцип и устройство визуального пирометра с исчезающей нитью был
американец Е, Морзе, однако только пирометр, предложенный Хольборном и
Курльбаумом в 1901 г., был по-настоящему пригоден для измерения температуры.
Современные визуальные пирометры сохраняют все основные элементы этого
пирометра. Глаз человека позволяет достаточно точно и надежно измерить температуру
нагретого тела по яркости его свечения только при сравнении ее с яркостью какоголибо опорного излучателя, поэтому все визуальные пирометры-пирометры пенсационного
типа, где в качестве обратного преобразователя используется лампа с вольфрамовой
нитью.
Рис. 11.12. Оптическая схема монохроматического визуального
пирометра с исчезающей нитью
На рис.
11.12 приведена оптическая схема визуального монохроматического
пирометра с исчезающей нитью. Объектив 2 создает изображение объекта
измерения 1 в плоскости нити лампы-накаливания 4. Наблюдатель рассматривает
через окуляр 6' изображение нити лампочки на фоне изображения объекта через
селективный (красный) светофильтр 5. При этом, если яркость нити будет меньше,
чем яркость раскаленного фона, то нить будет представляться черной; наоборот,
если фон имеет меньшую, чем нить, яркость, то нить будет выглядеть как светлая линия
на темном фоне. Процесс измерения заключается в том, что наблюдатель, меняя ток
лампочки, добивается равенства яркостей. Равенство яркостей нити и фона создает
эффект исчезновения нити которая перестает быть видимой. Измерив при этом ток
накала лампочки, по ее градуировке определяют яркостную температуру объекта.
V.T
300
400
500
600
Рис. 11.13. Относительная спектральная чувствительность глаза
(V) а пропускание красного светофильтра (т)
Для монохроматизации излучения в таких пирометрах применяют в основном
стеклянные светофильтры, обладающие высокой временной стабильностью своих
характеристик пропускания.
Стеклянных фильтров с узкой полосой пропускания нет, поэтому выбирают
стекла с резкой границей пропускания вблизи края видимой области спектра
таким образом, чтобы сочетание пропускания фильтра
и
спектральной
чувствительности глаза позволяло выделять узкий участок спектра (см. рис. 11.13).
Обычно в пирометрах применяют красный фильтр, так как в красной области глаз
мало чувствителен к различию цветов, что весьма важно для уравновешивания или,
как
говорят,
фотометрирования. «Спектральный участок, выделяемый таким
фильтром, будет уже, чем, скажем, для зеленого или синего фильтра. Наконец
применение красного фильтра позволяет начать измерение с более низких
температур (600—900°С), так как у излучающего тела при низких температурах
большая дола энергии приходится на длинноволновый участок спектра, где у
красного фильтра значительно большее
пропускание.
В отечественных
пирометрах для таких фильтров используют стекло КС-15.
Отечественные и зарубежные пирометры некоторых типов используют
помимо красного еще и зеленый фильтр. Наличие двух светофильтров позволяет,
кроме измерения двух яркостных температур, определить цветовую температуру
объекта
измерения (см. гл.
10).
В некоторых современных визуальных
пирометрах стеклянные светофильтры заменены интерференционными. Пределы
измерения визуального пирометра с исчезающей нитью изменяют, вводя между
объективом пирометра 2 и пирометрической лампочкой 4 нейтральный
светофильтр 3 (иногда это насадка на объектив). При этом фотометрирование
состоит в сравнении неослабленной яркости нити с ослабленной в несколько
десятков раз яркостью объекта. Такой метод позволяет решить две задачи: вопервых, при измерениях любой температуры объекта не превышать яркостную
температуру нити
пирометрической лампочки, -равную 1400— 1500°С, выше
которой стабильность лампочки резко снижается и, во-вторых, расширить пределы
измерения пирометра, экстраполируя его шкалу за верхний предел градуировки
образцовых излучателей, предназначенных для градуировки таких приборов. Это
так называемые расчетные шкалы. Применяемые сегодня пирометры имеют
верхний предел измерения от 4000 до 10000°С (см. табл. 11.7). Связь между
яркостной температурой объекта Тя, т. е. температурой, соответствующей
действительной, неослабленной яркости объекта и редуцированной яркостной
температурой Т но, т. е. температурой, соответствующей ослабленной поглотителем
яркости объекта
(эту температуру непосредственно измеряют) определяется
выражением: 1/Т я— 1/Тяо = λln τ/c2, где
λ — эффективная длина
волны
пирометра; τ — коэффициент пропускания нейтрального поглотителя.
Величину λln τ/c2 называют обычно пирометрическим ослаблением и
обозначают символом А. Значение А поглощающего фильтра определяется
измерением Тя- и ТЯо - образцового излучателя (лампы) и расчетом по
вышеприведенной формуле. Для нейтральных поглотителей, удовлетворяющих так
называемому критерию Фуга (λlnτ = const), справедливо правило аддитивности, т. е.
пирометрическое ослабление составного поглотителя равно сумме пирометрических
ослаблений всех входящих в него поглотителей. В отечественных пирометрах в
качестве таких поглотителей применяются стекла марок НС-13 и ПС-2.
Электрические измерения в визуальных пирометрах осуществляют различными
способами.
Рис. 11.14. Электрическая схема
Рис. 11.15. Визуальный
пирометр
визуального переносного пирочгетра переносной
«Проминь»
«Пронины»
В лабораторных приборах измеряют ток пирометрической лампочки с помощью
образцовой катушки сопротивления и высокоточного потенциометра. В промышленных
переносных пирометрах потенциометр используют весьма редко, тогда зрительная труба
и измерительный прибор выполняются в виде двух раздельных блоков. Удобнее
оказывается конструкция, в которой эти элементы совмещены. При этом можно
использовать в качестве показывающего прибора амперметр, но тогда оцифрованные
отметки будут занимать только вторую половину шкалы. Если применить вольтметр,
измеряя напряжение на зажимах пирометрической лампочки (пирометр ОППИР-09),
то нерабочей окажется только треть шкалы, но существенным будет влияние
переходных сопротивлений. Для использования всей шкалы в некоторых конструкциях
применяют амперметры с подавленным нулем (пирометр ОППИР-017). Можно
измерять и электрическое сопротивление нити лампочки (лампочка включается в
мостовую схему), поскольку вольфрам обладает
значительным
температурным
коэффициентом
сопротивления. В отечественных пирометрах применяют, как
правило, уравновешенные мостовые схемы. Примером такого прибора может
служить переносный промышленный пирометр «Проминь» (рис. 11.14, рис.
11.15). Пирометрическая лампочка Л включена в одно из плеч одинарного
уравновешенного моста. Уравновешивание яркостей нити и объекта осуществляется
вращением фотометрического реостата Rф. Затем уравновешивается мостовая схема с
помощью измерительного реохорда Rизм, связанного со шкалой яркостных
температур. При фотометрировании движки R ф и Rизм связаны, при
уравновешивании моста они расцепляются и включается нуль-индикатор. Мостовая
схема питается от встроенной в рукоятку пирометра аккумуляторной батареи
(напряжение 6 В) . Прибор имеет три шкалы, при измерении температур выше
1400 °С вводится поглощающий фильтр. Масса прибора 1, 6 кг. Технические
характеристики пирометра приведены в табл. 11.7.
Г Л А В А 12
ПОВЕРКА ПИРОМЕТРОВ
Пирометры поверяют по излучению черного тела или температурных ламп, излучение
которых соответствует фиксированным температурным точкам. Существуют
следующие методы градуировки и поверки пирометров: непосредственного сличения,
сличения при помощи компаратора и прямых измерений .
§ 12.1. Аппаратура, используемая при градуировке и поверке
пирометров
Черные тела для градуировки пирометров, модели абсолютно черного тела. Под
моделью абсолютно черного тела понимается тепловой излучатель, являющийся
приближением к абсолютно черному телу, служащий для практического
воспроизведения излучения черного тела. Модели черного тела по форме излучающей
полости бывают цилиндрические, сферические, трубчатые, конические и
клиновидные.
Наиболее распространена цилиндрическая модель черного тела, излучающая
полость которой имеет форму цилиндра с одним концом для вывода излучения.
Температура
черного тела определяется техническими характеристиками
электрической нагревательной печи (рис. 12.1), внутрь которой монтируется излучающая
полость. Внутри графитовой трубы /, которая используется как нагреватель, установлен
ряд диафрагм 4. Диафрагмы имеют отверстия только со стороны визирования
излучающей полости 2 графитового цилиндра 3. Отверстия, через которые производится
визирование источника излучения, должны быть достаточно малы по сравнению с
длиной излучающей полости, чтобы излучение внутри ее многократно отражалось от
стенок. Отношение длины трубы к диаметру должно удовлетворять условию ljd>3, где
/ — длина участка от задней стенки излучающей полости до точки на оси печи с
перепадом температур не более ±5% температуры задней стенки; d — диаметр
отверстия излучающей полости. Излучение задней стенки излучающей полости 2,
Рис. 12.1. Схема устройства электропечи «Черное тело»
приближается к излучению абсолютно черного тела. Коэффициент черноты
излучателя рассчитывают по геометрическим размерам и коэффициенту отражения
.материала внутренней полости (графита).
Температуру
модели
черного
тела
регулируют
и
контролируют
термоэлектрическими образцовыми термометрами, чувствительный элемент которых
расположен в зоне излучающей полости, или образцовыми пирометрами.
Моделью черного тела в диапазоне температур от 400 до 1300 К служит
нагревательная печь, состоящая из двух коаксиальных керамических труб с обмоткой из
нихрома и теплоизолирующей засыпкой между ними. Обмотка наружной трубы имеет
самостоятельные секции, что обеспечивает во внутренней трубе постоянную
температуру в пределах 0,5 К на протяжении 40—50 мм. Во внутреннюю трубу
помещается модель цилиндрической формы из никеля. Эффективный коэффициент
излучения модели по расчету соответствует 0,997. Корпус нагревательных печей часто
охлаждается водой, пропускаемой через токоподводы. Например, для реализации
модели
черного тела, служащего для получения излучения при температуре
затвердевания золота применяется горизонтальная
двухобмоточная
печь,
равномерность температурного поля в которой составляет 1 К, на длине 100 мм. Тигель с
золотом устанавливается в зоне печи (изготовленной из графита) с наи меньшим
градиентом температур. Модель черного тела для реализации температур в диапазоне
2500—3000 К может представлять собой цилиндрическую полость с конусным дном,
выполненную из молибдена. Для уменьшения окисления и испарения молибдена
полость заполняемся очищенным и подогретым аргоном. Нагрев осуществляется от
нагревателя в виде змеевика из графита. Модель имеет эффективный коэффициент
излучения, равный 0,9991.
Температурная
лампа.
Лампа
накаливания
(рис.
12.2),
тело
накала
которой
выполнено
в
виде
ленты,
предназначенная
для
воспроизведения
и
передачи температурной шкалы по излучению, называется
температурой. Лампа состоит из стеклянного, чаще всего, цилиндрического баллона 1 с круглым плоским смотровым окном 2, расположенным напротив
вольфрамовой
ленты 4. Лента имеет п-образную форму и приварена к
молибденовым держателям 5, электрически соединенным с цоколем
лампы. У
широко применяемой лампы типа ТРВП00—2350 (СИЮ—300) общая длина ленты
около 40 мм, ширина 2,8 мм, толщина 40 мкм. Рабочий участок ленты (место
визирования) отмечен специальным указателем (индексом) 3. Индекс выполнен в
виде тонкой г-образной
проволоки
и приварен к одному из держателей. Для
температур до 1800 К целесообразнее использовать вакуумные лампы, а для более
высоких температур — лампы, наполненные инертными газами.
Максимум температуры на рабочем участке ленты газонаполненных ламп
выше середины из-за влияния температурного поля газа. Поэтому место визирования
и индекс у этих ламп расположены выше середины ленты. Для газонаполненных
ламп из-за влияния конвективных потоков газа наличие заметной зависимости
яркостной (цветовой) температуры ленты от угла, под которым она визируется,
требует строго и однозначно задавать направление визирования. Для этого на задней
стороне баллона температурной лампы нанесена котировочная метка (чаще всего в
видекреста).
Питание температурных ламп осуществляется от стабилизаторов типа МТКС-35,
СНП-40,СИП-35илилюбыхдругих,имеющиханалогичныехарактеристики.
Рис. 12. 2 Температурная лампа
Излучательные характеристики вольфрама в отличие от излучения абсолютно черным
телом коррелируются специальным светофильтром ПС-5, выполненным из стекла толщиной
5 мм. Для удобства сравнения яркостей рядом со стеклом ПС-5 иногда монтируют линзу,
увеличивающую визируемый участок в процессе излучения. Излучение лампы со стеклом
ПС-5 и излучение черного тела при той же температуре имеют одинаковые функции распределения энергии по спектру в интервале видимого спектра, используемого в
монохроматических пирометрах.
При работе с температурной лампой для уменьшения погрешности воспроизведения
яркостных (цветовых) температур необходимо делать выдержку времени, указанную в
стандарте на поверку, после установления нового значения тока в лампе. Лампы
изготавливают в соответствии с ГОСТ 14008 —82, СТ СЭВ 1061—78 для видимой части
спектра, инфракрасной и ультрафиолетовой.
Температурные лампы — основной тип образцового прибора для оптической
пирометрии. Каждая температурная лампа градуируется индивидуально в соответствии с
требованиями ГОСТ 8.155—75 и на каждую выдается свидетельство. В свидетельстве
указывают зависимость силы тока, протекающего через ленту, от яркостной (цветовой)
температуры.
§ 12.2. Поверка монохроматических пирометров
Пирометры монохроматические с исчезающей нитью накала образцовые 1 и 2-го
разрядов и рабочие прецизионные поверяют по ГОСТ 8.212—77, пирометры визуальные с
исчезающей нитью общепромышленные —по ГОСТ 8.130—74 и ГОСТ 8335—81.
При проведении поверки общепромышленных визуальных пирометров с исчезающей
нитью выполняют следующие операции: внешний осмотр; проверку уравновешенной
подвижной системы встроенного измерительного прибора; правильности перемещения
реохорда реостата; перемещения объектива и окуляра вдоль оптической оси пирометра;
определение основной погрешности и среднего квадратического значения случайной
составляющей основной погрешности.
Основную погрешность и среднее квадратическое отклонение случайной
составляющей основной погрешности определяют методом прямого измерения
температуры образцовой температурной лампы на установке УПО-6М2 или подобной ей.
Установка УПО-6М2 смонтирована в виде стола, в средней части которого
находится оптическая скамья с температурной лампой (иногда со стеклом ПС-5). Лампа
укреплена в коретке, имеющей регулировочные винты поворота, наклона и поперечного
перемещения.
Объектив и держатель поверяемого пирометра крепится на общей стойке, на которой
их можно наклонять, перемещать в продольном
и
поперечном
направлениях и
87
поворачивать. На столе размещены потенциометр Р363-3, нормальный элемент и измерительная катушка сопротивления.
Полупроводниковый
стабилизатор напряжения СНП-40, расположенный на
специальной тележке, служит для питания образцовой температурной лампы и
регулировки ее тока. Пределы непосредственной поверки пирометров по образцовому
излучателю 1100—2300 К. Ток температурной лампы изменяется в пределах 6—35 А.
Электрическая схема установки представлена на рис. 12.3. Измерительный прибор 1,
температурная лампа 2, катушка 3, источник питания 6 и реостат 5
включены
последовательно. Падение напряжения
на
катушке сопротивления измеряется
образцовым потенциометром 4. Образцовая температурная лампа, имеющая свидетельство включается последовательно с измерительной катушкой сопротивления R = 0,001
Ом. Образцовый потенциометр измеряет падение напряжения на катушке с R = 0,001 Ом,
благодаря чему его показания соответствуют току температурной лампы. Основную
погрешность и случайную составляющую основной погрешности пирометров для шкал в
диапазоне температур от 1100 до 2300 К определяют по образцовой температурной лампе;
основную погрешность пирометров в интервале температур от 2300 до 6000 К определяют
расчетным
методом
на
основании
экспериментально
найденного
значения
пирометрического ослабления А соответствующего светофильтра.
Рис.
12.3.
Электрическая
схема
установки для поверки
монохроматических
пирометров
При определении основной погрешности в цепи образцовой температурной лампы
медленно увеличивают силу тока до значения, соответствующего первой температуре, при
которой проводится поверка. Корректируют значение силы тока после 30 мин выдержки и
вносят в протокол. Реостатом пирометра пять раз уравнивают яркость нити
пирометрической лампы с яркостью ленты температурной лампы, и при этом каждый раз
отсчитывают показания по шкале измерительного прибора пирометра. В пирометрах, у
которых нет встроенного измерительного прибора (ЭОП ЛОП-72 и других), отсчет ведется
по прибору, включенному в цепь пирометрической лампы. Нить пирометрической лампы
между отсчетами обязательно попеременно делают ярче и темнее ленты температурной
лампы. Поверку шкалы пирометра производят по всем числовым отметкам шкалы. Для
каждой поверяемой температуры вычисляют среднее арифметическое отсчетов tср.
Основную погрешность определяют по формуле
∆t = tср – t,
(12. 1)
где tср — среднее арифметическое значение пяти отсчетов; t — значение температуры,
установленной на образцовой температурной лампе.
Значение основной погрешности сравнивают с требованиями ГОСТ 8335—81. Для
яркостных температур в интервале 900— 1400 ЛС среднее квадратическое значение
случайной составляющей основной погрешности вычисляют по формуле
6
0,05
R5
i 1
(12.2)
i
где Ri — разности между максимальными и минимальными показателями пирометра для пяти
измерений, проведенных при постоянных температурах 900; 1000; 1100; 1200; 1300 и
1400°С (i = = 1—5). Для пирометров, имеющих шкалу с верхним пределом измерения выше
88
2000 °С по данным шкалы для нижнего предела измерения, составляют график зависимости
поправок от температуры.
При определении основной погрешности пирометров с диапазоном измеряемых
температур or 2000 до 6000сС рассчичывают значение пирометрического ослабления А.
Для светофильтров, расширяющих шкалу до 3200°С, пирометрическое ослабление А
определяют для температур 1800, 1900 и 2000 °С; для светофильтров, расширяющих
шкалу до 6000 °С,— при температурах 2100 и 2200 °С.
Пирометрическое ослабление определяют по формуле
A
1
t исп
273 ,15
1
t
273 ,15
,
(12.3)
где tисп —показание пирометра по основной шкале с учетом поправки, найденной по графику,
при введенном соответствующем светофильтре; t — температура образцовой температурной
лампы. Измерения А проводят при всех температурах, соответствующих пределу шкалы, и
сравнивают с допускаемым значением, указанным в ГОСТ 8.130—74. В соответствии с
найденным значением А для каждой поверяемой точки высокотемпературной шкалы пирометра, кратной 100°С, определяют значение кажущейся яркостной температуры по
основной шкале. К полученным значениям температур по основной шкале прибавляют
значение поправок. С помощью реостата пирометра устанавливают указатель прибора на
значение tисп по основной шкале пирометра, а по высокотемпературной шкале отсчитывают
показания пирометра t n . Затем определяют основную погрешность для всех числовых
отметок шкалы пирометра и полученные данные сравнивают с допускаемыми значениями.
Пирометры, не имеющие основной шкалы, перед определением пирометрического
ослабления А градуируют при выведенных поглотителях в интервале температур 800—1400 СС,
для чего последовательно с пирометрической лампой включают измерительную катушку
сопротивления и потенциометром измеряют падение напряжения на ней. Вычисляют силу тока
и составляют график зависимости силы тока в пирометрической лампе от температуры,
который при дальнейшей поверке заменяет шкалу. Измерение и поверку далее проводят по
вышеприведенной методике.
§ 12.3. Поверка преобразователей (телескопов) пирометров полного и
частичного излучения
Рабочие преобразователи пирометров полного излучения поверяют по ГОСТ 8.330—
78 методом сличения их показаний с показаниями образцовых термопреобразователей 3-го
разряда, которые в спою очередь поверяют по ГОСТ 8.238—77. Образцовый и поверяемые
преобразователи должны иметь однотипную систему, обеспечивающую одинаковые
закономерности пропускания длин волн. При поверке преобразователей осуществляют
такие операции поверки, как внешний осмотр и определение основной погрешности.
Для поверки преобразователей пирометров полного излучения с диапазоном
рабочих температур 20—600°С применяют установку УНТ-74А, а для диапазонов 600—
2000 3 С — установку типа УРПТ-2, либо установку УРПД-3.
Установка УНТ-74А выполнена в виде стола, на котором расположены механизм
держателей пирометров, потенциометр Р363-3 и автотрансформаторы для грубой и топкой
регулировки тока в излучателе. Излучатель выполнен на штативе без жесткого крепления к
установке. Минимальное расстояние от пирометра до излучателя 0,02 м. Показания
поверяемого преобразователя пирометра сличаются с показаниями образцового при
визировании телоскопов на излучатель. Показатель визирования поверяемых телескопов от
1/100 до 1/5.
Установка УРПТ-2 предназначена для поверки преобразователей пирометров
полного излучения с показателем визирования не более 1/20. Установка выполнена в виде
стойки, на столе которой расположены механизм держателей преобразователей пиромет89
ров и узел излучателя. Слева установлен потенциометр Р363. Излучателем служит
температурная лампа ТРУ1100-2350. В тумбе стола размещен стабилизированный
источник постоянного тока СИП-35. Узел излучателя выполнен в виде металлической
коробки с отверстием, в котором может перемешаться короткофокусный светосильный
конденсор, состоящий из двух плосковыпуклых линз. Перед конденсором, почти вплотную к
нему, попеременно устанавливают образцовый и поверяемый преобразователи. Устройство
крепления преобразователей состоит из двух держателей, размещенных на подвижной
каретке, которая перемещается в направлении, перпендикулярном к оптической оси, до
совмещения попеременно оси каждого преобразователя с оптической осью установки. Это
совмещение контролируется фиксатором.
Методика поверки преобразователей па установках УНТ-74А и УРПТ-2
одинакова.
Методика определения основной погрешности сводится к следующему: температуру
излучателя регулируют так, чтобы ТЭДС образцового преобразователя отличалась от
указанной в свидетельстве для первой поверяемой температуры, соответствующей указанной
в ГОСТ 8.330 – 78, не более чем на 5 К, а скорость изменения температуры не превышала 1
К/мин. Образцовый и поверяемый преобразователи повременно наводят на излучатель и
измеряют ТЭДС каждого из них. За результат принимают среднее арифметическое
значение трех измерений. Значения ТЭДС для каждой поверяемой температуры
определяют по формуле
Епов(t) = Еобр(t) + (Епов. ср – Еобр. ср)
(12.4)
где Еобр — значение ТЭДС образцового телескопа для температуры t, указанное в его
свидетельстве; Епов. ср, Еобрю ср—среднее арифметическое значение трех измерений ТЭДС .
Рис. 12.4. Схема устройства установки УРПД-3
Основную погрешность преобразователя вычисляют по формуле
t пов
Е пов (t )
Е ст (t )
Е ст () / t
(12.5)
где Eпов(t) —значение ТЭДС, определенное по формуле (12.4); Ест(t) —значение ТЭДС по
ГОСТ 10627—71 или по НТД на преобразователь; ∆ECT(t)/∆t—-производная, взятая по
температуре. Основная погрешность ∆tпов не должна превышать значений, приведенных в ГОСТ
6923—81 или НТД на телескоп конкретного типа.
Для поверки преобразователей пирометров полного излучения с диапазоном
излучения от 600 °С и выше с показателем визирования 1/20 и более применяется
установка типа УРПД-3, в которой поверяемый и образцовый преобразователи
расположены по обе стороны излучателя. Поверку проводят методом компаратора, т. е.
ТЭДС поверяемого преобразователя сравнивается с ТЭДС не образцового, а
вспомогательного преобразователя того же типа, проградуированного предварительно по
образцовому преобразователю, на место которого устанавливается поверяемый.
90
Установка УРПД-3 (рис. 12.4) включает блок излучателя, держатели
преобразователей 2 и блок управления 3. ТЭДС измеряется потенциометром. Блок
излучателя
представляет собой кинопроектную лампу 5 с двумя конденсорами 4 и
вентилятором 6. Конденсоры фокусируют излучение в направлении держателей,
расположенных по обе стороны от излучателя.
Поверку производят в следующей последовательности. Образцовый преобразователь
7 закрепляют в одном держателе, а вспомогательный / — в другом, где в процессе всей
поверки он находится неизменно. Устанавливают температуру излучателя по образцовому
преобразователю (она не должна отличаться более чем на 5 К от температуры,
требуемой для поверки по нормативным данным). Измеряют ТЭДС образцового
преобразователя и разность ∆E(t) =Евсп — Ео5р без изменения ЕВСп.
Среднее арифметическое значение ∆E(t)cp определяют при каждой поверяемой
температуре при ее повышении и понижении. Вычисляют значение ТЭДС вспомогательного
телескопа по формуле
Евсп(t) = Еобр(t) + ∆E(t)cp
(12.6)
Образцовый преобразователь заменяют поверяемым и сличают показания поверяемого и
вспомогательного преобразователя, аналогично описанному и определяют ТЭДС
поверяемого преобразователя по формуле
Епов(t) = Евсп(t) + ∆E(t)пов.cp
(12.7)
где ∆E(t)пов.cp —среднее арифметическое значение разности ТЭДС вспомогательного и
поверяемого преобразователя. Далее определяют основную погрешность по формуле (12.5) и
делают соответствующие выводы.
Пирометры частичного излучения (ПЧД) поверяют методом сличения с
однотипными образцовыми преобразователями 3-го разряда на установках, применяемых
для поверки пирометров полного излучения.
§ 12.4. Поверка пирометров спектрального отношения
Пирометры спектрального отношения поверяют методом прямого измерения по
образцовой температурной лампе или образцовому излучателю черное тело. По
образцовым температурным лампам поверяют пирометры, работающие в видимой и
ближней инфракрасной области спектра. По образцовому излучателю черное тело —
пирометры, работающие в области более 2 мкм.
При поверке пирометров спектрального отношения по МИ 149—78 выполняют
внешний осмотр, определяют основную погрешность и стабильность градуировочных
характеристик.
За основную погрешность пирометра спектрального отношения принимают разность
между цветовой температурой, измеренной поверяемым пирометром, и цветовой
температурой, установленной по данным градуировки образцовой температурной лампы,
указанных в свидетельстве. Вместо температурной лампы используют модель черного
тела, температуру которого определяют поданным градуировки образцового
термоэлектрического преобразователя или образцового оптического пирометра.
Для определения основной погрешности пирометра по образцовой температурной
лампе в ней устанавливают ток, соответствующий нижнему пределу измерения поверяемого
пирометра. Поверяемый пирометр фокусируют на рабочий участок ленты образцовой лампы.
Измеряют ток образцовой лампы, который должен совпадать с указанным в свидетельстве
на образцовую лампу в пределах ±0,001 А.
Поле зрения пирометра перекрывают непрозрачным экраном. Затем его убирают и
снимают показания пирометра. Операцию проводят три раза и вновь измеряют ток в
образцовой температурной лампе.
91
Вычисляют среднее арифметическое значение тока в образцовой температурной
лампе Iср и среднее арифметическое показаний пирометра tn.
Описанные измерения проводятся для температур, соответствующим целым сотням
градусов от нижнего до верхнего предела поверяемого пирометра, при повышении и
понижении температуры лампы.
Основная погрешность пирометра
∆t = tп – tл,
(12. 8)
где tп—среднее арифметическое значение температуры поверяемого пирометра; tл —
среднее арифметическое значение температуры образцовой температурной лампы при
повышении и понижении ее температуры. Полученный результат сравнивают с допускаемым значением основной погрешности пирометра и при отклонении значений в одной
точке поверку осуществляют при той же температуре повторно.
Пирометр бракуют, если при повторной поверке основная погрешность превышает
допускаемое значение.
Поверку по излучателю модели черного тела проводят аналогично в соответствии с
техническими требованиями по эксплуатации излучателя .
92
93
94
95
96
97
98
Зависимость термоэлектродвижущей силы от температуры.
В термоэлектрическом методе измерения температуры используется температурная
зависимость термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей в цепи, составленной из
разнородных проводников. Источниками термоЭДС в такой цепи являются:
а) термоЭДС Томсона, образующаяся на концах однородного проводника, находящихся
при разных температурах Т1 и Т2. Ее значение для данного проводника А определяется
соотношением
T2
E A (T1 , T2 )
A (T ) dT ,
T1
где σА(Т) – коэффициент Томсона для данного проводника, который обычно находят
экспериментально.
Возникновение этой темоЭДС можно объяснить тем, что средняя энергия свободных
электронов, различная в разных проводниках, возрастает с
температурой. Если вдоль
проводника имеется перепад температур, то электроны на горячем конце приобретают более
высокие энергии т скорости, чем на холодном. В результате возникает поток электронов от
горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на
горячем – положительный. Этот процесс создает одну (объемную) составляющую термоЭДС.
Важной характеристикой этого процесса является величина
T
A dT
A
0
T
,
называемая абсолютной темоЭДС проводника.
б) Температурная зависимость контактной разности потенциалов ЕАВ(Т1), возникающей
при переходе от проводника А к проводнику В (рис. 1) в точке их соединения с температурой
Т1, и ЕВА(Т2) при переходе от проводника В к проводнику А в точке с температурой Т 2.
Вследствие температурной зависимости контактной разности потенциалов Е АВ(Т1) ≠ ЕВА(Т2), а
значит суммарная термоЭДС в цепи равна
ЕАВ(Т1, Т2) = ЕА(Т1, Т2) – ЕВ(Т1, Т2) + ЕАВ(Т1) – ЕАВ(Т2).
(1)
Вклад контактной составляющей термоЭДС, называемой ЭДС Зеебека, может быть
сравним или даже быть больше объемной термоЭДС и, как правило, противоположен
последней по знаку. Появление этой составляющей связано с различной концентрацией
свободных электронов в местах контактирования проводников.
99
Существует еще одна составляющая термоЭДС – эффект увлечения электронов
фотонами. Если в твердом теле существует градиент температуры, то число фотонов,
движущихся от горячего конца к холодному, будет больше, чем в обратном направлении. При
своем направленном движении фотоны в результате столкновений с электронами будут
увлекать их за собой и на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (а
на горячем - положительный). Возникшая разность потенциалов и представляет собой
дополнительный источник термоЭДС.
Две
первые
составляющие
обуславливают
диффузионную
термоЭДС,
которая
доминирует в чистых металлах при температурах T > ΘD (ΘD – температура Дебая). Во многих
сплавах диффузионная термоЭДС αдиф является основным механизмом термоэлектричества при
всех температурах.
При низких температурах у чистых металлов наблюдается сильное отклонение
зависимости α(Т) от линейной из-за влияния термоЭДС фононного увлечения αфон.
Для измерения термоЭДС, развиваемой термопарой, к ее свободным концам
подключают измерительный прибор. Это значит, что в цепь термопары вводят третий
проводник С, по своим физическим свойствам отличающийся (в общем случае) от каждого из
термоэлектродов. В этом случае суммарная термоЭДС в замкнутой цепи, состоящей уже из
трех последовательно соединенных разнородных проводников А, В и С (рис. 3б) будет по
аналогии с (1) иметь вид:
ЕАВС(Т1, Т2) = ЕА(Т1, Т2) – ЕВ(Т2, Т1) – ЕС(Т2, Т2) + ЕАВ(Т1) – ЕВС(Т2) – ЕСА(Т2). (2)
Если концы однородного проводника имеют одинаковую температуру, то объемная термоЭДС
не возникает и, следовательно,
ЕС(Т2, Т2) = 0.
(3)
По смыслу контактной разности потенциалов имеет
ЕВС(Т2) = ϕв(Т2) – ϕс(Т2),
ЕСА = ϕс(Т2) – ϕА(Т2),
где ϕА, ϕВ, ϕС – потенциалы на концах термоэлектродов А, В, С с температурой Т2.
Из (4) следует
ЕВС(Т2) + ЕСА(Т2) = ϕВ(Т2) – ϕА(Т2) = ЕВА(Т2)
и выражение (2) становится идентичным (1).
100
(4)
Следовательно, наличие в цепи термопары третьего проводника не вызывает искажений
ее термоЭДС, если значения температуры его концов одинаковы. В противном случае условия
(3) и (4) нарушаются и появляется дополнительная (паразитная) термоЭДС. Отсюда следует
практически важный вывод, что если на зажимах прибора, к которым подключена термопара,
обеспечивается равенство температур, то измерительный прибор не будет вносить искажений в
измерительную величину термоЭДС термопары.
Далее, электрический контакт между термоэлектродами термопары (спай термопары)
можно осуществлять не только сваркой концов термоэлектродов, но и их пайкой. Возникающая
при этом между термоэлектродами прослойка третьего металла (припоя) не вызовет искажений
термоЭДС, если температуры на границах припоя с термоэлектродами практически одинаковы.
Еще один важный вывод. Однородность свойств термоэлектродов термопары должна
быть такой, чтобы к ним нельзя было применить модель ―третьего термоэлектрода‖, который в
случае неоднородного температурного поля вдоль термоэлектродов вносил бы искажения в
суммарную термоЭДС.
С учетом этих обстоятельств можно утверждать, что термоЭДС термопары зависит
только от термоэлектрических свойств термоэлектродов и от температур измерительного спая и
свободных концов. Для однородных термоэлектродов эта термоЭДС не зависит от характера
распределения температуры вдоль них, а также от их длины, площади поперечного сечения,
электросопротивления и т. д.
Это позволяет широко использовать термопары в качестве чувствительных элементов
термоэлектрических
преобразователей
температуры.
Физические
свойства
наиболее
распространенных термоэлектродных материалов приведены в таблице, а температурные
зависимости
термоЭДС
часто
используемых
изображены на рис. 4.
101
термоэлектрических
преобразователей
ТЕПЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Введение
Все тела в природе твердые, жидкие и газообразные имеют собственную
температуру, которая изменяется в пространстве и во времени. Эти изменения
связаны с процессами теплообмена между телами, интенсивность и направление
которого определяется важнейшей физической величиной тепловым потоком.
Существуют три вида теплообмена: кондуктивный, конвективный и
радиационный. Интенсивность теплового потока при этом определяется не только
разностью температур тел, находящихся в процессе теплообмена, но и их
свойствами (теплопроводностью, коэффициентами теплового излучения), а также
физической величиной, отражающей особенности контактного взаимодействия
тел, находящихся в разных агрегатных состояниях (коэффициентом теплоотдачи).
Таким образом основными параметрами, характеризующими теплообмен,
являются тепловой поток, температура, теплопроводность, коэффициент
теплоотдачи и коэффициенты теплового излучения.
Наиболее достоверную информацию о теплофизических свойствах веществ
и параметрах, характеризующих процессы теплообмена, получают на основе
измерений. Наиболее значительный вклад вклад в теоретическое обоснование и
создание методов и средств получения такой информации внесли отечественные
ученые Кондратьев Г.М., Чудновский А.Ф., Буравой С.Е., Гордов А.Н., Дульнев
Г.Н., Курепин В.В., Олейник Б.Н., Платунов Е.С., Походун А.И., Сергеев О.А.,
Ярышев А.Н. (Ленинградская школа теплофизических измерений); Попов М.М.,
Кириллин В.А, Шейндлин А.Е., Жоров Г.А., Пелецкий В.Э., Петров В.А., Свет
Д.Я., Соколов В.А., Улыбин С.А., Филиппов Л.П., Хрусталев Б.А. Чеховской В.Я.
(Московская школа); Кутателадзе С.С., Стрелков П.Г., Груздев В.А., Крафтмахер
Я.А., Пауков И.Е., Рубцов Б.А. (Новосибирская школа); Геращенко О.А.,
Грищенко Т.Г., Назаренко Л.А. (Украинская школа); Гомельский К.З., Зиновьев
Е.Е., Ивлиев А.Д. (Уральская школа); Чашкин Ю.Р. (Хабаровская школа), а также
зарубежные ученые д-р Ковач Т. (Венгрия), проф. Лин-Шан-Кан (Китай), д-р
Штук Д. (Германия), д-р Хакимов О.Ш. (Узбекистан), проф. Квин Т. (Англия), д-р
Дюриш С. (Словакия).
Безусловно, что наряду с развитием теплофизического приборостроения,
для получения достоверной и точной измерительной информации необходимо
наличие технической и нормативной базы метрологического обеспечения
тепловых измерений.
Развитие в СССР науки и технологий в послевоенные годы стимулировало
развитие метрологии теплофизических измерений, прежде всего, для нужд
оборонных отраслей промышленности. Совершенствовались поверочные схемы
для средств измерений температуры (расширение диапазона и повышение
точности), были созданы поверочные схемы для средств измерений количества
теплоты, теплоемкости, теплопроводности, температурного коэффициента
линейного расширения твердых тел.
102
Обострившиеся в последние десятилетия мировые энергетические
проблемы, а также переход России к рыночным условиям хозяйствования
сместили акценты направленности теплофизических измерений, главным
образом, в теплоэнергетику и теплосбережение. На первый план вышли задачи
учета тепла, требующие прежде всего точных измерений теплового потока и
количества теплоты в системах теплоснабжения. В свою очередь решение этих
задач приводит к необходимости поиска эффективных путей теплосбережения,
основанных на измерениях и на последующем сокращении тепловых потерь через
ограждающие конструкции зданий и сооружений. Поэтому все более
необходимыми и важными из тепловых величин становятся измерения
параметров теплообмена, а также измерения эксплуатационных параметров
теплоносителя, таких как его температура, расход, теплоемкость (энтальпия),
тепловой поток, создаваемый теплоносителем, и выделившееся в системе
отопления количество теплоты. Измерения этих параметров определяют качество
учетных операций при взаиморасчетах между поставщиками и потребителями
тепла и являются технической основой энергосбережения, а, следовательно, в
соответствии с законами РФ «Об обеспечении единства измерений» и «Об
энергосбережении» такие измерения подлежат обязательному государственному
метрологическому контролю и надзору и требуют наличия
не только
необходимого и достаточного, но и, желательно, опережающего уровня
метрологического обеспечения.
Однако в настоящее время такой уровень не достигнут. Отсутствуют
государственные эталоны и соответствующие поверочные схемы для средств
измерений теплового потока и количества теплоты в системах теплоснабжения,
для средств измерений коэффициентов теплового излучения, для средств
измерений теплоемкости теплоносителей и их расхода в диапазоне рабочих
температур. Требуют совершенствования эталоны и государственные поверочные
схемы для средств измерений теплопроводности и поверхностной плотности
теплового потока с целью расширения диапазона измерений и уменьшения
погрешностей. Необходимо также совершенствование средств передачи размера
единиц и методик выполнения измерений температуры поверхности,
поверхностной плотности теплового потока, коэффициента теплоотдачи и
температуры теплоносителей. Поэтому перед отечественной метрологией стоит
проблема поэтапного решения задач создания и совершенствования методов и
средств обеспечения единства измерений основных параметров теплообмена и
теплоносителей.
1. Модель объекта теплопотребления. Взаимосвязь параметров теплообмена
с параметрами теплоносителей
ТО
Главная задача теплоснабжения – это обеспечение нормальной температуры
внутри объекта (в помещении), окруженного ограждающими конструкциями
103
(стенами). Выделяемый системой теплоснабжения тепловой поток
Р
распределяется на тепловые утечки (тепловые потоки Q1…Q6) через стены в
окружающую среду, температура которой ТС (рисунок 1).
Значение ТО установившейся в помещении температуры определяется из
баланса тепловых потоков
Р = Q1 + Q2 +… Q6 ,
(1)
Тепловые утечки зависят от значений эффективных коэффициентов
теплоотдачи на внутренней ( 01… 06) и внешней поверхностях стен, их
теплопроводности ( i … 6), площади (F1…F6) и толщины (d1…d6) (рисунок 2).
Эта зависимость имеет вид 1
Qi = ki (ТО - ТС) Fi,
где
ki
1
1
d
i
1
oi
i
ci
,
(2)
коэффициент теплопередачи i- ой стены.
Для
уменьшения
тепловых
утечек
используют
эффективные
теплоизоляторы с низкими значениями
i. Измерения тепловых потоков Qi,
характеризующих утечки тепла, осуществляют прямым методом с помощью
контактных преобразователей теплового потока (ПТП) или косвенным методом –
путем расчета Qi по измеренным значениям температур ТОi и ТСi ,
Q2
Q3
Q4
ТО
Q1
Р
ТГ
Q6
Q5
G
ТХ
Рисунок 1
Тепловая модель объекта теплопотребления
104
Fi
Qi
ТОi
ТО
ТСi
Оi
Сi
Оi
Сi
di,
ТС
i
Рисунок 2 К определению теплового потока через ограждающую
конструкцию
соответственно, на внутренней и внешней поверхностях стен, а также на основе
данных i по их теплопроводности. Расчет ведут по формуле
Qi =
i
(ТОi - ТСi) / di .
(3)
Использование соотношения (2) для расчета Qi
затруднено из-за
неопределенности эффективных значений Оi и Сi , которые зависят от
совокупности свойств (геометрических, излучательных) поверхности стен и
свойств окружающей их воздушной среды (температура, давление, влажность,
скорость движения, плотность).
Важно отметить, что даже в диапазоне сравнительно низких климатических
температур значительный вклад в эффективные коэффициенты теплоотдачи,
наряду с конвективными, вносит радиационная составляющая теплообмена,
которая зависит от коэффициентов теплового излучения оi и сi . Значения этих
коэффициентов также зависят от многих факторов (геометрических, физикохимических), но являются неотъемлемой характеристикой конкретной
излучающей поверхности. Поэтому знание излучательных свойств поверхностей
очень важно при исследованиях процессов теплообмена, а также при изучении
температурных полей теплоэнергетических объектов.
В приведенной модели отчетливо проявляется действие всех трех основных
составляющих теплообмена, существующего между телами
и средами,
имеющими разную температуру:
кондуктивная (закон Фурье)
Qi
(4)
i (Toi T ci ) Fi / d i ,
конвективная (закон Ньютона)
Qо i
Q ci
оi (To
ci (T
ci
T
oi
)F ,
i
T )F .
c i
радиационная (закон Стефана-Больцмана)
105
(5)
4
oi (To
Q oi
4
ci (T ci
Q ci
T 4 )F ,
oi i
(6)
T 4 )F .
c
i
Здесь
постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67 Вт/(м2·К4);
Qi , Qi , Qi кондуктивный, конвективный и радиационный тепловые потоки.
В стационарном тепловом режиме выполняется важное условие
Р
6
6
i 1
Qi
i 1
6
Q oi
i 1
Q ci
.
(7)
Поскольку в (5) вписаны эффективные значения Оi и Сi, учитывающие
конвективную и радиационную составляющие теплообмена, то следовательно
oi (To
T )
oi
oi
(T 4
o
~ (T
ci ci
T )
c
ci
(T 4
ci
~
Qо i
Qci
T 4 ) Fi ,
oi
(8)
T 4 ) Fi ,
c
~
где
и ~ci
коэффициенты только конвективной составляющей
oi
теплоотдачи.
Таким образом рассмотрение в общем виде модели объекта
теплопотребления показывает, что она может быть описана полями тепловых
потоков (Р, Qi) и полями температур (ТО , Тс , Тоi , Тсi). Связь полей тепловых
потоков и полей температур, которые являются главными физическим
величинами, определяющими процессы теплообмена, осуществляется через
другие физические величины: коэффициенты теплоотдачи
( Оi, сi),
теплопроводность ( i) и коэффициенты теплового излучения ( оi, ci).
Уменьшение значений этих величин приводит к снижению тепловых потерь
(потоков) через ограждающие конструкции зданий и сооружений и,
следовательно, решает главную задачу теплоснабжения при меньших значениях
теплового потока Р, выделяемого системой отопления.
Тепловой поток Р, создаваемый водяными системами теплоснабжения, как
известно 2 , зависит от значений расхода G теплоносителя и понижения его
температуры ТГХ после прохождения по объекту, то есть разности температур в
подающем ТГ и отводящем ТХ трубопроводах
Р = КS G ТГХ ,
(9)
где КS – коэффициент, учитывающий калорические свойства теплоносителя (для
воды его часто называют коэффициент Штука) и зависящий от давления и
температуры теплоносителя.
С учетом этого общее уравнение баланса тепловых потоков в объекте
теплопотребления с водяной системой теплоснабжения имеет вид
n
K G T
S
ГХ
n
Q
i
1
i
n
Q
i
1
oi
106
Q
i
1
ci
,
(10)
где n – количество зон контроля тепловых потоков (потерь) на поверхности
объекта.
Температура помещения, как следует из (2), (10), определяется
соотношением 3
To
T
P
c
n
i
1
T
c
K G T
S
ГХ
d
1
1
i
n
k F
i i
i
1
oi
i
ci
,
(11)
F
i
которое является основным уравнением теплопотребления.
Таким образом для решения главных задач теплоснабжения и
теплосбережения необходимо обеспечить значение То при минимальных затратах
тепла, для чего очень важно располагать достоверными и точными данными о
физических
величинах,
входящих
в
уравнение
(11).
Величины
Q, T, , ,
– будем называть параметрами теплообмена, а величины
P, KS, G, Тгх – параметрами теплоносителей.
Данные об этих параметрах могут быть получены только путем измерений,
достоверность и точность которых подтверждена соответствующими методами и
средствами метрологического обеспечения.
Поскольку все физические величины, входящие в основное уравнение (1.11)
теплопотребления, в конечном итоге являются параметрами, определяющими
прямо или косвенно значения тепловых потоков, определяющих тепловой режим
объекта теплопотребления, то их измерения можно объединить одним понятием
«теплометрия», введенным О.А. Геращенко 4 .
2 Измерения поверхностной плотности теплового потока контактными
преобразователями
Для определения тепловых потерь зданий, сооружений,
различных
теплоэнергетических объектов все более широко используются измерительные
преобразователи теплового потока (ПТП) типа «вспомогательной стенки» 5, 6 .
Принцип действия преобразователей основан на формировании
электрического сигнала Е, пропорционального разности температур
Т,
создаваемой измеряемым тепловым потоком плотностью q на некотором
постоянном термическом сопротивлении R, имеющим обычно вид пластины
(стенки). Они содержат чувствительный элемент, представляющий собой
термическое сопротивление в виде слоя материала 1 толщиной
h
с
теплопроводностью
, на поверхностях которого размещены датчики
температуры 2, чаще всего, спаи дифференциальных термоэлектрических
преобразователей (рисунок 3). Контактные пластины (слои) 3 обеспечивают
необходимый тепловой контакт с поверхностью объекта и защищают
чувствительный элемент от внешних воздействий.
107
Такие преобразователи, которые часто называют контактными
тепломерами, размещают на поверхности объекта, измеряют электрический
сигнал и рассчитывают плотность теплового потока по формуле
q = КЕ,
(12)
2
где К – коэффициент преобразования, Вт/ (м мВ), который зависит от значений R
, чувствительности дифференциальных термопреобразователей, и который
определяют экспериментальным путем.
Для измерения сигнала ПТП используют милливольтметры или
специальные переносные или стационарные измерители, которые отображают
результат измерений в значениях плотности теплового потока. К таким
специальным средствам измерения относятся, например, цифровые измерители
тепловых потоков серии ИТП 20……24, а также информационно-измерительные
комплексы ИТС, предназначенные для тепловых испытаний строительных
конструкций,
выпускаемые
Институтом
технической
теплофизики
(ИТТФ г. Киев). Аналогичные приборы (ИТП – МГ «Поток») выпускает СКБ
«Стройприбор» (г. Челябинск).
В СССР и России наибольшее распространение получили гальванические
термоэлектрические ПТП, разработанные ИТТФ, представляющие собой
многоспайную (до 1000 спаев) биметаллическую термобатарею, свернутую в
плоскую спираль и расположенную в материале из диэлектрика. Аналогичные
преобразователи созданы в Институте измерительной техники (г. Королев) на
основе гальванической термобатареи, размещенной в пластине из оргстекла. Для
повышения чувствительности преобразователей используют также
Е
h
Т
1
2
3
Рисунок 3 – Устройство контактного преобразователя теплового потока
(тепломера): 1 – слой материала с постоянным термическим сопротивлением,
2 – дифференциальный термопреобразователь, 3 – контактные пластины
108
полупроводниковые термобатареи (СКБ теплофизического приборостроения
(г.Санкт-Петербург),
КБ
«Фотон»
(г.Тернополь),
Сухумский
физико – технический институт). В настоящее время технологию промышленного
производства контактных тепломеров осваивает завод «Эталон» (г.Омск). Из
зарубежных производителей ПТП наиболее известна фирма «PANENSA»
(Швейцария).
Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых
процессов, прежде всего, в теплоэнергетике, а также в авиационной и ракетнокосмической технике, в геофизике и медицине. Коэффициенты преобразования
ПТП обычно имеют значения от 1 до 100 Вт/(м2·мВ). Размеры и формы
преобразователей различны. Они бывают круглой, квадратной или
прямоугольной формы с характерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной от
0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых плотностей тепловых потоков – от 1 до 10000
Вт/ м2 при температурах от – 200 до 650 С. Технические требования к
преобразователям приведены в межгосударственном стандарте ГОСТ 30619 6 .
Для метрологического обеспечения средств измерений поверхностной
плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/ м2 в СССР с 1989 г.
действует созданная при выполнении настоящей работы Государственная
поверочная схема (МИ 1855-88) 6 . Возглавляет поверочную схему созданная и
находящаяся в СНИИМ установка высшей точности УВТ 53-А-88, которая
предназначена для воспроизведения и хранения размера единицы плотности
теплового потока с погрешностью менее 1% (НСП) в диапазоне от 200 до 400 К, а
также для передачи размера единицы при помощи образцовых (эталонных)
средств измерений (СИ) рабочим (СИ), имеющим пределы допускаемых
относительных погрешностей от 4 до 10 % 7, 8 .
В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону
измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q, а также к
универсальности их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП.
Кроме этого назрела необходимость изменения статуса УВТ на государственный
эталон при одновременном снижении его погрешности, в частности, для
обеспечения метрологического запаса точности и общего ее повышения в
поверочной схеме 9 .
3. Адиабатический метод и установки для воспроизведения единицы
поверхностной плотности теплового потока
Выше указывалось, что при решении задач энергосбережения и контроля за
рациональным использованием топливно-энергетических ресурсов, необходимо
точное измерение тепловых потерь на теплоэнергетических объектах. С этой
целью разрабатываются контактные преобразователи теплового потока (ПТП) и
соответствующие измерительные приборы, с помощью которых можно
контролировать величину тепловых потерь по результатам измерений плотности
теплового потока, проходящего через преобразователь, расположенный на
объекте. Главной характеристикой ПТП является точность определения его
109
коэффициента преобразования К, равного отношению значения q плотности
теплового потока проходящего через чувствительный элемент ПТП, к значению Е
его выходного сигнала (К = q/Е).
Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых
процессов в теплоэнергетике, в авиационной и ракетно-космической технике, в
геофизике, в медицине. Коэффициенты К преобразования ПТП имеют значения
от 1 до 100 Вт/(м2•мВ). Размеры и формы существующих преобразователей
различны. Они бывают круглой, квадратной или прямоугольной формы с
характерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной от 0,5 до 15 мм. Диапазон
измеряемых плотностей тепловых потоков от 1 до 10000 Вт/м 2 при
температурах от минус 200 до 650 °С.
Вопрос о погрешности ПТП оставался долгое время открытым, так как
каждый разработчик и производитель использовал свои методы и средства
метрологического обеспечения этих СИ. Лишь в 1989 г.
была введена
государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной
плотности теплового потока в диапазоне от 10 до 2000 Вт/м 2 8 . Возглавляет
поверочную схему установка высшей точности, которая предназначена для
воспроизведения и хранения единицы плотности теплового потока с
погрешностью менее 1 % (НСП) в диапазоне от 200 до 400 К и передачи размера
единицы при помощи образцовых СИ рабочим СИ, имеющим пределы
допускаемых относительных погрешностей от 4 до 10 процентов.
В качестве средств передачи размера единицы поверочная схема
предусматривает использовать кондуктивные, радиационные и конвективные
компараторы
7, 10, 28, 122, 149,150 .
Рабочее
место
для
поверки
преобразователей
теплового потока (РМП ПТП), разработанное автором
диссертации и изготовленное в количестве 5 шт. на Алма-Атинском заводе
«Эталон», прошло в 1988 г. государственные испытания и внедрено в
метрологическую практику.
В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону
измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q;
универсальности их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП.
Кроме этого необходимо изменить статус УВТ на государственный эталон при
одновременном снижении его погрешности, в частности, для обеспечения
метрологического запаса точности и общего ее повышения в поверочной схеме.
Контроль за тепловыми потоками за рубежом чаще всего осуществляется
путем косвенных измерений по результатам определения перепада температур на
слое теплоизоляции и на основании данных по теплопроводности материала
теплоизоляции. Погрешность определения плотности теплового потока в этом
случае достигает около 10 % и зависит от надежности данных по
теплопроводности. Немногочисленные сведения об устройствах для градуировки
измерителей тепловых потоков за рубежом не содержат данных о точности и
производительности таких установок. При этом необходимо отметить, что сейчас
достигнуты значительные успехи в снижении методических погрешностей
110
измерения плотности тепловых потоков, в частности, через
конструкции различных объектов 151 .
ограждающие
В дальнейшем рассматриваются состояние и пути повышения технического
уровня измерительных средств поверки, используемых для метрологического
обеспечения контактной теплометрии.
Одним из главных результатов данной работы является создание установки
высшей точности (УВТ) для воспроизведения, хранения и передачи размера
единицы поверхностной плотности теплового потока.
Принцип действия
вакуумного адиабатического калориметра предложен автором и основан на
использовании для формирования необходимого теплового потока в УВТ
открытой адиабатической оболочки 123 . Для этой цели источник теплового
потока (рисунок 30) в виде плоского электрического нагревателя 1 одной
поверхностью контактирует с поверхностью ПТП (2), которому передается размер
единицы q. Другая поверхность нагревателя окружена адиабатической оболочкой
3, температура которой поддерживается с помощью автоматического регулятора
равной температуре нагревателя. При этом тепловой поток от нагревателя
полностью направлен через ПТП, который стороной, противоположной
нагревателю, прижат к термостатированному блоку 4 (холодильнику). Измерения
электрической мощности Р, площади F и сигнала Е преобразователя позволяют
найти коэффициент его преобразования К = q/Е = Р/ Е F (10 q 2000 Вт/м2).
Изменяя температуру холодильника, можно определить температурную
зависимость К = К(Т).
6
5
4
2
1
111
3
Рисунок 4 – Схема тепловой измерительной ячейки УВТ 53-А-88:
1 – нагреватель, 2 – эталонный ПТП, 3 – адиабатический экран,
4 – холодильник, 5 – корпус вакуумной камеры (Т
196 °С),
6 – преобразователь температуры
Необходимо отметить, что с помощью такой установки размер единицы
передается эталонным (образцовым) ПТП с характерными размерами менее 45
мм. Для решения же «стратегической» задачи прямого измерения количества
теплоты в системе теплоснабжения теплометрическим методом необходимо
иметь эталонную установку для поверки крупногабаритных тепломеров.
Диапазон температур для такой установки должен соответствовать температурам
теплоносителя в водяных системах теплоснабжения (300…450 К), диапазон
плотностей теплового потока от 10 до 1•104 Вт/м2, погрешность воспроизведения
менее 0,2 %.
Устройство такой установки, реализующей метод открытой адиабатической
оболочки представлено на рисунке 34. Плоский металлический нагреватель 1
снизу окружен адиабатическим экраном 2, температура которого автоматически
поддерживается равной температуре поверхности нагревателя с помощью
регулятора 3. Равенство температур определяется по нулевому сигналу
дифференциального термоэлектрического преобразователя 4. На открытую
поверхность нагревателя помещается исследуемый преобразователь теплового
потока 5, сигнал которого измеряется милливольтметром 6. Верхняя плоскость
ПТП
контактирует с более холодной поверхностью теплообменника 7.
Температура теплообменника поддерживается однородной и стабильной путем
пропускания термостатирующей жидкости от внешнего термостата 8.
Нагреватель подключен к стабилизированному источнику постоянного
напряжения 9. Его мощность Р определяется по измерениям тока (падение
напряжения на мере сопротивления 10) и напряжения на потенциальных отводах
нагревателя (переключатель 11 и милливольтметр 12). Изменяя температуру
теплообменника и регулируя мощность нагревателя, измеряют сигнал Е
исследуемого ПТП и вычисляют искомый коэффициент преобразования
Р
К (Т )
Е (Т ) F
(13)
,
где F- площадь ПТП.
8
7
6
112
5
9
1
4
Рисунок
5
–
Установка
эталонного
назначения
для
поверки
крупногабаритных тепломеров: 1 – нагреватель, 2 – адиабатический экран,
3 – регулятор температуры, 4 – дифференциальный термоэлектрический
термопреобразователь, 5 – исследуемый ПТП, 6 – милливольтметр,
7 – холодильник, 8 – термостат, 9 – источник напряжения, 10 – мера
сопротивления, 11 – переключатель, 12 – милливольтметр
Качество адиабатизации нагревателя является главным показателем
правильной работы установки. Так как метод измерения является абсолютным, то
оценка тепловых утечек проводится на основе расчета теплового потока между
поверхностями нагревателя (ядра) и экрана (оболочки).
Показателем качества адиабатизации является возможность исключения
или сведения к некоторому минимальному значению остаточного теплообмена
между нагревателем и экраном, который определяется, прежде всего, близостью
значений Т0 и ТЭ. Требования, необходимые для выполнения достаточных
условий адиабатизации, имеют вид (2.4)
Для наиболее неблагоприятного случая, когда Р/F = 100 Вт/м2 р = 0,001, Т0
= 400 К и при значениях параметров:
= 0,03 Вт/(м•К), d = 3•10-3 м,
= 10 Вт/(м2•К), = 0,05 из этой формулы следует Т = Т0 – ТЭ 1,2 мК.
Для одиночного медь-константанового термоэлемента это условие
соответствует значению ТЭДС, равному 0,05 мкВ. Это требует высокой
чувствительности входных цепей регулятора температуры. Поэтому для
поддержания нулевой разности температур между нагревателем и экраном в
установке использованы малогабаритные ПТП, чувствительность которых более,
чем в 100 раз больше, чем у одиночного термоэлемента.
Для верхнего значения диапазона плотности теплового потока
(q = 10 кВт/ м2) требования к допустимым значениям Т снижаются до 0,12 К.
При равенстве площадей нагревателя и ПТП (0,2 х 0,2м) мощность нагревателя,
необходимая для создания плотности теплового потока 100 Вт/м2 должна
составлять 4 Вт. В реальной установке необходимо дополнительно учесть
тепловые утечки QП по проводам, идущим от нагревателя и ПТП. Для их
113
уменьшения провода наматывают на поверхность адиабатического экрана. В этом
случае
Q
где
Для
Q
П
п,
П
Т
F,
П 
(14)
 , F – теплопроводность, длина и площадь сечения проводов.
= 350 Вт/(м•К),  = 0,01 м, F = 1,25•10-6 м2 , Т = 5•10-4 К получается
2,2 • 10 5 Вт.
Такие тепловые утечки составляют менее 0,01% и ими
п
можно пренебречь.
Макет такой измерительной установки был сконструирован автором,
изготовлен в СНИИМ и использовался для исследования метрологических
характеристик крупногабаритных ПТП 207 . Он может быть положен в основу
эталонной установки для воспроизведения и передачи размера единицы
поверхностной плотности теплового потока. Основные технические
характеристики такой установки:
- диапазон поверхностной плотности воспроизводимых тепловых потоков,
Вт/м2………………………………………………………....................100…1•104;
- диапазон температур, К…………………………………….................300…450;
- неисключенная систематическая погрешность, %…………...................... 0,1;
- мощность основного нагревателя, Вт…………………………....................500;
- чувствительность регулятора температуры экрана, К………..................5•10-4;
- размер нагревателя, мм………………………………............не более 250х250;
- интегральный коэффициент теплового излучения поверхностей нагревателя и
экрана, обращенных друг к другу,………………........................не более 0,05;
- суммарная площадь сечения подходящих к нагревателю медных проводов,
мм2…………………………………………………….......................не более 1,25;
- число каналов автоматического регулирования температуры, шт….............2.
Эти требования, как будет показано ниже, составляют основу для создания
эталонной установки, воспроизводящей размер единицы поверхностной
плотности теплового потока применительно к поверочной схеме для СИ
количества теплоты в водяных системах теплоснабжения.
4. Метод и кондуктивный компаратор для передачи размера единицы
поверхностной плотности теплового потока
Передача размера единицы поверхностной плотности теплового потока q от
образцовых рабочим СИ осуществляется в настоящее время в соответствии с МИ
1855-88 кондуктивными или радиационными
компараторами. Наибольшее
распространение получили кондуктивные компараторы основанные на сравнении
показаний одинаковых по размерам поверяемого и эталонного ПТП, когда через
них проходит одинаковый тепловой поток. Тепловой поток возникает за счет
перепада температур между нагревателем и холодильником, между
поверхностями которых помещены оба ПТП.
114
Установка-компаратор для относительной градуировки преобразователей
теплового потока передает значения коэффициента преобразования от
образцовых преобразователей к рабочим.
В основу установки положен метод, одним из автором которого является
автор данной работы заключающийся в непосредственном сличении двух
идентичных преобразователей, образцового и поверяемого, сложенных вместе и
помещенных
между
нагревателем
и
холодильником,
создающими
градуировочный тепловой поток необходимой плотности. В отличие от известных
методов в данном методе в качестве нагревателя и холодильника использованы не
электрические нагреватели, а термоэлектрические батареи, у которых в
зависимости от направления электрического тока одна сторона нагревается, а
другая охлаждается [149].
На рисунке 6 изображена схема компаратора КТМ-01[10]. Между двумя
идентичными термобатареями 1 помещены градуируемый и образцовый
преобразователи 2, центрированные между собой кольцом 3. Все устройство
помещено в термостатированный корпус 4. Термобатареи расположены и
соединены электрически так, чтобы горячая сторона одной и холодная – другой
были обращены друг к другу. Питание термобатарей от стабилизированного
источника постоянного тока 5. Измерение термоэлектрических сигналов
сравниваемых преобразователей производится цифровым милливольтметром 6.
Поскольку установка является всего лишь компаратором, основная
погрешность определяется различием величины теплового потока, проходящего
через образцовый и градуируемый преобразователи, то есть зависит от боковых
тепловых утечек. Нетрудно показать, что в случае полной идентичности верхней
и нижней половин (термобатарей и преобразователей) через сравниваемые
преобразователи пойдет одинаковый тепловой поток, несмотря на боковой
теплообмен, так как теплоприток к боковой поверхности одного преобразователя
компенсируется таким же теплооттоком от боковой поверхности другого. То есть
распределение плотности теплового потока в преобразователях получается
симметричным относительно средней линии, а следовательно, в обоих
преобразователях тепловые потоки оказываются одинаковыми.
115
3
2
1
4
5
6
Рисунок 6 Схема теплометрического компаратора КТМ-01:
1
Пельте-батареи, 2
преобразователи теплового потока,
3
центрирующее кольцо, 4
термостатированный корпус,
5 стабилизированный источник постоянного тока, 6 милливольтметр
Если выразить плотность тепловых потоков в преобразователях через их
коэффициенты преобразования К и термоэлектрические сигналы, то получим при
равенстве потоков расчетную формулу
К
Е
Х
Е
Х
К
О
.
(15)
О
Таким образом при наличии полной идентичности нижней и верхней частей
компаратора боковой теплообмен не влияет на результаты градуировки. На
практике получить полную идентичность обеих половин не удается. Это могут
быть и неидентичность холодо- (тепло-) производительности термобатарей, и
неидентичность тепловых характеристик верхней и нижней половин корпуса, и
неидентичность теплофизических свойств сравниваемых преобразователей. В
связи с этим в установке для исключения первых двух причин предусмотрена
инверсия теплового потока (тока через термобатареи), когда нагреватель и
холодильник меняются ролями относительно половин корпуса. Для исключения
третьей причины сравниваемые преобразователи меняются местами, то есть
меняются местами распределения температур в преобразователях относительно
корпуса.
В СНИИМ при участии автора разработан
оригинальный метод и
установка-компаратор для сравнения показаний поверяемого и эталонного
тепломеров различных форм и размеров (в том числе крупногабаритных) и для
получения температурной зависимости их коэффициентов преобразования 9 .
116
Сравнение происходит в ванне 1 (рисунок 8) с песком, в толще которого создается
тепловой поток за счет перепада температур между холодильником 2 и
нагревателем 3. В песке располагаются ПТП (эталонные 4 и поверяемый 5).
Предварительно с помощью эталонных ПТП исследуется радиальная
однородность теплового потока. Затем поверяемый ПТП помещается в песок на
глубину, соответствующую
значению температуры, необходимому для
определения температурной зависимости К = К(Т). Опытный образец такого
компаратора изготовлен на Омском заводе «Эталон». Завершены его испытания с
целью утверждения типа и внесения в Госреестр средств измерения.
Технически характеристики компаратора:
– диапазон задаваемой плотности теплового потока в теплометрической камере,
Вт/м2 ..…………………………………… . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2000
перепад плотности теплового потока по объему теплометрической камеры в
установившемся тепловом режиме не более, % ……………………...........2,5
верхний предел диапазона задаваемых температур теплоотдающей поверхности
нагревателя теплометрической камеры определяется возможностями
конструкционных материалов и должен быть не более,°С.300
нестабильность температуры теплоотдающей поверхности нагревателя
теплометрической камеры в установившемся режиме не более, °С …..… 0,1
перепад температур на теплоотдающей поверхности нагревателя
теплометрической камеры не более, °С ......………………………................. 0,2
избыточная (относительно окружающей среды) температура
тепловоспринимающей поверхности холодильника теплометрической камеры не
более, °С …...…………………....................................................... 10
нестабильность температуры тепловоспринимающей поверхности
холодильника теплометрической камеры не более, °С ..…….........................0,1
перепад температур на тепловоспринимающей поверхности холодильника
теплометрической камеры не более, °С .........….............................................. 0,1
максимальный диаметр калибруемого (эталонного) преобразователя теплового
потока, мм …………………………..………..….......................... 300
максимальная толщина калибруемого (эталонного) преобразователя теплового
потока, мм ………………………….………..…….......................... 10
толщина слоя засыпного материала теплометрической камеры (высота
теплометрической камеры), мм ……………..………...….........................30; 60
диапазон теплопроводности используемого засыпного материала,
Вт/(м•К) ………………………………………..…................................0,25 0,3
117
неоднородность засыпного материала по теплопроводности во всем объеме
теплометрической камеры не более, % …………………………..……….........3
5
6
4
3
2
Т2
1
N2
Т1
Рисунок 7 – Низкотемпературный кондуктивный компаратор для
сличения ПТП: 1 – блок нагревателя, 2 – блок холодильника,
3 – охлаждаемая газообразным азотом термостатированная камера,
4 – поверяемый ПТП, 5 – образцовый ПТП, 6 – Пельтье-батареи
i
3
5
1
4
2
Рисунок 8
Компаратор для поверки крупногабаритных
ПТП: 1 ванна с песком, 2
холодильник, 3 нагреватель,
4, 5 образцовые и поверяемые ПТП
Внедрение такого компаратора в метрологическую практику вместе с
рассмотренными выше эталонными установками существенно расширит
возможности контактной теплометрии для применения в хозяйственном
комплексе России и, прежде всего, в теплоэнергетике. Кроме этого с помощью
такого компаратора можно исследовать метрологические характеристики
118
специальных крупногабаритных тепломеров, для оснащения ими измерительных
теплообменников при прямом измерении количества теплоты и теплового потока
в системах теплоснабжения.
5. Измерения теплопроводности, коэффициентов теплоотдачи и
теплового излучения
Законы (1.4) – (1.6) устанавливают количественную связь тепловых потоков
между физическими телами, имеющими разную температуру с параметрами
теплообмена: теплопроводностью (кондуктивный теплообмен в среде за счет
фотонного и электронного переноса внутренней энергии); коэффициентом
теплоотдачи
(конвективный теплообмен за счет движения масс жидкости или
газа – массообмен); коэффициентом теплового излучения
(радиационный
теплообмен, за счет взаимодействия теплового электромагнитного излучения с
веществом.). Поэтому эти физические величины находятся в одной связке с
главными параметрами теплообмена: тепловым потоком и температурой.
Рассмотрим последовательно особенности методов и средств измерений этих
физических величин, а также главные вопросы их метрологического обеспечения.
Теплопроводность. Точное знание значений этой физической величины
приобретает все более важное значение при решении задач энергосбережения.
Именно от нее зависят теплоизоляционные свойства материалов, из которых
изготавливают ограждающие конструкции зданий и сооружений.
Действительно, согласно закону Фурье (1.4) тепловые потери через
ограждающую конструкцию, например через стену здания, определяются
плотностью q , пронизывающего ее теплового потока. Значение этой плотности
прямо пропорционально теплопроводности
материала стены, перепаду
температур Т = Т1 – Т2 на внутренней (Т1) и внешней (Т2) ее поверхностях и
обратно пропорционально толщине стены d. Взаимосвязь этих величин позволяет
рассчитывать теплопроводность по формуле
= q d / Т, Вт/(м·К).
(16)
Часто для оценки качества теплоизоляции используют понятие
«термическое сопротивление» R, которое определяет величину отношения
перепада температур Т на слое теплоизоляции к плотности q , пронизывающего
ее теплового потока.
Требования к методам определения теплопроводности и термического
сопротивления строительных материалов и изделий изложены в стандартах
ИСО8301:1991, ИСО8302:1991, ГОСТ 7076–99.
В таблице приведены значения теплопроводности различных веществ и
материалов при температуре 20 С 28, 29 .
Таблица – 1. Теплопроводность веществ и материалов
Вещества, материалы
, Вт/(м·К)
Вещества, материалы
119
, Вт/(м·К)
Вакуумированные
порошковые и
волокнистые
материалы
Экранно-вакуумная
теплоизоляция
(1
Воздух
Теплоизоляторы
0,03
0,04 0,1
Полимерные
материалы
*)Органическое стекло
(полиметилметакрилат)
Стекла
*)Плавленый кварц
0,2
5)·10-3
0,025·10-3
0,5
Медь
400
Строительные
материалы,
горные
породы
Металлы и сплавы
*)Титановый сплав ВТ
–6
*)Нержавеющая сталь
1
5
5
400
7
15
0,2
0,7 1,4
1,36
Примечание – *) стандартные образцы теплопроводности, из
которых изготавливают эталонные меры.
Измерения теплопроводности обычно основаны на прямом использовании
закона Фурье в рамках строгой математической модели теплового процесса 29,
30 . Для этого исследуемый образец материала выбирают чаще всего в виде
пластины или стержня (рисунок 9). В образце 1, который помещают между
нагревателем 2 с температурой Т1 и холодильником 3 с температурой Т2, создают
тепловой поток с плотностью q . Плотность
3
3
Т2
d
q
5
1
Т1
Т2
d
4
q
Т1
1
2
б)
а)
2
теплового
потока
определяют
по измерения
измерениям
электрической
мощности
Рисунок
9 – Тепловые
модели
теплопроводности:
нагревателя
(абсолютный
метод
- стержня;
а) или измеряют одним, или двумя
а) абсолютный
адиабатический
метод
тепломерами,
прилегающими
к «горячей»
и (или) 2«холодной»
б) теплометрический
метод пластины:
1 – образец,
– нагреватель,поверхностям
3 – холодильник,
4 – адиабатический
5 – тепломеры
образца
(теплометрический
метод - б). экран,
Измеряется
также перепад температур Т
на образце и его толщина (высота) d.
120
Теплопроводность рассчитывают по формуле (1.34). В абсолютном методе
нагреватель окружают адиабатической оболочкой – экраном, температуру
которого поддерживают равной температуре нагревателя. Это является гарантией
того, что весь тепловой поток от нагревателя направляется через образец.
При внешней простоте рассмотренных тепловых моделей возникают
трудности формирования и точного измерения теплового потока, а также
измерения малой разности температур на поверхностях образца.
Примером удачной реализации рассмотренных моделей являются приборы
американской фирмы «Dynatech» (таблица 2), основанные на стационарном
методе пластины с использованием для измерения теплового потока тепломеров
(модель R20), или плоского нагревателя с односторонней адиабатизацией (модель
R30). Приборы специализированы для измерений термического сопротивления и
теплопроводности эффективных теплоизоляторов 28 .
Измерения теплопроводности таких, обычно, пористых теплоизоляционных
материалов имеет свои особенности. Передача тепла в таких материалах
обеспечивается твердотельной и газовой составляющими теплопроводности, а
также излучением 247 . Этот последний фактор теплопередачи приводит к
зависимости измеренных значений теплопроводности от толщины исследуемого
образца. Такое явление, называемое часто «эффектом толщины», наблюдается у
материалов с низкой плотностью даже при комнатных температурах и становится
все более существенным с повышением температуры.
d, мм
, 103 Вт/(м К)
57
43
29
0
200
100
Рисунок
Влияние толщины
изоляторов
низкой
На рисунке
10 10представлены
типичные
данные по
«эффекту толщины»,
плотности
на
теплопроводность
представленные компанией «Dynatech». Достоинством приборов, выпускаемых
этой компанией, является возможность исследования эксплутационных значений
термического сопротивления и теплопроводности теплоизоляторов благодаря
использованию в качестве образцов фрагментов реальных изделий из таких
материалов.
Одним из наиболее производительным и, вместе с тем, точным является
прибор КТ-6, основанный на стационарном методе двухточечного теплового
121
зондирования поверхности материалов и изделий 31, 32 . Прибор состоит из
выносного теплового зонда, который устанавливают на ровном участке
поверхности материала или изделия, и электронного блока, который управляет
тепловым режимом зонда и вычисляет теплопроводность. Тепловой зонд
(рисунок 11) содержит два измерительных стержня 1, нижние торцы которых
находятся в тепловом контакте с поверхностью исследуемого материала или
изделия, а верхние их части – прижаты к рабочим поверхностям
термоэлектрической Пельтье-батареи 2. Регулировкой тока, протекающего по
термобатарее, создают и поддерживают постоянной разность температур Т32 =
Т3 – Т2 между верхними участками измерительных стержней. При этом нижний
торец одного их стержней переохлаждается (температура Т1), а другой
перегревается (температура Т4) относительно температуры образца. Степень
перегрева и переохлаждения определяется по разности температур Т41 нижних
торцевых поверхностей стержней и зависит от теплопроводности материала или
изделия. Эта разность тем меньше, чем выше измеряемая теплопроводность и
приближается к Т32, когда
0. Зависимость Т41 = f ( ) (рисунок 12)
определяется путем градуировки прибора по эталонным мерам – образцам с
известной теплопроводностью. Все температурные измерения осуществляются с
помощью дифференциальных термоэлектрических преобразователей. При
высокой производительности (продолжительность одного измерения менее 5 7
минут) прибор обладает достаточно малой погрешностью (2 7 %).
2
1
Т2
Т1
Т3
q
Т4
а)
Т
122
Т3
Некоторые приборы и установки для измерений теплопроводности
основаны на нестационарных (динамических) методах, в которых используются
закономерности пространственно- временного распределения температур в
исследуемом образце при воздействии на него источников теплового потока
заданной мощности 30, 33, 34 36 . Преимуществом таких методов является
высокая производительность измерений, особенно, при исследованиях
температурной зависимости теплопроводности. Однако они менее точны, чем
стационарные и, кроме того, практически непригодны по ряду причин для
измерений теплопроводности эффективных теплоизоляторов.
В таблице 2 приведены основные технические характеристики некоторых
отечественных и зарубежных приборов и измерительных установок,
предназначенных для измерений теплопроводности твердых материалов 27 . В
действительности перечень существующих средств измерений теплопроводности
значительно больший. Большинство из них уникальны и изготовлены в
единичных экземплярах для решения специальных задач. Тем не менее все
средства измерений, используемые в сфере энергосбережения, подлежат
государственному метрологическому контролю и надзору.
Метрологическое обеспечение измерений теплопроводности твердых тел в
наиболее важном для практики температурном диапазоне от 90 до 1100 К
основано на поверочной схеме по ГОСТ 8.140-82 37 . Возглавляет схему
Государственный эталон, в составе которого:
– эталонная установка, реализующая стационарный метод измерения
радиального теплового потока в цилиндре для значений от 0,1 до 5 Вт/(м·К) в
диапазоне температур от 90 до 500 К;
– эталонная установка для измерения теплопроводности
от 5 до
20 Вт/(м·К) в диапазоне температур от 300 до 1100 К, реализующая стационарный
метод измерения аксиального теплового потока;
– набор эталонных мер для контроля стабильности эталона (из
органического стекла, титанового сплава ВТ- 6, низкоуглеродистой и
нержавеющей стали).
Таблица – 2.
Технические характеристики некоторых приборов для
измерения
теплопроводности
Тип
прибора
Диапазон Температура Погрешность, Размеры
%
образца,
, Вт/(м·К) образца, С
D / d*), мм
ИТЭМ-1М 0,1
ИТО-20М
0,1
100
9
СТАЦИОНАРНЫЙ МЕТОД
10
15
20 10
1 15
25
5
2 **)
123
15
1 10
Изготовитель
ГСКБ
«Теплофизприбор»
Ленинград, СССР
«ЛТИХП»
Ленинград, СССР
ИТ-5
0,03
5
-50
100
6
КТ-6
0,03 100
**)
0
70
2 7
**)
R20/30
0,015 0,45
**)
0
40
2
**)
ТАУ-2
0,1
0,03
ИТП-МГ4 0,03
100
1,5
0,8
-260
30
-40 200
10 40
2
**)
3
5
60 120
0,5 10
30
10
**)
610х610
0 200
«ИТТФ»,
.Киев, Украина
«СНИИМ»,
Новосибирск, Россия
«DYNATECH R/D
Company», Cambridge,
США
14
«ВНИИФТРИ»,
2 30 Менделеево, Моск.
обл., Россия
250х250 Нормы ГОСТ 7076-99
100х100, «Стройприбор»,
250х250 Челябинск, Россия
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ (динамический) МЕТОД
10
15
«Эталон», Актюбинск,
ИТ- -400 0,1 5
-100 400
0,5 5,0 СССР
ИТЛ-С5
20
«ЛТИХП»,
0,2 20
-150 400
400
5 40 Ленинград, СССР
ТСТ426
300х200 «NETZSCH1 20
25 1500
230
GeraetebauHomepage», Германия
ТС-3000 0,1 400 -140 2200
10
«SINKU-RICO, INC»,
10
)
)
0,7 4 Yokohama, Япония
**
**
Примечания
1 *) D диаметр или поперечные размеры,
d толщина.
2 **) выделены рекордные значения по точности, диапазону измерений,
пределам диапазона температур, размерам образца.
Метрологические характеристики эталона:
случайная погрешность – от 0,3 до 1 %;
систематическая погрешность – от 0,6 до 2 % при изменении теплопроводности
от 0,1 до 20 Вт/(м·К) в указанных выше диапазонах температур.
После утверждения эталона произошли значительные изменения в области
измерений теплопроводности. Стали интенсивно развиваться энергосберегающие
технологии, основанные на применении новых теплоизоляционных
и
строительных материалов. В ГОСТ 7076-99 на метод определения
теплопроводности такого типа материалов и строительных изделий установлена
погрешность рабочих средств измерений, не превышающая 3 %. В существующей
же поверочной схеме нижний предел измерения составляет 0,1 Вт/(м·К), а
погрешность для рабочих средств измерений превышает 5 %. В качестве рабочих
124
эталонов поверочная схема предусматривает использование набора мер
теплопроводности, нижнее значение диапазона теплопроводности которых
составляет при комнатных температурах 0,2 Вт/(м·К) (полиметилметакрилат). А
это практически в 5-10 раз больше теплопроводности современных эффективных
теплоизоляторов.
Таким образом возникла проблема расширения диапазона воспроизведения
и передачи размера единицы до 0,02…0,03 Вт/(м·К) и обеспечить более высокую
точность измерений теплопроводности для рабочих средств измерений.
Рассмотрим некоторые трудности, препятствующие быстрому решению
этих задач. Обычно исследуемый образец материала выбирают чаще всего в виде
пластины или стержня (рисунок 9). В образце создается и измеряется одномерный
тепловой поток Q , измеряется перепад температур ТО – ТС на образце, его
толщина (высота) d, и площадь поперечного сечения S. В этом случае значение
теплопроводности определяется по формуле
Q d
(T о
Tc ) F
.
(17)
При внешней простоте тепловых схем измерения теплопроводности на практике
возникают трудности формирования теплового потока Q и измерения малой
разности температур на торцевых поверхностях образца. При хорошей, как
принято, точности измерений
с погрешностью от 1 до 2 % необходимо
измерять каждую физическую величину в расчетной формуле (17) с
погрешностью не более 0,5 % (квадратичное суммирование всех составляющих
погрешности измерения физических величин, входящих в формулу. Учитывая,
что в области умеренных температур погрешность Т измерения температуры
менее 0,01 К труднодостижима, то минимально возможный перепад температур
на образце (ТО – ТС) должен быть не менее 2 К. При этом даже, если минимально
возможная погрешность геометрических измерений составляет 10 мкм, то
размеры
образца
должны
быть
не
менее
2
dmin = 2 мм, Fmin = 2х2 мм . Градиент температуры Т/ d в образце в такой
ситуации составляет 1 К/мм. Значение плотности q тепловых потоков в
исследуемых образцах с теплопроводностью, наиболее характерной для разных
групп материалов с такими значениями градиента температуры приведены в
таблице 3.
Видно, что для создания в образце градиента в 1 К/мм необходимы
тепловые потоки большой плотности. При таких потоках возникают
значительные перепады температур на контактных термических сопротивлениях,
возникающих на торцах образца. Значения падения температуры ТКВ на
контактных термических сопротивлениях при обработке контактирующих
поверхностей со стандартной глубиной микронеровностей около 0,5 мкм,
заполненных смазкой с приведены в таблице 3. Допустимые значения ТКВ
(меньше 10 мК), обеспечивающие необходимую точность измерения температуры
внешними к образцу датчиками, позволяют измерять теплопроводность
материалов со значениями менее 10 Вт/(м•К).
125
Таблица 3.
температуры ТКВ
Материалы
, Вт/(м•К)
q, Вт/м2
ТКВ, мК
Тепловой
Теплоизоляционные
0,05
50
0,05
поток
Полимерные
0,5
500
0,5
(плотностью)
Строительные
2
2000
2
q
Металлы
и сплавы
50
50•103
50
и
падение
Медь
400
400•103
400
Поэтому для металлов и сплавов (
10 Вт/(м•К), для исключения влияния
контактных сопротивлений на точность температурных измерений необходимо
существенно увеличивать высоту образца и использовать заделку чувствительных
элементов термометров в образец, как было предложено и реализовано автором
при создании специальных динамических тепломеров, внедренных на ФНЦ
«Алтай».
Необходимо подчеркнуть, что при этом, как было показано выше в п. 1.2,
важно соизмерить при этом характерный размер hчэ чувствительного элемента с
градиентом температуры вблизи поверхности образца
h
d
Т
Т
.
(18)
Минимально разумный диаметр термоэлектрода (чувствительный элемент
термометра) равен 0,1 мм. Исходя из (1.35) максимально допустимый градиент
температуры в рамках данной измерительной задачи ( Т = 0,01 К), равен 0,1 К/мм.
Особенностью измерений теплопроводности на плоских образцах (как и при
использовании датчиков теплового потока и плоских датчиков температуры
поверхности) является наличие в них градиентов температуры, которые приводят
к температурным деформациям (изгибам) образцов. При этом также необходимо
учитывать фактор контактных тепловых сопротивлений, искажающий результат
измерений теплопроводности.
Учет рассмотренных обстоятельств, связанных с температурными
погрешностями, показывает насколько важно метрологически обеспечивать
измерительные установки, даже в случае, когда они реализуют абсолютный метод
измерений. Не менее важной проблемой, которая ниже будет рассмотрена
отдельно, является задача точного определения теплового потока, проходящего
через образец. Из таблицы
следует, что необходимая для измерений
теплопроводности плотность теплового потока может изменяться на четыре
порядка в зависимости от исследуемого материала. Если относительная
погрешность
измерений q
должна быть менее 0,5 %, то для
q
теплоизоляционных материалов значение q неучтенных тепловых потоков
должно быть не более 0,25 Вт/м2. Для меньших градиентов температуры и
значений теплопроводности задача формирования теплового потока через образец
с погрешностью менее 0,5 % становится тем более главной и трудно решаемой.
Таким образом, насколько сложно по мере роста теплопроводности
исследуемого образца решать вопросы погрешностей измерения температуры,
126
вызванных контактными тепловыми сопротивлениями, настолько при малых
значениях теплопроводности возрастают проблемы точности учета тепловых
потерь. Пути решения этих вопросов рассмотрены ниже.
Коэффициент теплоотдачи. Для качественной и количественной оценки
процессов конвективного теплообмена необходимо определение, прежде всего,
коэффициента теплоотдачи , Вт/(м2·К) 226, 227 . Рассмотрим теплообмен между
отопительным прибором и окружающей средой. В этом случае присутствуют все
три способа переноса тепла от горячего теплоносителя (температура tГ) через
стенку отопительного прибора (ОП) в окружающую среду (температура tС). Это
конвекция
процесс теплообмена между жидким теплоносителем (водой) и
стенкой ОП (тепловой поток Qк), теплопроводность процесс распространения
тепла через стенку ОП (тепловой поток QТ), конвекция и излучение процесс
теплообмена меду стенкой ОП и окружающей средой, приводящий к тепловому
потоку QС (рисунок 13).
Очень важно, что в стационарном режиме, когда tГ, tХ, tС неизменны во
времени, эти тепловые потоки равны между собой и, что особенно необходимо
отметить, равны тепловому потоку QО:
d
G
tх
Qк
Qт
tо
t1 t2
Qс
tc
Qо
tг
к
c
Рисунок 13. Схема процесса теплопередачи в ОП
127
QО = Qк = QТ = QС
(19)
Отсюда следует, что для учета количества теплоты, выделяемого ОП, достаточно
измерить любой из этих тепловых потоков. Их значения определяются
температурными напорами, коэффициентами теплоотдачи
на
к и
поверхностях стенки ОП, ее теплопроводностью и толщиной d по формулам
38
Q
Q
Q
K
Т
С
K
d
(t
(t
1
(20)
t )F ,
1
(t
t )F ,
Т
2
2
t )F ,
C
где t1 и t2
температуры внутренней и наружной поверхностей стенки;
tТ, tС температура теплоносителя и среды; F
площадь ее поверхности.
Любая из формул (20) наряду с традиционной формулой (1.9) может быть
использована для определения количества теплоты, выделяемого ОП в
окружающую среду. Однако первая из них требует знаний температуры tГ
внутренней поверхности стенки, которую сложно измерить, и коэффициента
теплоотдачи к, который зависит от множества факторов, таких как скорость
течения теплоносителя, его теплофизических свойств, состояния внутренней
поверхности стенки ОП, которое сложно проконтролировать. Вторая формула,
помимо проблем с измерением t1 и t2 и ничтожна малыми значениями их разности,
требует знания теплопроводности и толщины стенки, которые могут изменяться
из-за различных отложений на внутренней поверхности ОП в процессе
эксплуатации.
Поэтому наиболее предпочтительными являются попытки использования
третьей формулы 228, 229 , которая требует измерений температуры, и
коэффициента теплоотдачи
, то есть данных, являющихся внешними
проявлениями процесса теплообмена, не требующих знания параметров
теплоносителя, и соответственно, прямого контакта с ним в процессе измерений.
Однако реализация такого метода определения суммарного теплового потока
требует ответа на несколько вопросов. Из них наиболее, на наш взгляд, важные:
а) если имеет место неоднородное температурное поле ОП, то какую
температуру принять за представительную (среднюю) t температуру - ?
б) температуру какой точки окружающей среды принять за tС - ?
в) каким образом найти среднее значение
-?
Ответы на первые два вопроса могут быть получены на основе
экспериментальных исследований наиболее используемых типов ОП. По их
результатам могут быть достигнуты соответствующие договоренности о том, что
для данного типа ОП (в исправном состоянии) местом контроля температуры
128
поверхности t2 является такая-то точка, местом измерения температуры среды tС –
другая, определенно расположена по отношению к ОП точка среды.
Относительно температуры поверхности ОП необходимо отметить
следующее. Эта температура зависит от значения коэффициента теплопередачи k,
который характеризует интенсивность теплообмена между двумя средами
(теплоноситель-окружающая среда), разделенными стенкой ОП. Для плоской
стенки этот коэффициент определяется по формуле
k
1
αк
1
d
λ
1
αΣ
(21)
.
При этом температура t2 внешней поверхности стенки рассчитывается по
соотношению
t
2
t
c
k
(t
Г
α
Σ
t ).
c
(22)
Такой расчет показывает, что при значениях tС = 20 С, k = 9,1 Вт/(м2 К)
( к = 100 Вт/(м2 К), d = 0,002 м, = 50 Вт/(м К),
= 10 Вт/(м2 К)), tГ = 90 С
температура поверхности ОП составляет 83,6 С. При образовании накипи
толщиной 5 мм с теплопроводностью 2,0 Вт/(м К), значение k уменьшается с 9,09
до значения 8,93 Вт/(м2 К), а температура tГ - до значения 76 С.
Такие механизмы объясняют некоторые причины возникновения порой
непредсказуемых неоднородностей температурного поля поверхности ОП. Но
главная причина – это зависимость
от многих влияющих факторов, поскольку
именно от значения этой величины зависит в основном коэффициент
теплопередачи. Это следует из анализа слагаемых в знаменателе формулы (1.39) и
значений к, , d, приведенных в примерах.
Такими влияющими факторами являются: температура ОП, состояние его
поверхности, включая геометрические размеры, конфигурацию и коэффициент
теплового излучения; состояние окружающей среды, включая температуру,
давление, влажность, сквозняки в воздушной среде, а также взаимное
расположение ОП и стены, других отопительных приборов, их температуры.
В связи с этим попытки определить количество теплоты, выделяемой ОП по
измерениям tГ , tС и
требуют тщательного изучения. Решение этой задачи
можно найти путем экспериментальных исследований 38 .
Отдельно необходимо рассмотреть вопрос о вкладе радиационной
составляющей в суммарный теплообмен на поверхности ОП, который зачастую
считают только теплообменом при свободной конвекции.
Следствием закона излучения Стефана-Больцмана является тот факт, что
между нагретым, например, до температуры tГ, телом и окружающими его
предметами, например, стенами, потолками и полом помещения с температурой tС
возникает тепловой поток Q который рассчитывается по формуле
129
(Т Г 4 - Т С 4) F,
Q =
где
- приведенный коэффициент
ОП – окружающая среда (стены);
8
теплового
(23)
излучения
в
системе
4
- 5,67 10- Вт/м2 К – постоянная Стефана-Больцмана;
ТГ = (tГ + 273,15) К – абсолютная температура поверхности ОП;
ТС = (tС + 273,15) К – абсолютная температура стен;
F – площадь взаимной поверхности облучения в системе ОП окружающая среда.
Для оценочных расчетов можно полагать, что
равен коэффициенту
теплового излучения поверхности ОП, F – равна площади его поверхности. По
аналогии с формулой Ньютона для конвективного теплового потока можно ввести
коэффициент теплоотдачи излучением
, обусловленный радиационным
теплообменом:
(Т 4
Г
Q
(t
Г
t ) F
(t
С
Г
Т4)
С .
t ) F
С
В таблице 4 приведены расчетные значения
зависимости от температуры tГ .
Таблица
t Г, С
,
2
Вт/(м К)
4. Зависимость
(24)
(для
= 0,9, tC = 20 С) в
от температуры (расчет)
30
50
70
90
110
5,60
6,10
6,62
7,28
8,04
Отсюда следует важный вывод, что теплоотдача излучением от ОП
соизмерима с теплоотдачей свободной конвекцией и в значительной степени
определяет характер ее изменения с ростом температуры поверхности ОП 39 .
На первом этапе работы исследовался процесс теплообмена на поверхности
масляных электроотопительных приборов (ЭОП). Основная идея экспериментов
заключается в определении коэффициентов теплоотдачи в различных точках
ЭОП на основе измерений электрической мощности Р, подводимой к ЭОП,
температур tГ поверхности ЭОП и tС среды 38 . Расчет ведется по формуле
Р
(t
Г
t )S
,
(25)
С
где S – площадь поверхности ЭОП, рассчитанная по результатам геометрических
измерений.
130
Исследования проводились на измерительной установке, схема которой
представлена на рисунке 13. Температура ЭОП задавалась путем изменения
напряжения питания регулятором 1. Значения подводимой мощности
рассчитывались по измеренным значениям тока и напряжения. Распределение
температуры по поверхности ЭОП определялось путем измерения термо-э.д.с.
термопар 3, включенных дифференциально. Для изготовления термопар
использовались термоэлектроды медь и константан диаметром 0,1 мм, для
которых
определена
индивидуальная
характеристика
преобразования
(температура
термо-э.д.с.). Распределение температуры измерялось в 8 точках
поверхности
ЭОП.
Термопары
подсоединялись
к
бестермоточному
переключателю 4. Их сигнал измерялся цифровым милливольтметром 5.
Температура окружающей ЭОП среды измерялась цифровым измерителем 6 (с
разрешением 0,1 С) и ртутным термометром ТЛ-4 с такой же ценой деления.
Схема расположения точек, в которых измерялась температура, приведена на
рисунке 14.
Измерения проводились для семи различных значений электрической
мощности в диапазоне температур от 25 до 110 С и для двух различных ЭОП
По измеренным значениям рассчитывались средние температуры среды и
ЭОП. Затем по формуле (1.43) получали значения
, S и
в каждой
контролируемой точке и в среднем для ЭОП. Полученные
данные
апроксимировались линейными зависимостями (рисунок 15).
Анализ полученных результатов приводит к следующим выводам:
– характер распределения температуры по поверхности ЭОП, по-видимому,
зависит от его индивидуальных особенностей, обусловленных как конструкцией,
влияющей на процессы конвекции внутри и снаружи ЭОП, так и локальным
изменением коэффициента k теплопередачи. Разброс значений температуры
поверхности изменяется от 2,5 С при 45 50 С до 9 С при 100 С.
– коэффициент теплоотдачи
увеличивается с ростом температуры ЭОП в
2
среднем с 7,5 Вт/(м К) при 30 С до 12 Вт/(м2 К) при 110 С. Его значения
существенно зависят от выбора точек контроля на поверхности ЭОП и
окружающей среды. Рост обусловлен интенсификацией свободной конвекции и
возрастанием радиационной составляющей теплообмена. Разброс средних
значений , полученных для разных точек контроля температуры среды и для
разных ЭОП, составляет около 10 %.
131
t2
3
1
А
4
V
5
6
tC
Рисунок 13
Схема измерительной установки регулятор
напряжения, 2
ЭОП, 3 – термопары, 4 – переключатель термопар,
5 – милливольтметр, 6 – измеритель температуры tс.
130
300
Тк ртх ср
3
6
2
5
8
1
4
7
450
130
580
Тк пр ср
50
220
200
б)
а)
Рисунок 14
температуры
Схема расположения точек измерения
– вклад радиационной составляющей теплообмена в значение
при
температурах от 30 до 110 С составляет около 70 % и возрастает (без учета
температурной зависимости ) с 5,6 до 8,0 Вт/(м2•К).
– проверка соответствия электрической мощности МЭП расчетной формуле
предлагаемого метода приведена в таблице? Для первого исследованного ЭОП
погрешность определения мощности по предлагаемому методу не превышает 10
%, для второго – 6,5 %.
132
ЭОП2 (относительно tс2)
ЭОП2 (относительно tс1)
ЭОП1 (относительно tс2)
ЭОП1 (относительно tс1)
13
a с= 0,0563t + 6,68
12
11
10
c,
Вт/(К*м2)
a c = 0,0645t + 5,58
9
8
7
45,0
55,0
65,0
75,0
85,0
95,0
105,0
t, °С
Рисунок 15 – Экспериментальные значения
отопительных приборов
Для ОП, используемых в системах водяного отопления, есть основания
предполагать, что температурное поле их поверхности более однородно (для
исправных ОП), так как они работают в режиме вынужденной конвекции
теплоносителя. Это должно снижать местные неоднородности температурного
поля, свойственные ЭОП, работающих в режиме свободной конвекции
теплоносителя, а, следовательно и уменьшать разброс .
Таким образом коэффициент теплоотдачи является физической величиной,
которую нельзя отнести к свойствам материала поверхности или к свойствам газа
(жидкости). Она определяется совокупностью многих свойств этих двух сред и,
поэтому, ее значение может быть измерено лишь косвенным путем на основе
измерения интегральных значений плотности теплового потока и температуры.
Поэтому воспроизводить независимым путем размер единицы
коэффициента теплоотдачи и создавать метрологическую систему его передачи
рабочим СИ вряд ли целесообразно.
Коэффициенты
теплового
излучения.
Весь
обширный
экспериментальный
материал
по
полусферическому
интегральному
коэффициенту теплового излучения
(ИКТИ) получен в основном
калориметрическим
методом
в
стационарном
или
нестационарном
133
(динамическом) режимах. Имеются обзорные работы, в которых описаны
экспериментальные приемы и систематизированы полученные данные 40-45 .
Многие установки и результаты исследований различных материалов
опубликованы в трудах Национального управления по аэронавтике и
исследованию космического пространства США 46, 47 .
Стационарный калориметрический метод основан на закономерностях
радиационного теплообмена исследуемого образца, находящегося в вакууме при
некоторой постоянной температуре, с окружающей его замкнутой оболочкой.
Стационарный режим наступает при равенстве мощности Р источника нагрева
образца и результирующего потока излучения между образцом и оболочкой. Это
равенство с учетом выражения для потока излучения 41 имеет вид
1
Р
F (Т 4
Т 4)
1
э
F 1
(
F
э
1)
,
э
где
, Т, F – ИКТИ, температура и площадь поверхности образца;
те же величины для внутренней поверхности оболочки.
F
(26)
э,
Т э, Fэ –
При осуществлении метода обычно стремятся к выполнению условий
Fэ и э 1 . Тогда и искомый ИКТИ можно рассчитать по формуле
1
Р
F T4
Т4
э
.
(27)
Источником нагрева чаще всего является протекающий по образцу
электрический ток или нагреватель, расположенный внутри образца. Для этой
цели стали
также использовать электронную бомбардировку 48 или
индукционный нагрев 49 . При осуществлении метода основные трудности
заключаются в определении результирующего радиационного теплового потока и,
самое главное, в точном измерении абсолютной температуры образца, которая
входит в расчетную формулу (1.45) в четвертой степени.
Стационарный метод имеет ряд разновидностей, которые различаются
формой исследуемых образцов. В методе нагретой нити 50-53 в качестве
образцов используют тонкую проволоку или фольгу, которые нагревают
пропусканием электрического тока. Тепловой радиационный поток с
изотермического участка поверхности равен электрической мощности,
подводимой к этому участку. Температуру образца определяют по
температурным
зависимостям
его
сопротивления
или
спектральной
излучательной способности, которые либо заранее известны для исследуемого
образца, либо определяются в дополнительных экспериментах на специальной
установке. Следовательно, точность результатов измерений определяется,
главным образом, достоверностью данных по используемому для определения
температуры термометрическому свойству данного образца.
134
В связи с этим является перспективным термоэлектрический способ
измерения температуры поверхности образца контактным преобразователем с
автоматической компенсацией теплоотвода, который был разработан в
Сибирском НИИ метрологии и успешно использовался при определении
спектральной излучательной способности ленточных образцов 54 .
В методе трубки, осуществленном в Институте высоких температур АН
СССР, для исследования излучательных свойств тугоплавких материалов 41 ,
образец представлял собой длинную трубку, нагреваемую током. Внутри трубки
имеются диафрагмы, необходимые для создания модели абсолютно черного
излучателя при визировании со стороны торца трубки. Температура образца
измеряется оптическим пирометром. Исследования показали, что точность
измерения действительной температуры трубки в этом случае выше, чем при ее
измерении по излучению бокового отверстия.
При измерениях в области средних и низких температур часто используют
массивные образцы в виде сферы или цилиндра 42,55 . Внутрь образца вводится
нагреватель, по мощности которого в установившемся режиме определяют
значение потока излучения. Тепловой поток, идущий от образца, можно
определить также по градиенту температуры в оболочке с известной
теплопроводностью или с помощью преобразователя теплового потока.
Таким образом в стационарном калориметрическом методе сравнительно
просто определяется результирующий поток излучения между образцом и
оболочкой. Погрешность измерения ИКТИ зависит, главным образом, от
точности измерений температуры излучающей поверхности образца и при
высоких температурах превышает 5 %.
Попытка получить данные по излучательной способности без измерения
действительной температуры поверхности, сделанная в работе 56 , оказалась
неудачной 57 . Однако это задача решается с помощью модуляционного метода
измерения полусферического ИКТИ, предложенного автором диссертации в 58
и описанного в работе 59 . Метод основан на создании противофазных
колебаний подводимой к образцу мощности и температуры оболочки. При
заданной амплитуде колебаний температуры оболочки θЭ существует такое
значение амплитуды колебаний мощности РК, при котором полностью исчезают
колебания температуры образца. Такому тепловому режиму соответствует
равенство
Р
FТ 3 ,
э э
(28)
Р / 4 FТ 3 .
к
э э
(29)
к
4
где ТЭ – температура оболочки.
Отсюда следует
135
Особенностью формулы (1.47) является то, что она не содержит в качестве
параметра температуру поверхности образца. В нее входит лишь амплитуда
колебаний мощности РК, геометрический параметр образца F, а также параметры
температурного режима экрана ТЭ и θЭ, измерение которых можно организовать с
необходимой точностью. В этом – основное преимущество модуляционного
метода по сравнению с другими известными, в которых требуется измерять
температуру образца с высокой точностью. Предложены также и относительные
варианты метода, предполагающие использование стандартных образцов
излучательных свойств 60,61 . Серьезным недостатком метода является
необходимость использовать в качестве образцов металлы и сплавы лишь в виде
тонких проволок или фольги.
Нестационарный калориметрический метод основан на определении потока
излучения по скорости охлаждения нагретого образца. ИКТИ рассчитывают по
формуле,
полученной
из
условия
баланса
мощностей
40, 62,63 ,
mc
dT
d
1
F T4
Т4
э
,
(30)
где
dT/d – скорость охлаждения; m,c – масса и удельная теплоемкость образца.
Как и в стационарном методе, при этом предполагается отсутствие
тепловых потерь теплопроводностью и конвекцией.
В нестационарном методе сокращается время пребывания образцов при
высоких температурах. Однако погрешность измерения ИКТИ в этом случае
больше, чем в стационарном методе, так как добавляются погрешности,
обусловленные неточностью используемых данных по теплоемкости и наличием
значительных градиентов температуры в образце. Это ограничивает возможности
метода.
Разновидности нестационарного метода также определяются формой
исследуемых образцов. Для исследования температурной зависимости
вблизи
точек Кюри никеля и железа в работе 63 использовались образцы сферической
формы. При этом применялся индукционный нагрев и термоэлектрический
способ определения скорости охлаждения.
Нестационарный метод трубки реализован в Национальном бюро
стандартов США 64 . ИКТИ определялся по скорости охлаждения образца с
привлечением данных по теплоемкости, полученных на том же образце в
процессе его нагревания. Температуру образца измеряют быстродействующим
фотоэлектрическим пирометром. Для имитации черного излучателя в рабочей
части трубчатого образца имеется небольшое боковое отверстие. Применяются
высокоскоростная система регистрации и обработки измерительной информации,
обеспечивающая до 1200 измерений в секунду. Комплексное определение
теплоемкости и ИКТИ на одном образце позволяет уменьшить погрешность,
обусловленную неопределенностью данных по теплоемкости.
136
Наиболее распространенным методом измерения нормального ИКТИ
является радиационный метод. Его особенности и примеры практической
реализации подробно рассмотрены в 40 . Основная идея метода – сравнение
потоков излучения от исследуемой поверхности и от модели абсолютного черного
тела. Для такого сравнения используют различные приемники излучения, поэтому
метод называют иногда методом приемника. Наиболее доступным вариантом
осуществления радиационного метода является использование в качестве
приемника излучения радиационного пирометра. Пирометр предварительно
градуируют по модели абсолютного черного тела. В этом случае плотность
потока теплового излучения от исследуемого образца, имеющего температуру Т,
приравнивается к плотности потока излучения от модели черного тела с
температурой ТО. Из равенства потоков следует
Т4
Т4
П
Т о4 Т 4
(31)
,
П
где ТП – температура приемника излучения.
На рисунке 16 приведена схема установки, реализующая такой вариант
метода 65 .
Температура
излучающей
поверхности
измерялась
платинородий-платиновым термоэлектрическим термометром, а в качестве
приемника излучения использовались серийные пирометры серии АПИР-С с
диапазоном от 100 до 400 С и от 400 до 1000 С. На установке были получены
значения нормального ИКТИ ряда авиационных сплавов, которые были
использованы при определении действительной температуры нагретых
заготовок в процессе их обработки.
Очевиден недостаток такого способа измерения ИКТИ: его значения
определяются лишь для области спектра, соответствующей пропусканию
оптической системы пирометров. Поэтому полученные значения ИКТИ могут
быть полезны только при измерении температуры пирометрами данного типа.
Полученные значения ИКТИ для всего спектра возможно в измерительных
системах без фокусирующей оптики и при использовании неселективных
приемников излучения. Примером такой системы является установка,
спроектированная Г.А. Жоровым 66 и на которой получен обширный
экспериментальный материал по ИКТИ.
1
2 3
4
5
6
7
220 В
Комплекс АПИР - С
137
8
Общими элементами устройств для реализации радиационного метода
являются наличие одного или нескольких исследуемых образцов с системой
термостатирования, диафрагмы, определяющей площадь визирования на
исследуемом образце, и приемник теплового излучения, обычно, без
фокусирующей оптики, с системой измерения сигнала приемника излучения.
Основным
недостатком
таких
устройств
является
необходимость
предварительных градуировок приемника излучения по эталонным излучателям и
дальнейшего использования этого приемника в качестве измерительного
преобразователя. Это неизбежно приводит к погрешностям измерений из-за
отклонений условий градуировки от условий измерений. Поэтому появились
устройства одновременного сравнения (компарирования) потоков излучения от
исследуемой поверхности и от модели черного излучателя. К таким компараторам
относятся устройства 67, 68 с дифференциальными радиометрами, которые
используются для установления равенства потоков излучения от эталонного и
исследуемого излучателей. Для повышения чувствительности такого типа
компараторов в 68 предложено использовать модулятор потоков излучения,
который осуществляет противофазное прерывание (импульсную модуляцию)
потоков от обоих излучателей. В этом случае на выходе приемника появляется
сигнал, имеющий переменную и постоянную составляющие, причем амплитуда
переменной составляющей зависит от разности сравниваемых мощностей
излучения, а также от частоты модуляции и теплоемкости приемника излучения.
Поэтому для получения большей чувствительности при заданной частоте
модуляции и теплоемкости приемника необходимо применять фокусирующую
оптику в виде объектива. В этом – недостаток устройства. Кроме того сложный
характер сигнала на выходе термоприемника потребует при автоматизации
компаратора введение дополнительных, достаточно сложных электронных
блоков, что в целом усложнит устройство. При малых частотах модуляции,
необходимых для получения более высокой чувствительности преобразователя,
автоматизация будет особенно затруднительной. Видимо наиболее простым и
138
перспективным является использование в компараторах современных
высокочувствительных преобразователей теплового потока.
Необходимо отметить, что фактором, ограничивающим широкое
применение радиационного метода, является необходимость точного измерения
температур излучающей поверхности и модели черного излучателя, которые
входят в расчетную формулу (1.49) в четвертой степени. Поэтому важнейшими
задачами при создании компараторов излучательных свойств являются 69 как
повышение чувствительности дифференциального приемника, так и повышение
точности измерения температуры. Решение таких задач составляет одну из целей
данной работы.
Возрастающие требования к точности измерений теплофизических свойств
веществ и параметров теплообмена ставят задачу развития метрологического
обеспечения этих измерений. Созданы государственные эталоны и поверочные
схемы для средств измерений теплоемкости и теплопроводности 70 . Выполнены
работы по созданию поверочной схемы для средств измерений важнейшего
параметра теплообмена – плотности теплового потока 10, 71 . Очевидно, что
повышение надежности расчетов тепловых режимов объектов, находящихся в
условиях преобладающего теплообмена излучением, может быть достигнуто за
счет достоверности данных по ИКТИ материалов. Единственной возможностью
точного определения этой характеристики является измерение, так как ее
теоретические расчеты носят пока лишь качественный характер. Этим
объясняется увеличение парка средств измерений ИКТИ. Однако, результаты
измерений, полученные различными исследователями, часто противоречат друг
другу. Например, расхождение данных по ИКТИ чистого алюминия, даже в
области климатических температур, достигает 100 % 42 . Противоречивы многие
данные по температурным зависимостям этой характеристики для алюминиевых
и титановых сплавов. Таким образом обеспечение точности и единства измерений
ИКТИ является актуальной задачей метрологии в области теплофизических
измерений.
Возможным путем метрологического обеспечения измерений ИКТИ
является создание установки высшей точности (эталона), исследование и
аттестация с ее помощью набора стандартных образцов (мер) излучательных
свойств материалов, создание компаратора, позволяющего определить ИКТИ
методом сличения со стандартными образцами, разработка государственной
поверочной схемы, основу которой составляют перечисленные средства
измерений.
В качестве исходной установки высшей точности представляется
целесообразным
выбор
установки,
реализующей
стационарный
калориметрический метод. Действительно, при его осуществлении в настоящее
время возможно достигнуть наибольшую точность подводимой к образцу
мощности, высокую однородность температурных полей образца и оболочки
(экрана), высококачественную компенсацию тепловых утечек от образца и его
термостатирование с помощью хорошо отработанных схем автоматического
139
регулирования температуры. Например, в государственных эталонах единиц
теплопроводности и теплоемкости 72 измерение выделяемой в образце
мощности осуществляется с погрешностью 0,1 %, термостатирование – с
погрешностью менее 0,01 К, измерение температуры – с погрешностью 0,05 К.
Можно ожидать, что в этом случае предельная погрешность измерения ИКТИ в
соответствии с расчетной формулой (1.45) составит не более 0,2 % (при 300 К
Т0 1000 К).
Однако
при осуществлении метода появляются погрешности,
обусловленные особенностями конструкции измерительной установки и
спецификой измерения ИКТИ. Это – тепловые утечки по элементам конструкции
и подводящим проводам, вызванные обязательным наличием в измерительной
ячейке двух уровней температур Т
и ТЭ, невозможностью установления
идеального стационарного режима, погрешностью измерения температуры
поверхности образца, селективность его излучения, а также несоблюдение
условий F
Fэ и э
1 . Учет и суммирование указанных погрешностей
приводит к значению, составляющему в благоприятном случае около 2 %.
Примерно такое же значение суммарной погрешности можно приписать и
модуляционному методу, а, следовательно, и при использовании его в установке
высшей точности, как это предложено в 73 . Однако модуляционный метод
уступает калориметрическому в произвольности выбора размеров образцов и
способов их нагрева. Поэтому калориметрический метод, по-видимому, является
наиболее предпочтительным
при создании установки высшей точности,
воспроизводящей ИКТИ.
В качестве стандартных образцов могут быть выбраны металлы с хорошо
изученными и стабильными температурными зависимостями ИКТИ, например,
платина, вольфрам, молибден. Однако выбор материала при этом должен
учитывать условия дальнейшего использования его в компараторах. Например,
вольфрам и молибден, аттестованные в вакууме, невозможно применять в
компараторе, работающим в окислительной среде. Помимо чистых полированных
материалов, имеющих низкие значения ИКТИ, для повышения точности
компарирования во всем диапазоне ИКТИ необходимо иметь стандартные
образцы с более высокими значениями, например, от 0,5 до 0,6 и от 0,8 до 0,95.
В качестве образцов могут быть окисленные металлы, например, никель и
материалы, имеющие специальное покрытие.
Компаратор излучательных свойств должен обеспечивать точное и
достаточно быстрое сравнение ИКТИ исследуемого и стандартного образцов. В
качестве такого прибора в данной работе предложен радиационный компаратор,
основанный на уравнивании потоков теплового излучения от поверхностей
исследуемого и стандартного образцов с последующим измерением температур,
при которых это уравнивание произошло. В компараторе отсутствует линзовая
оптика и используется неселективный приемник излучения, что позволяет
сравнивать излучательную способность образцов во всем спектре. Однако при
этом предполагается совпадение значений полусферического и нормального
140
ИКТИ, больших 0,5. Для значений, меньших 0,5 этот вопрос требует
дополнительного исследования.
Таким образом основной задачей в области метрологического обеспечения
измерений ИКТИ является создание установки высшей точности, реализующей
метод измерения, поиск и аттестация набора образцовых мер ИКТИ, передача
аттестованных значений измерительным установкам или прямое определение
ИКТИ материалов по образцовым мерам (стандартным образцам) методом
сличения с помощью компаратора излучательных свойств. В данной работе
создана научно-техническая основа для решения этой задачи.
6. Методы и измерительные установки для исследований и аттестации
стандартных образцов излучательных свойств материалов
Возрастающие требования к точности измерений параметров теплообмена
ставят задачу развития метрологического обеспечения этих измерений. Известно,
что для повышения надежности расчетов тепловых режимов
объектов,
находящихся в условиях теплообмена излучением, большое значение имеет
достоверность данных по интегральным коэффициентам теплового излучения
поверхности объектов.
Существующие теоретические методы позволяют оценить пока лишь их
качественный характер и непригодны для количественного определения этой
характеристики 40 . Этим объясняется увеличение числа способов измерения
ИКТИ. Однако результаты измерений, полученные различными методами 42 ,
часто противоречат друг другу. Например, расхождение данных по излучательной
способности чистого алюминия даже в области температур, близких к
комнатным, достигает 100 %. Противоречивы многие данные по температурным
зависимостям этой характеристики для алюминиевых и титановых сплавов.
Таким образом, необходимость создания средств метрологического обеспечения
установок для измерений ИКТИ очевидна.
Возможным путем решения этой проблемы является создание исходной
установки высшей точности, исследование с ее помощью и аттестация набора
стандартных образцов излучательных свойств материалов, создание компаратора,
позволяющего определять ИКТИ исследуемых образцов методом сличения со
стандартными образцами.
В рамках данной работы создана прецизионной измерительная установка,
предназначенная для исследований и аттестации стандартных образцов
излучательных свойств 126 . Действие установки основано на применении
стационарного калориметрического метода, который использует законы
радиационного теплообмена исследуемого образца, имеющего постоянную
температуру Т, с окружающей его замкнутой оболочкой, имеющей температуру
ТЭ. Постоянство температуры образца наступает при равенстве значений
электрической мощности Р, подводимой к образцу, и результирующего теплового
потока Q излучения между образцом и оболочкой. Это равенство имеет вид
152 .
141
εσF Т 4
Р
1
ε
Т4
э
F 1
(
Fэ ε
(32)
,
1)
Э
где , F – ИКТИ и площадь поверхности образца;
Э, F Э – те же характеристики для внутренней поверхности оболочки.
При осуществлении метода обычно стремятся к выполнению условий
Т Т ; F F;
1.
(33)
э
э
В этом случае ИКТИ образца можно рассчитать по формуле
Р / F (Т 4
Т 4 ).
э
(34)
Выбор абсолютного метода обусловлен тем, что в области умеренных
температур при его реализации в настоящее время достигнута наибольшая
точность измерений выделяемой в образце мощности, высокая однородность
температурных полей образца и оболочки; отработаны схемы автоматического
термостатирования и компенсации утечек тепла от образца. Все это позволяет
осуществить,
например,
в
государственных
специальных
эталонах
теплопроводности и теплоемкости 70 , измерение выделяемой в образце
мощности с погрешностью менее 0,1 %, термостатирование с погрешностью 0,01
К. Можно ожидать, что в этом случае предельная погрешность измерения ИКТИ
в соответствии с расчетной формулой (2.35) должна составить не более 0,2 %.
Однако при осуществлении метода на реальной измерительной установке
появляются дополнительные погрешности, обусловленные особенностями ее
конструкции и спецификой измерения излучательной способности. К таковым
относятся тепловые утечки по элементам конструкции и проводам, вызванные
обязательным наличием в измерительной ячейке двух уровней температур
Т и ТЭ, невозможность установления идеального стационарного режима,
погрешность измерения температуры поверхности образца, селективность
излучения образца, а также несоблюдение условий (2.34). Эти дополнительные
погрешности будут оценены после рассмотрения конструкции.
Основным измерительным устройством установки, созданной в рамках этой
диссертационной работы является тепловая ячейка (рисунок 36а), которая
заключена внутри вакуумированной медной камеры 1, помещенной в сосуд
Дьюара
с жидким азотом. Внутренняя поверхность камеры зачернена и
выполняет роль поглощающей оболочки, температура которой равна температуре
хладоагента. Образец с нагревателем 2 подвешен в камере на токоподводящих
проводниках.
Особенностью
ячейки
является
наличие
медного
термостатированного блока 3 , расположенного вблизи образца и содержащего
продольные пазы на поверхности для укладки проводников и термоэлектродов,
проводящих внутри медной трубки от образца к блоку. С его помощью
реализуется метод моделирования 75, 76 при измерении температуры
поверхности образца.
Блок термостатируется с помощью нагревателя,
намотанного бифиллярно на его поверхности. Температура блока в процессе
142
эксперимента поддерживается с помощью регулятора 4 равной температуре
образца, по сигналу дифференциального медь-константанового преобразователя
температуры 5. Это позволяет сохранить температурное поле образца
неискаженным при наличии теплостоков в виде подводящих проводников и
термоэлектродов термопар и измерять температуру образца с погрешностью не
более 10 мК путем измерения температуры термостатированного блока
расположенным внутри него платиновым термометром сопротивления 6. От
излучения блока во время выхода установки на стационарный режим образец
защищен дисковым медным экраном 8.
Для быстрого охлаждения образца применен тепловой ключ, с помощью
которого при необходимости можно привести дно термостатированного блока в
контакт с кольцевой площадкой медного стаканчика, имеющего температуру ТЭ.
Производится это путем опускания термостатированного блока вниз с помощью
винтового привода. При обратном вращении контактные поверхности
разъединяются.
Тепловая ячейка подключается к измерительной системе, в состав которой
входят системы измерения температуры и термостатирования блока измерения
подводимой к образцу мощности, измерения разности температур между блоком
и образцом.
Измерение мощности осуществляется потенциометрическим способом
путем измерения тока через образцовый резистор 11 и падения напряжения на
нагревателе образца цифровым милливольтметром 10. Температура блока
измеряется цифровым термометром 7. Для задания температуры образца
используется стабилизированный источник питания 12.
143
9
6
10
7
3
4
8
5
11
12
2
1
Рисунок 17а
Измерительная схема установки:
1
вакуумированная камера, 2
образец с нагревателем,
3 термостатированный блок, 4 регулятор температуры,
5
дифференциальная термопара, 6 термопреобразователь,
7
измеритель температуры, 8
медный стакан,
9 перключатель, 10
милливольтметр, 11
образцовый
резистор, 12 источник питания
Рисунок 17б Температурная зависимость
полусферической интегральной излучательной способности Ni
144
Введение термостатированного блока, температура которого с высокой
точностью поддерживается равной температуре образца, позволяет значительно
снизить погрешность из-за тепловых утечек, вызванных наличием в тепловой
ячейке двух уровне температур Т и ТЭ. При температуре Т = 200 К,
соответствующей нижней границе диапазона измерений, тепловой поток по
проводам от образца к блоку, рассчитывается по формуле
Р
Т
ПР
l
S n,
(35)
где = 50 Вт/(м К) - теплопроводность материала проводов;
Т = 0,1 К – максимальная разность температур между образцом и
блоком,
вызванная погрешностью термостатирования;
l = 4 10-2 м – длина проводов;
S = 0,2 10-6 м2 – площадь их сечения;
n = 6 – число проводов.
При этих значениях, входящих в (2.36) величин тепловой поток РПР равен 15 мВт.
Эта величина составляет 1,5 % от потока теплового излучения,
рассеиваемого образцом при = 0,1 и F = 10-3 м2 в формуле (2.35). Значение
этой погрешности убывает с ростом температуры и для больших значений ИКТИ.
Кроме того, термостатированный блок позволяет повысить точность измерения
температуры поверхности образца, так как методические погрешности ее
измерения
при
полной
идеинтичности
спаев
дифференциального
термоэлектрического преобразователя и условий их закрепления в значительной
мере исключается. Расчет показывает, что погрешность измерения температуры
поверхности образца за счет перепада температуры по толщине поверхностной
оксидной пленки ( = 50 мкм) пренебрежимо мала (менее 0,1 К). Поэтому
погрешность измерения температуры поверхности образца, по-видимому, не
превышает 0,2 К.
Дрейф температуры образца, практически всегда имеющий место в
установках, реализующих стационарный метод, приводит к погрешности, которая
определяется вкладом мощности нагревателя в изменение температуры образца.
Это значение можно описать по формуле
mc U
U
P
,
(36)
где m,c – масса и удельная теплоемкость образца;
U – скорость изменения температуры.
Полагая m = 10 г, c = 0,5 Дж/г К, U = 2 10-5 град/с, получаем
U = 1 % при Т =
200 К. Эта составляющая погрешности часто выпадает из поля зрения
исследователей.
7. Вопросы теории и экспериментальное исследование компаратора
145
излучательных свойств
Выше было показано, что при наличии образца с хорошо изученной
температурной зависимостью ИКТИ ( О стандартного образца) можно измерять
ИКТИ ( х) исследуемого образца путем сравнения их температур ТО и
Тхв
условиях равенства потоков теплового излучения от образцов. Искомый ИКТИ
при этом рассчитывается по формуле
= ОТО4/Тх4.
(37)
Такой метод компарирования был предложен автором данной работы, реализован
в экспериментальном образце компаратора, исследован и внедрен в
промышленность совместно с И.И. Мисяченко 170, 171 .
Устройство компаратора приведено на рисунке 18. Компаратор состоит из
исследуемого образца 1 с системой термостатирования 2 и измерения
температуры 3, из стандартного образца 4 с системой регулирования 5 и
измерения температуры, из приемника теплового излучения 6, расположенного
между исследуемым и стандартным образцами. Приемник теплового излучения
содержит две идентичные соосные безоптические системы, состоящие из
цилиндрических обойм со вставленными в них наборами конусных диафрагм и
дифференциальный градиентный преобразователь теплового потока 7,
расположенный между безоптическими системами.
х
1
q
х
6
2
3
7
q
tnХ, Тх
о
4
tn,0То
0,
Т0
5
Рисунок 18 – Компаратор излучательных свойств: 1 – исследуемый образец с
нагревателем,
2
–
стандартный
образец
с
нагревателем,
3 – дифференциальный радиометр, 4 – тепломер, 5 – регулятор температуры
стандартного образца, 6 – регулятор температуры исследуемого образца,
7 – термометр с компенсацией теплоотвода
Компаратор работает следующим образом. С помощью системы
термостатирования устанавливается требуемая температура исследуемого
образца. Сигнал разбаланса от преобразователя теплового потока, обусловленный
различием тепловых потоков от исследуемого и стандартного образцов, подается
на вход системы регулирования температуры, которая автоматически
устанавливает необходимую для равенства потоков температуру стандартного
образца. После этого измеряются температуры исследуемого и стандартного
146
образцов. Значение ИКТИ рассчитывется по формуле (3.10), которая имеет более
простой вид, когда ТХ >> Тп , ТО >> Тп (Тп температура ПТП).
Преимущество разработанного компаратора по сравнению с аналогичными
устройствами состоит в наличии идентичных неселективных измерительных
каналов, использующих дифференциальный градиентный преобразователь
теплового потока. В качестве такого преобразователя использован
термоэлектрический батарейный гальванический преобразователь типа ДТП-03,
разработанный Институтом технической теплофизики НАН Украины.
Другим важным параметром теплоносителей в системах теплоснабжения является
его расход, который, как и количество теплоносителя, измеряется методами и
средствами расходометрии.
С ростом стоимости энергоресурсов в последние годы резко увеличивается
количество устанавливаемых теплосчетчиков и водосчетчиков. И, как следствие
этого, увеличивается количество проливных поверочных установок, необходимых
для их поверки. В основном это объемные или массовые установки и установки,
работающие на принципе непосредственного сличения показаний поверяемых
средств измерения (СИ) с эталонными (образцовыми) расходомерами 159 .
Последние находят все более широкое применение в связи с меньшими
габаритами и более низкой стоимостью. Однако лишь некоторые из этих
установок позволяют проводить поверку теплосчетчиков на горячей воде в
соответствии
с
рекомендациями
МОЗМ Р75-1-2002 и Р75-2-2002. Поэтому все более остро встает задача поверки
эталонных расходомеров и теплосчетчиков, особенно, при повышенных
температурах воды 194, 195, 196 .
Для решения этой задачи в СНИИМ разработана, изготовлена и внесена в
реестр средств измерений (Приложение Б) установка расходомерная массовая
поверочная 1-го разряда УМПР СНИИМ 197 . Единственная за Уралом
установка такого класса точности обеспечивает поверку эталонных расходомеров
и теплосчетчиков, входящих в состав проливных поверочных установок,
основанных на методе сличения с эталонами согласно поверочной схеме для
средств измерений массового расхода жидкостей (рисунок 55). Автором
установки, инициатором и участником ее изготовления и исследований является
автор данной диссертационной работы.
Принцип действия установки основан на определении массы поверочной
жидкости, пролитой через поверяемое СИ за определенный интервал времени, с
помощью прецизионного взвешивающего устройства (тензометрических весов).
147
*)
Рисунок 19 Поверочная схема для средств измерений массового
расхода жидкости. *) Место, занимаемое установкой УПМР СНИИМ
В состав установки входят измерительные и накопительная емкости,
взвешивающее устройство, устройство задания и измерения интервала
усреднения, а также гидравлическая система с измерительными участками
(рисунок 20).
Необходимый расход поверочной жидкости через поверяемые СИ
устанавливается с помощью частотного привода насосной системы. Поверочная
жидкость циркулирует из накопительной емкости через гидравлическую систему
148
снова в накопительную емкость. Еѐ расход контролируется с помощью эталонных
расходомеров.
В процессе измерения производится переключение с помощью перекидного
устройства потока воды из накопительной емкости в измерительные емкости и,
после заполнения последних, опять в накопительную емкость. При этом
формируются сигналы синхронизации начала и конца измерений, поступающие
на аппаратуру для измерения интервала усреднения, в качестве которой
используется электронно-счетный частотомер.
Измерительные емкости представляют собой два сообщающихся бака
вместимостью по 0,55 т, подвешенные на свободном подвесе к
силоизмерительному (тензометрическому) датчику взвешивающего устройства.
По такому принципу работают практически все массовые проливные
установки. Однако у УМПР СНИИМ есть одна особенность, существенно
выделяющая ее из общего ряда.
Высокая точность измерения массы достигается за счет периодической
калибровки взвешивающего устройства по вторичному эталону единицы силы
ВЭТ 32-1-85, расположенному таким образом, что точка приложения нагрузки на
датчик взвешивающего устройства совпадет с осью грузоприемной штанги для
закрепления набора эталонных гирь вторичного эталона единицы силы.
Созданная эталонная установка имеет следующие основные технические
характеристики:
диапазон воспроизводимого расхода жидкости от 0,02 до 140 т/ч (от 0,005 до
40 кг/с);
диаметр условного прохода поверяемых СИ от 5 до 100 мм;
диапазон измерения массы поверочной жидкости от 200 до 1100 кг;
границы относительной погрешности установки при измерения массы
поверочной жидкости при доверительной вероятности 0,99 не более ± 0,03 %;
границы относительной погрешности измерения расхода и объема при
доверительной вероятности 0,99 не более ± 0,05 %;
предел допускаемой относительной погрешности измерения времени не
более 0,01%;
нестабильность усредненного значения расхода не более 0,2 %;
диапазон температур поверочной жидкости от 10 ˚С до 90 ˚С;
нестабильность температуры поверочной жидкости за время измерения не
более 1,0 ˚С;
установка сохраняет свои метрологические характеристики при температуре
окружающего воздуха (20 ± 5) ˚С и относительной влажности от 30 % до 80 %.
149
линия синхронизации перекидного устройства
3
линия сигнала
6
силоизмерительного датчика
5
линия управления частотным
8
приводом насоса
2
11
1
12
13
7
4
9
10
14
15
18
от магистрали
19
20
21
5
16
17
22
23
Слив
8
3
2
11
1
Рисунок 20 – Схематическое изображение установки:
1 – гидравлическая система, 2 – измерительные емкости,
3 – силоизмерительный датчик, 4 – прибор вторичный
взвешивающего устройства, 5 – перекидное устройство,
6 – аретирующее устройство, 7 – аппаратура измерения интервала
усреднения, 8 – накопительная емкость, 9 – персональный
компьютер, 10 – набор эталонных гирь вторичного эталона единицы
силы, 11 – устройство откачки воды из измерительных емкостей,
12 – пульт управления устройства откачки воды из измерительных
емкостей, 13 – пульт управления аретирующего устройства,
14 –теплоэлектронагреватель (ТЭН), 15 – насосная система,
16 – эталонные расходомеры, 17 – поверяемые расходомеры,
18 – 23 – задвижки
150
В настоящее время установка используется для поверки и испытаний
эталонных расходомеров и теплосчетчиков, используемых в Западно-Сибирском
и Восточно-Сибирском регионах, а также для метрологического обеспечения
производства малогабаритных поверочных проливных стендов (МПСП) фирмы
«СЭМ» (г. Новосибирск). Кроме этого на установке поверяются прецизионные
импортные расходомеры с относительной погрешностью измерения расхода
менее 0,5 %.
Еще одной целью работы на установке является разработка и
апробирование методик поверки расходомеров (в том числе и эталонных) на
горячей воде. По существующей практике калибровка и поверка расходомеров и
теплосчетчиков проливным методом осуществляется на холодной воде при
температуре (20 ± 5) ˚С. Температура теплоносителя, массу которого эти приборы
должны измерять после установки на объектах, как правило, значительно выше.
Такое превышение рабочей температуры над поверочной приводит к появлению
дополнительной (неизвестной по значению и знаку) погрешности. Разработка
соответствующих методик и рекомендаций по учету этой дополнительной
погрешности у различных типов рабочих средств измерений, а также определение
метрологических характеристик на горячей воде эталонных расходомеров и
теплосчетчиков, используемых для поверки рабочих средств измерений на других
горячеводных проливных установках, позволит повысить точность измерения
количества теплоты в реальных системах теплоснабжения.
8. Измерение параметров теплоносителей
Рассмотренная в п. 1 модель объекта теплопотребления может быть дополнена
тем, что система теплоснабжения использует вынужденную конвекцию,
основанную на движении горячего теплоносителя внутри стенок канала
(трубопровод, отопительный прибор).
Основными физическими величинами, характеризующими эффективность
системы теплоснабжения являются входящие в (1.57) величины: плотность
теплового потока на теплообменной поверхности ОП, расход, температура и
теплоемкость теплоносителя. Рассмотрим особенности измерений каждой из
этих величин и основные задачи метрологического обеспечения этих измерений.
Плотность теплового потока. Рассмотренная модель объекта
теплопотребления (рисунок 1) с учетом тепловой схемы отопительного прибора
(рисунок 13) дают полное представление о последовательности передачи тепла от
теплоносителя в помещение и затем в окружающую среду (рисунок 18).
В соответствии с этой схемой горячий теплоноситель, имеющий параметры
сР, ТГ, G, являясь источником тепла, создает тепловые потоки Q1 и Q2 на
внутренней и внешней поверхности отопительного прибора, которые в
стационарном режиме равны между собой. Их значения определяются
температурным напором ТГ - ТО и зависят от коэффициента теплопередачи
151
k
(
12
d
1
1
12
1
12
2
) 1,
(38)
а также от площади поверхности теплообмена.
Аналогичный процесс происходит на стене объекта, которая разделяет
помещение и окружающую среду. При этом в стационарном температурном
режиме выполняется равенства Р = Q1 = Q2 = Q3 = Q4, из которых следует
Т
К
S
(Т
Г
Т
Х
)G
1
(Т
Х
Т
3
(Т
о
Т )F
3 3
34
Т )F
1 1
3
d
Т
4
F
34
12
d
4
Т
1
(Т
2
F
12
12
4
2
(Т
2
Т )F
о 2
(39)
Т )F .
с 4
34
Анализ этих равенств позволяет сделать следующие выводы:
- уменьшение любого из этих тепловых потоков приводит к уменьшению
всех остальных;
- уменьшение тепловых потоков Q1, Q12, Q2 за счет уменьшения k12, F1
приведет к понижению температуры ТО помещения;
- уменьшение тепловых потоков Q3, Q34, Q4 путем уменьшения k34, F4
приведет к понижению значений Q1, Q12, Q2 , а следовательно и мощности Р
источника тепла при сохранении значения ТО помещения.
Измерительные задачи, связанные с определением потоков Р, Q1….. Q6,
традиционно решаются путем измерения Р по формуле (1.9) с использованием
теплосчетчиков, измерением перепада температур Т3 – Т4 в стене помещения и
расчетом значений Q34 с привлечением данных по теплопроводности 34
материала стены и по ее геометрическим параметрам d34, F34. Наиболее
перспективным, на наш взгляд, является использование для решения этих задач
контактных преобразователей теплового потока, сигнал которых пропорционален
плотности теплового потока на поверхности или внутри стенки
тепловыделяющего объекта.
Температура теплоносителя. Учет количества теплоты является сферой
взаиморасчетов поставщиков энергоресурсов с их потребителями и, поэтому, на
нее распространяется государственный метрологический контроль и надзор. В
связи с этим совершенствование метрологического обеспечения каналов
измерения температуры, являющихся неотъемлемой частью теплоизмерительных
приборов и систем, есть наиболее важная задача термометрии в настоящее время,
особенно, в России с ее суровыми климатическими условиями и длительным
отопительным сезоном.
152
Жидкость
Теплоноситель
Cp, Tх,G
Тв.тело
Стенка
Оп
Q1
1, F1
T1,
12,
d12 ,T2
Q2
2,F 2
Газ
Воздух в
помещение
Pr, Gr, To
Q3
3, F3
Тв.тело
Стена
помещения
T3,
34,
d34,T4
Газ
Воздух среды
Q4
4, F4
Rе,Pr, Gr, Tс
Рисунок 21
Схема теплопередачи в системе теплоноситель- окружающая среда.
Средства измерений температуры, образующие термометрические каналы
теплоизмерительных приборов и систем (ТИС), должны удовлетворять
уникальным требованиям по точности измерений (погрешность до 0,01 0,05 °С),
в том числе по динамическим характеристикам 244 , и по эксплуатационной
надежности. Последнее требование не позволяет использовать наиболее точные
термометры с традиционными хрупкими стеклянными оболочками. Поэтому для
этой цели используются термометры с металлическими чехлами и защитными
153
гильзами. В этом случае обеспечение указанной точности измерений становится
или невыполнимым или, при соблюдении множества необходимых условий,
трудновыполнимым.
Далее рассматриваются научно-технические и некоторые организационные
задачи, решение которых требуется для обеспечения единства измерений,
выполняемых термометрическими каналами ТИС 74 .
Схематически эти каналы изображены на рисунке 19. В измерительной
цепи «объект измерения
тепловычислитель» возникают погрешности,
обусловленные взаимодействием объекта и датчиков температуры (ТС)
( 11
n1), погрешности ТС ( 12
n2), погрешности, обусловленные наличием
соединительных линий ( 13
n3), погрешности тепловычислителя ( 14
n4).
Погрешности 11
n1 являются методическими, остальные – инструментальными.
В общем случае для характеристики погрешностей ТИС необходимо указать
целую матрицу погрешностей (рисунок 20), содержащую (n х 4) элементов, где n
– число термометрических каналов. Чаще всего для определения значений этих
погрешностей используют поэлементные методы поверки с их последующим
суммированием. При этом правила суммирования необходимо определять и
экспериментально подтверждать при испытаниях конкретного типа ТИС.
Инструментальные погрешности сейчас определяют при испытаниях и поверке,
как правило, с использованием традиционных методов и оборудования, не
отвечающих указанным выше уникальным требованиям. Специализированные
методы поверки для ТС в составе ТИС и соответствующее оборудование в
настоящее время разрабатываются ВНИИМ, РОСТЕСТ-МОСКВА, СНИИМ,
Омским заводом «Эталон». Однако очень важно иметь в виду, что значения
погрешностей термометров, полученные даже в специализированных
термостатах, не могут быть гарантированы при измерениях температуры на
реальном объекте.
Поэтому, во-первых, условия определения метрологических характеристик
термометров должны быть по возможности максимально приближены к условиям
измерений, во-вторых, различия этих условий должны быть жестко
регламентированы и для конкретных узлов учета указаны в методиках
выполнения измерений, разработка которых предусмотрена ГОСТ Р 8.563.
Рассмотрим этот вопрос более подробно. Основными источниками методической
погрешности 1 стационарных температур tx теплоносителя является наличие
тепловых связей чувствительного элемента (ЧЭ) термопреобразователя со
стенкой трубопровода, имеющего температуру tст (рисунок 24).
154
Объект
Тепловычислитель
12
11
х
13
ТС1
14
22
23
ТС2
24
21
32
33
31
ТС3
34
n2
n3
ТСn
n4
n1
Рисунок 22
Эти
главным
Термометрические каналы теплоизмерительной
системы
11
12
13
14
21
22
23
24
31
32
33
34
- - - - - - - - - - n1
n2
n3
n4
тепловые
связи
осуществляются,
образом, посредством
Рисунок 23
Матрица погрешностей теплометрических
каналов теплосчетчика
теплопроводящих
элементов
(тепловой
поток
Q )
конструкции
термопреобразователя, а именно: по соединительным проводам с
теплопроводностью
м площадью сечения Sм; по электроизоляционным
материалам и засыпке ( к, Sк); по защитному чехлу или гильзе ( н, Sн). Кроме
155
этого для прозрачного теплоносителя необходимо учитывать радиационный
тепловой поток Q
(рисунок 22). Уравнение баланса тепловых потоков
(Q = Q + Q ) в этом случае приводит к равенству
(t x
где
э Sэ
tчэ ) F
L
( tчэ
t cт ) 4
3 (t
tчэ
чэ
t ст ) F .
(40)
– коэффициент теплоотдачи;
tчэ – температура чувствительного элемента;
F – площадь его поверхности; эSэ =
м Sм
+ к Sк + н Sн ;
tx
tср
1
tчэ
2
3
tст
5
4
Рисунок 24 – Схема термопреобразователя: 1 – чувствительный
элемент; 2 – соединительные провода; 3 – защитный чехол; 4 - стенка
трубопровода; 5 – клеммная колодка
Видно, что температура ЧЭ является функцией не только измеряемой
температуры tx, но и семи других физических величин
tчэ = f ( , F, L, э, Sэ, , tx, tст).
Погрешность
1
(40)
уменьшается при выполнении следующих тенденций:
,F
э
0, S э
,L
,
0,
0.
Решающим для исключения этой погрешности является условие tx
tст
Выполнение этого условия зависит от интенсивности теплообмена
поверхности трубопровода и режима течения теплоносителя ( ).
156
0.
на
t ст
Q
ьь
ь
Q
ЧЭ
tx
R
мSм
н Sн
Q
3S3
q ср, tср
L
l
Рисунок 24 – Тепловая схема измерения температуры
теплоносителей
L – глубина погружения верхней границы ЧЭ;
- коэффициент теплового излучения поверхности термопреобразователя;
= 5,67•10-8 Вт/(м2•К4) – постоянная Стефана-Больцмана.
Необходимо отметить, что значения F, L, э, Sэ,
должны быть
оптимизированы
при
разработке
конструкции
термопреобразователей,
предназначенных для применения в ТИС.
В качестве примера оценим возможное значение погрешности t для
простейшего случая линейного распределения температуры по длине защитного
чехла (или гильзы) и когда Q
Q (рисунок 23). Баланс тепловых потоков в
этом случае приводит к соотношению
t x tчэ
tчэ t ст
К,
где К = э, Sэ / FL.
Таблица
5. К расчету значений К
Таблица
6. К расчету погрешности
t
157
(41)
Комплекс К равен поправке (- 1), которую необходимо ввести в показания
термометра, при tчэ – tст = 1 К. Значения этих поправок для конкретных значений
влияющих величин приведены в таблицах 5 и 6.
Для рассмотренного примера расчетное значение теплового потока Q
составляет около 4 мВт ( = 100 Вт/(м2•К). Экспериментальная оценка этого
значения может быть проведена с помощью, например, датчика теплового потока
(ДТП),
расположенного
на
поверхности
термопреобразователя
(рисунок 24).
Безусловно влияние Q для двух идентичных термометров, находящихся в
близких условиях теплообмена и измеряющих разность температур, будет в
значительной степени исключаться. Однако эти условия должны соблюдаться при
монтаже термопреобразователей и регламентироваться методикой выполнения
измерений на данном узле учета. Это позволит исключить (или
предусмотреть) случайный (или преднамеренный) перегрев или охлаждение
головок термопреобразователей или соединительных линий при их выходе из
трубопровода, когда разность tчэ – tст может быть значительной.
Q , tx
tст
Q
tчэ
=0
Рисунок 25 – К определению погрешности измерения температуры
Определение
метрологических
характеристик
прецизионных
термопреобразователей для ТИС должно проводиться с использованием
специализированных термостатов. При этом условия теплообмена поверяемых
преобразователей по возможности должны быть близки к условиям их
эксплуатации на трубопроводах. В качестве примера рассмотрим один из
158
вариантов такого термостата (рисунок 26). Он содержит замкнутый контур,
который содержит теплообменник 1, нагреватель 2, насос 3, холодильник 4 и
регулятор температуры 6. По контуру циркулирует теплоноситель, например,
вода. Теплообменник предусматривается сменным в зависимости от габаритов
поверяемых термометров и имеет термометрические каналы в виде стандартных
защитных гильз, температура которых контролируется эталонными платиновыми
термометрами.
Необходимо отметить, что требования к однородности температурного поля
в рабочей зоне термостатов, предназначенных для этих целей, требует
дополнительных экспериментальных обоснований для термопреобразователей
конкретного типа.
Теплоемкость. Выше уже указывалось, что нагретый теплоноситель,
проходя по теплообменнику, охлаждаясь создает тепловой поток Q. При этом его
температура падает на некоторое значение Т = ТГ – ТХ. Значение этого падения
температуры определяется в частности двумя взаимосвязанными физическими
величинами –
удельной теплоемкостью сР и энтальпией
i. Эта связь
устанавливается известным соотношением
ТГ
с Р dT
i
.
(42)
ТХ
Существует два основных, наиболее точных метода измерения этих
физических величин
метод смешения 77
83 и метод адиабатического
калориметра 84
95 . Недостатками метода смешения является низкая
чувствительность
к изменению температурной зависимости измеряемых
величин. Поэтому в последние годы наиболее развивается метод адиабатического
калориметра, хотя его применение ограничено, как правило, температурами ниже
1300 К. Эти ограничения связаны с повышением уровня электрических помех,
возникающих в термометрических каналах в связи с повышением
электропроводности электроизоляционных материалов,
используемых
в
датчиках температуры 96
100 . Однако, если в качестве теплоносителя
используется вода, то эти ограничения температурного диапазона не столь
существенны.
В настоящее время метрологически обеспечены только измерения
теплоемкости твердых тел в широком диапазоне температур 105 107 . Единство
измерений в поверочных схемах для измерения теплоемкости основано на
использовании в качестве средств воспроизведения калориметров смешения при
высоких температурах 77, 80 и адиабатических калориметров при температурах
ниже 700 К 72, 108 , а также на стандартных образцах термодинамических
свойств, в качестве средств передачи размера единиц 109, 110, 223 .
Как было выше показано, в предположении постоянства удельной
теплоемкости теплоносителя от его температуры справедливо соотношение
Р с рG Т
(43)
Это соотношение можно использовать в различных вариантах для определения
параметров теплоносителя: теплового потока – по измерениям G
и Т при
159
известных значениях ср (например, чистой дистиллированной воды); расхода G –
по измеренным значениям Р, Т и известным значениям ср; удельной
теплоемкости ср – по измеренным значениям Р, G, Т. Соответствующие
расчетные формулы имеют вид:
для Р – (1.65),
для
для
для
G
с
Р
с
Т
р
Р
р
Т
G Т
Р
с G
,
(44)
,
(45)
.
(46)
р
Формула (1.67) очень важна в случае, когда свойства реального
теплоносителя (теплоемкость) неизвестны или сильно отличаются от
рекомендуемых табличных значений.
На ее основе могут быть созданы
лаборатории для оснащения измерительными установками (проточными
калориметрами
101 ) для определения действительных значений ср.
Принципиальная схема такого калориметра представлена на рисунке 26.
1
Р
2
Е
G
cр
ТГ
D
ТХ
3
l
Рисунок 26 – Схема измерительной установки для
определения действительных значений ср: 1 – тепломер,
2 – стенки трубопровода, 3 – теплоноситель
Однако наиболее точным методом определения зависимости теплоемкости
от температуры является на сегодня метод непосредственного нагрева вещества в
адиабатическом вакуумном калориметре постоянного объема.
Конструкция калориметра, работающая на этом принципе, описанная
Стрелковым П.Г. 102 , была положена нами в основу калориметрической
установки для измерения теплоемкости двухфазной системы жидкость-пар в
докритической области (р = 0,7 РКР) 103 .
Принципиальное устройство созданного калориметра приведено на рисунке
27.
160
Калориметрический сосуд 2, окруженный экранами 3, температура которых
поддерживается равной температуре калориметрического сосуда, помещен в
вакуумную камеру 1, находящуюся в сосуде Дьюара 4 с циркулирующей в нем
термостатирующей жидкостью. Откачка вакуумной камеры производится через
коммуникации вакуумной системы: трубу 7, с впаянными в нее черным телом 5,
разъем 8, азотную ловушку 9 и кран 10.
Калориметрический сосуд через капилляр 13 соединен с системой
заполнения. Во избежание конденсации пара в капилляре его температура
поддерживается несколько выше температуры исследуемой жидкости с помощью
нагревателя и контролируется дифференциальной медь-константановой
термопарой. Капилляр запирается под крышкой вакуумной камеры специально
сконструированным вентилем 12.
Система заполнения соединяется с одной стороны через кран 11 в
вакуумной системе калориметра, с другой стороны - через специальный разъем с
баллоном 6, заполненным исследуемым теплоносителем.
Внутренний объем калориметра, определенный методом гидростатического
взвешивания, равен 95,288
0,001 см3. Для поддержания необходимого
адиабатического
режима
калориметра
использован
трехканальный
автоматический регулятор температуры экрана, кольца и капилляра.
Измерение температуры производилось калориметрическим платиновым
термометром сопротивления, изготовленным и градуированным во ВНИИФТРИ.
На калориметрической установке были проведены измерения теплоемкости
наиболее изученного фреона-12 104 .
Теплоемкость сV исследуемого фреона-12 определена в диапазоне
температур от минус 70 до плюс 75 С при постоянном объеме двухфазной
системы согласно методике 101 по формуле
с
V
Q
Т
А,
(47)
где Т – подъем температуры калориметра, вызванный выделением количества
теплоты Q;
А – постоянная калориметра, определенная в диапазоне температур от минус 70
до плюс 90 С с погрешностью 0,3 %.
161
Рисунок 27 Принципиальное устройство адиабатического вакуумного
калориметра постоянного объема: 2
калориметрический сосуд, 3
экраны, 4 сосуд Дьюара, 5 черное тело, 6 баллон с исследуемым
теплоносителем,
7
вакуумные
трубы,
8
разъем,
9 азотная ловушка, 10 кран, 11 кран системы откачки калориметра,
12 вентиль, 13 капилляр
При измерении теплоемкости двухфазных систем жидкость-пар в отличие
от однофазных в главном периоде калориметрического опыта возможны
значительные искажения температурного поля калориметра, так как теплоемкости
жидкой и паровой фаз, заполняющих калориметр, резко отличаются друг от
друга. Заметим, что это обстоятельство является одной из главных причин
нарушения адиабатизации калориметра. Поэтому при измерении теплоемкости
особенное внимание уделялось своевременному выравниванию температурного
поля калориметра. Для этого нагрев калориметра проводился небольшими токами
(20 - 30 мА) в течении 10 - 15 мин. Выбор оптимального тока нагрева определялся
нами из условия совпадения значений теплоемкости в пределах 0,2 %,
полученных при различных мощностях нагрева. Подаваемое в калориметр
количество тепла равнялось 30 - 50 Дж, высота калориметрической ступеньки при
этом составляла 0,4 - 0,5 К.
Анализ источников погрешностей, выполненный на основе расчета и
экспериментальных исследований, показывает, что самые тщательные измерения
сV однофазных систем в широком диапазоне температур не позволяет надеяться
на значения погрешности измерений менее 0,5 %. Возможно это является
162
причиной незавершенных попыток создания государственного эталона удельной
теплоемкости сV жидкостей [81].
Единственным утешением в этой ситуации является то, что при приборном
учете тепла в качестве некоторой опоры используют данные по теплоемкости
(энтальпии) чистой дистиллированной воды, принятые на основе международных
соглашений.
8. Методы и измерительные установки для исследований и аттестации
стандартных образцов излучательных свойств материалов
Возрастающие требования к точности измерений параметров теплообмена
ставят задачу развития метрологического обеспечения этих измерений. Известно,
что для повышения надежности расчетов тепловых режимов
объектов,
находящихся в условиях теплообмена излучением, большое значение имеет
достоверность данных по интегральным коэффициентам теплового излучения
поверхности объектов.
Существующие теоретические методы позволяют оценить пока лишь их
качественный характер и непригодны для количественного определения этой
характеристики 40 . Этим объясняется увеличение числа способов измерения
ИКТИ. Однако результаты измерений, полученные различными методами 42 ,
часто противоречат друг другу. Например, расхождение данных по излучательной
способности чистого алюминия даже в области температур, близких к
комнатным, достигает 100 %. Противоречивы многие данные по температурным
зависимостям этой характеристики для алюминиевых и титановых сплавов.
Таким образом, необходимость создания средств метрологического обеспечения
установок для измерений ИКТИ очевидна.
Возможным путем решения этой проблемы является создание исходной
установки высшей точности, исследование с ее помощью и аттестация набора
стандартных образцов излучательных свойств материалов, создание компаратора,
позволяющего определять ИКТИ исследуемых образцов методом сличения со
стандартными образцами.
В рамках данной работы создана прецизионной измерительная установка,
предназначенная для исследований и аттестации стандартных образцов
излучательных свойств 126 . Действие установки основано на применении
стационарного калориметрического метода, который использует законы
радиационного теплообмена исследуемого образца, имеющего постоянную
температуру Т, с окружающей его замкнутой оболочкой, имеющей температуру
ТЭ. Постоянство температуры образца наступает при равенстве значений
электрической мощности Р, подводимой к образцу, и результирующего теплового
потока Q излучения между образцом и оболочкой. Это равенство имеет вид
152 .
εσF Т 4
Р
1
ε
Т4
э
F 1
(
Fэ ε
,
1)
Э
163
(48)
где , F – ИКТИ и площадь поверхности образца;
Э, F Э – те же характеристики для внутренней поверхности оболочки.
При осуществлении метода обычно стремятся к выполнению условий
(49)
Т Т ; F F;
1.
э
э
В этом случае ИКТИ образца можно рассчитать по формуле
Р / F (Т 4
Т 4 ).
э
(50)
Выбор абсолютного метода обусловлен тем, что в области умеренных
температур при его реализации в настоящее время достигнута наибольшая
точность измерений выделяемой в образце мощности, высокая однородность
температурных полей образца и оболочки; отработаны схемы автоматического
термостатирования и компенсации утечек тепла от образца. Все это позволяет
осуществить,
например,
в
государственных
специальных
эталонах
теплопроводности и теплоемкости 70 , измерение выделяемой в образце
мощности с погрешностью менее 0,1 %, термостатирование с погрешностью 0,01
К. Можно ожидать, что в этом случае предельная погрешность измерения ИКТИ
в соответствии с расчетной формулой (2.35) должна составить не более 0,2 %.
Однако при осуществлении метода на реальной измерительной установке
появляются дополнительные погрешности, обусловленные особенностями ее
конструкции и спецификой измерения излучательной способности. К таковым
относятся тепловые утечки по элементам конструкции и проводам, вызванные
обязательным наличием в измерительной ячейке двух уровней температур
Т и ТЭ, невозможность установления идеального стационарного режима,
погрешность измерения температуры поверхности образца, селективность
излучения образца, а также несоблюдение условий (2.34). Эти дополнительные
погрешности будут оценены после рассмотрения конструкции.
Основным измерительным устройством установки, созданной в рамках этой
диссертационной работы является тепловая ячейка (рисунок 28а), которая
заключена внутри вакуумированной медной камеры 1, помещенной в сосуд
Дьюара
с жидким азотом. Внутренняя поверхность камеры зачернена и
выполняет роль поглощающей оболочки, температура которой равна температуре
хладоагента. Образец с нагревателем 2 подвешен в камере на токоподводящих
проводниках.
Особенностью
ячейки
является
наличие
медного
термостатированного блока 3 , расположенного вблизи образца и содержащего
продольные пазы на поверхности для укладки проводников и термоэлектродов,
проводящих внутри медной трубки от образца к блоку. С его помощью
реализуется метод моделирования 75, 76 при измерении температуры
поверхности образца.
Блок термостатируется с помощью нагревателя,
намотанного бифиллярно на его поверхности. Температура блока в процессе
эксперимента поддерживается с помощью регулятора 4 равной температуре
образца, по сигналу дифференциального медь-константанового преобразователя
температуры 5. Это позволяет сохранить температурное поле образца
неискаженным при наличии теплостоков в виде подводящих проводников и
164
термоэлектродов термопар и измерять температуру образца с погрешностью не
более 10 мК путем измерения температуры термостатированного блока
расположенным внутри него платиновым термометром сопротивления 6. От
излучения блока во время выхода установки на стационарный режим образец
защищен дисковым медным экраном 8.
Для быстрого охлаждения образца применен тепловой ключ, с помощью
которого при необходимости можно привести дно термостатированного блока в
контакт с кольцевой площадкой медного стаканчика, имеющего температуру ТЭ.
Производится это путем опускания термостатированного блока вниз с помощью
винтового привода. При обратном вращении контактные поверхности
разъединяются.
Тепловая ячейка подключается к измерительной системе, в состав которой
входят системы измерения температуры и термостатирования блока измерения
подводимой к образцу мощности, измерения разности температур между блоком
и образцом.
Измерение мощности осуществляется потенциометрическим способом
путем измерения тока через образцовый резистор 11 и падения напряжения на
нагревателе образца цифровым милливольтметром 10. Температура блока
измеряется цифровым термометром 7. Для задания температуры образца
используется стабилизированный источник питания 12.
Введение термостатированного блока, температура которого с высокой
точностью поддерживается равной температуре образца, позволяет значительно
снизить погрешность из-за тепловых утечек, вызванных наличием в тепловой
ячейке двух уровне температур Т и ТЭ. При температуре Т = 200 К,
соответствующей нижней границе диапазона измерений, тепловой поток по
проводам от образца к блоку, рассчитывается по формуле
Р
Т
ПР
l
S n,
(51)
где = 50 Вт/(м К) - теплопроводность материала проводов;
Т = 0,1 К – максимальная разность температур между образцом и
блоком,
-2
вызванная погрешностью термостатирования; l = 4 10 м – длина проводов;
S = 0,2 10-6 м2 – площадь их сечения; n = 6– число проводов.
При этих значениях, входящих в (2.36) величин тепловой поток РПР равен 15 мВт.
165
9
6
10
7
3
4
8
5
11
12
2
1
Рисунок 28а
Измерительная схема установки:
1
вакуумированная камера, 2
образец с нагревателем,
3 термостатированный блок, 4 регулятор температуры,
5
дифференциальная термопара, 6 термопреобразователь,
7
измеритель температуры, 8
медный стакан,
9 перключатель, 10
милливольтметр, 11
образцовый
резистор, 12 источник питания
Рисунок 28б Температурная зависимость
полусферической интегральной излучательной способности Ni
166
Эта величина составляет 1,5 % от потока теплового излучения,
рассеиваемого образцом при = 0,1 и F = 10-3 м2 в формуле (2.35). Значение
этой погрешности убывает с ростом температуры и для больших значений ИКТИ.
Кроме того, термостатированный блок позволяет повысить точность измерения
температуры поверхности образца, так как методические погрешности ее
измерения
при
полной
идеинтичности
спаев
дифференциального
термоэлектрического преобразователя и условий их закрепления в значительной
мере исключается. Расчет показывает, что погрешность измерения температуры
поверхности образца за счет перепада температуры по толщине поверхностной
оксидной пленки ( = 50 мкм) пренебрежимо мала (менее 0,1 К). Поэтому
погрешность измерения температуры поверхности образца, по-видимому, не
превышает 0,2 К.
Дрейф температуры образца, практически всегда имеющий место в
установках, реализующих стационарный метод, приводит к погрешности, которая
определяется вкладом мощности нагревателя в изменение температуры образца.
Это значение можно описать по формуле
mc U
U
P
,
(52)
где m,c – масса и удельная теплоемкость образца;
U – скорость изменения температуры.
Полагая m = 10 г, c = 0,5 Дж/г К, U = 2 10-5 град/с, получаем
U = 1 % при Т =
200 К. Эта составляющая погрешности часто выпадает из поля зрения
исследователей.
167
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕПЛООБМЕНА
Кандидат технических наук, В.Я. Черепанов
Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский институт метрологии (ФГУП СНИИМ)
Жизнедеятельность человека связана с окружающей средой и протекает во времени и в
пространстве. Что касается времени, то оно традиционно измеряется часами. Это сейчас
настолько привычный прибор, что на бытовом уровне, его зачастую, забывают относить к
средствам измерения. Для измерений параметров пространства в последние годы появились
уникальные измерительные приборы – приемники ГЛОНАСС/GPS, которые позволяют с
помощью спутниковых навигационных систем найти значения координат точки пространства, в
которой находится человек, а при необходимости измерить расстояние на которое он
перемещается.
Что касается окружающей среды, и тел, находящихся в пространстве, то их физическое
состояние характеризуется, прежде всего, температурой. Особенностью температуры, как
фундаментальной физической величины, является то, что она не только определяет степень
нагретости тел (внутреннее количество теплоты – определяемое энергией движения частиц, из
которых состоит тело), но и направление, а также интенсивность обмена теплотой с другими
телами (средами), имеющими иную температуру. Теплота передается от более нагретого тела (с
большей температурой) к телу, имеющему меньшую степень нагретости (температуру). В этом
– большой гуманизм окружающего нас мира, который в результате теплообмена заполнен
тепловыми потоками, имеющими различные направления и интенсивность.
Интенсивность теплообмена возрастает с увеличением разности температур между
телами и характеризуется важнейшей физической величиной – тепловым потоком Q, который
измеряется в ваттах (Вт).
Для оценки интенсивности теплового потока удобно пользоваться его значением,
отнесенным к единице площади поверхности, которую он пронизывает по направлению
нормали. Эту физическую величину, обозначаемую обычно q, называют поверхностной
плотностью теплового потока. Она измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). В таблице
1 приведены примеры значений плотности теплового потока, характеризующие интенсивность
теплообмена между объектами , имеющими разные значения температур.
Таблица 1
NN
Объекты (физические тела и среды)
q, Вт/м2
п/п
с температурами Т1 и Т2
(на поверхности)
Т1, С
Т2, С
1
Солнце-поверхность Земли
5500
– 15
1360
2
Нижняя граница литосферы –
1500
– 15
0,06
поверхность Земли
3
Открытая поверхность конфорки
600
20
40000
электроплиты –жилое помещение
4
Поверхность отопительного
50
20
300
прибора
5
Открытая поверхность тела
35
20
100
человека - жилое помещение
6
Поверхность стены жилого
20
–5
20
помещения панельного дома –
наружный воздух
168
Поверхность обычного остекления
20
–5
60
жилого помещения – наружный
воздух
Необходимо отметить, что в жизни человека тепловые потоки играют важнейшую роль,
в частности, определяют комфортные условия жизнедеятельности. Это касается как
климатических условий местности, так и комфортности жилых помещений.
Источниками тепловых потоков являются тела, имеющие более высокую температуру
относительно другого тела (среды). Это, например, Солнце, электронагревательные и
отопительные приборы, поверхность тела человека относительно окружающей среды, имеющей
более низкую температуру и являющейся приемником теплового потока. При этом
комфортность человека зависит не столько от температуры среды, как от интенсивности
тепловых потоков, особенно, с открытых участков тела, незащищенных одеждой. Как далее
будет показано, при одной и той же температуре окружающей среды, например, 20 С для
спокойного воздуха или движущейся воды в реке, тепловые потоки с поверхности тела могут
отличаться более, чем в 100 раз.
Как правило, каждое тело находится в теплообмене с несколькими телами или средами,
по отношению к которым оно является источником или приемником тепловых потоков. Если
соблюдается баланс (равенство) подводимых к телу и теряемых им тепловых потоков,
температура тела остается неизменной во времени. Такой температурный режим называют
стационарным.
При нарушении баланса в сторону преобладания подводимых к телу тепловых потоков
его температура возрастает. Если преобладают потери тепла, то тело остывает. Скорость
изменения температуры при этом определяется значениями небаланса тепловых потоков Q, а
также массой m и удельной теплоемкостью тела с по формуле
7
= Q / cm.
(1)
Количественная связь плотности теплового потока с температурами тел или сред,
находящихся в теплообмене, устанавливается тремя основными законами:
– законом Фурье для кондуктивного теплообмена (теплообмен теплопроводностью)
q
λ
λ
Т
Т
1
2
,
(2)
d
где
– теплопроводность среды, Вт/(м К); d – расстояние между двумя изотермами
среды или тела с температурами T1 и T2 (Т1 Т2), С (К);
– законом Ньютона для конвективного теплообмена (теплообмен за счет перемещения
газовой или жидкой среды)
q = (Т1 - Т2),
(3)
2
где
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К); Т1 – температура поверхности тела,
С (К); Т2 – температура среды, С (К);
– законом Стефана-Больцмана для радиационного теплообмена (теплообмен
излучением)
q =
(T14 –T24),
(4)
где – эффективный коэффициент теплового излучения поверхности тел (0
1),
-8
2
4
– постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10 Вт/(м К ); Т1, Т2 – абсолютные
температуры поверхностей тел, (К).
Входящие в формулы (2) – (4) физические величины q, Т, , ,
будем называть
основными параметрами теплообмена, характеризующими стационарный температурный
режим. При этом величины q и Т являются основополагающими (Т – причина,
169
q – следствие), а величины , , – выполняют функцию коэффициентов, от значения которых
также, как и от разности температур, зависит интенсивность теплообмена .
Далее последовательно рассмотрим состояние и направления развития техники
измерений этих величин и их метрологическую обеспеченность.
Вопросы температурных измерений (параметр Т) уже рассматривались на страницах
нашего журнала, поэтому в данной статье они опущены, как и вопросы измерений
теплоемкости, а также других теплофизических величин, связанных с процессами теплообмена
при нестационарных режимах.
Плотность теплового потока (q). Для определения тепловых потерь зданий,
сооружений, различных теплоэнергетических объектов все более широко используются
измерительные преобразователи теплового потока (ПТП) типа «вспомогательной стенки».
Принцип действия преобразователей основан на формировании электрического сигнала
Е , пропорционального разности температур Т , создаваемой измеряемым тепловым потоком
плотностью q на некотором постоянном термическом сопротивлении R, имеющим обычно вид
пластины (стенки). Они содержат чувствительный элемент, представляющий собой
термическое сопротивление в виде слоя материала 1 толщиной h с теплопроводностью
, на
поверхностях которого размещены датчики температуры 2, чаще всего, спаи
дифференциальных термоэлектрических преобразователей (рис.1). Контактные пластины
(слои) 3 обеспечивают необходимый тепловой контакт с поверхностью объекта и защищают
чувствительный элемент от внешних воздействий.
Е
Т
h
1
2
3
Рис.1. Устройство преобразователя теплового
потока
Такие преобразователи, которые часто называют контактными тепломерами, размещают
на поверхности объекта, измеряют электрический сигнал и рассчитывают плотность теплового
потока по формуле
q = КЕ,
(5)
где К – коэффициент преобразования, Вт/ (м2 мВ), который зависит от значений R ,
чувствительности дифференциальных термопреобразователей, и который определяют
экспериментальным путем.
Для измерения сигнала ПТП используют милливольтметры или специальные
переносные или стационарные измерители, которые отображают результат измерений в
значениях плотности теплового потока. К таким специальным средствам измерения относятся,
например, цифровые измерители тепловых потоков серии ИТП 20…… 24,
а также
информационно-измерительные комплексы ИТС, предназначенные для тепловых испытаний
строительных
конструкций,
выпускаемые
Институтом
технической
теплофизики
(ИТТФ г. Киев). Аналогичные приборы (ИТП – МГ «Поток») выпускает СКБ «Стройприбор»
(г. Челябинск).
170
В СССР и России наибольшее распространение получили гальванические
термоэлектрические ПТП, разработанные ИТТФ, представляющие собой многоспайную
(до 1000 спаев) биметаллическую термобатарею, свернутую в плоскую спираль и
расположенную в материале из диэлектрика. Аналогичные преобразователи созданы в
Институте измерительной техники (г.Королев) на основе гальванической термобатареи,
размещенной в пластине из оргстекла. Для повышения чувствительности преобразователей
используют также полупроводниковые термобатареи (СКБ теплофизического приборостроения
(г.Санкт-Петербург),
КБ
«Фотон»
(г.Тернополь),
Сухумский
физико – технический институт). В настоящее время технологию промышленного производства
контактных тепломеров осваивает завод «Эталон» (г.Омск). Из зарубежных производителей
ПТП наиболее известна фирма «PANENSA» (Швейцария).
Все эти преобразователи широко используются при изучении тепловых процессов,
прежде всего, в теплоэнергетике, а также в авиационной и ракетно-космической технике, в
геофизике и медицине. Коэффициенты преобразования ПТП обычно имеют значения от 1 до
100 Вт/(м2 мВ). Размеры и формы преобразователей различны. Они бывают круглой,
квадратной или прямоугольной формы с характерными размерами от 10 до 330 мм и толщиной
от 0,5 до 15 мм. Диапазон измеряемых плотностей тепловых потоков – 1 10000 Вт/ м2 при
температурах от – 200 до 650 С. Технические требования к преобразователям приведены в
межгосударственном стандарте ГОСТ 30619.
Для метрологического обеспечения средств измерений поверхностной плотности
теплового потока в диапазоне 10 2000 Вт/ м2 в СССР с 1989 г. действует Государственная
поверочная схема (МИ 1855-88). Возглавляет поверочную схему созданная и находящаяся в
СНИИМ установка высшей точности УВТ 53-А-88, которая предназначена для
воспроизведения и хранения размера единицы плотности теплового потока с погрешностью
менее 1% (НСП) в диапазоне 200 400 К, а также для передачи размера единицы при помощи
образцовых
(эталонных) средств измерений (СИ) рабочим (СИ), имеющим пределы
допускаемых относительных погрешностей от 4 до 10 %.
Работа существующей УВТ основана на использовании односторонней (полуоткрытой)
адиабатической оболочки, с помощью которой формируется тепловой поток через эталонный
ПТП. Для этой цели источник теплового потока (рис.2) в виде плоского электрического
нагревателя 1 одной поверхностью контактирует с поверхностью эталонного тепломера 2,
которому передается размер единицы q. Другая поверхность нагревателя окружена
адиабатической оболочкой – подогреваемым экраном 3, температура Тэ которого
поддерживается равной температуре Тн нагревателя с помощью автоматического регулятора.
При этом тепловой поток от нагревателя полностью направлен в тепломер, который прижат к
термостатированному блоку 4 (холодильнику). Измерения электрической мощности Р
нагревателя, сигнала Е и площади F преобразователя позволяют найти коэффициент
преобразования: К0 = q/Е0 = Р/FЕ0 (10 q 2000 Вт/м2). Ступенчато изменяя температуру
холодильника, можно определить температурную зависимость К0 = К(Т).
Передача размера единицы q от эталонных рабочим ПТП осуществляется в
соответствии с МИ 1855-88 кондуктивными или радиационными компараторами. Наибольшее
распространение получили кондуктивные компараторы, основанные на сравнении показаний
идентичных по форме и размерам поверяемого и эталонного ПТП, когда через них проходит
одинаковый тепловой поток. Тепловой поток плотностью q создается за счет разности
температур нагревателя и холодильника, между которыми помещены в виде «сэндвича» оба
ПТП.
В этом случае
q = К0Е0 = КХЕХ, Е х
171
К
К
0
х
Е
0
(6 )
где К0, Е0 и КХ, ЕХ – коэффициенты преобразования и сигналы соответственно эталонного и
поверяемого ПТП. Погрешность компаратора в диапазоне 150…400 К не превышает 1,5 %.
В настоящее время возросли требования к уровню точности и диапазону
измерений, средств воспроизведения и передачи размера единицы q, а также к универсальности
их измерительных ячеек относительно размеров и форм ПТП. Кроме этого назрела
необходимость изменения статуса УВТ на государственный эталон при одновременном
снижении его погрешности, в частности, для обеспечения метрологического запаса точности и
общего ее повышения в поверочной схеме.
4
5
2
1
3
Тн
Тэ
N2
Рис.2. Схема тепловой измерительной ячейки УВТ 53-А-88:
1 – нагреватель; 2 – эталонный ПТП; 3 – адиабатический экран;
4 – холодильник; 5 – корпус вакуумной камеры (ТN2 - 196 C)
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ( ) Точное
знание значений
этой физической
величины
приобретает все более важное значение при решении задач энергосбережения. Именно от нее
зависят теплоизоляционные свойства материалов, из которых изготавливают ограждающие
конструкции зданий и сооружений.
Действительно, согласно закону Фурье (3) тепловые потери через ограждающую
конструкцию, например через стену здания, определяются плотностью q , пронизывающего ее
теплового потока. Значение этой плотности прямо пропорционально теплопроводности
материала стены, перепаду температур Т = Т1 – Т2 на внутренней (Т1) и внешней (Т2) ее
поверхностях и обратно пропорционально толщине стены d. Взаимосвязь этих величин
позволяет рассчитывать теплопроводность по формуле
= q d / Т, Вт/(м К).
(7)
Часто для оценки качества теплоизоляции используют понятие термическое
сопротивление R, которое определяет величину отношения перепада температур Т на слое
теплоизоляции к плотности q пронизывающего ее теплового потока.
Требования к методам определения теплопроводности и термического сопротивления
строительных материалов и изделий изложены в стандартах ИСО8301:1991, ИСО8302:1991,
ГОСТ 7076–99.
В таблице 2 приведены значения теплопроводности различных веществ и материалов
при температуре 20 С
Таблица 2
Вещества, материалы
Вещества, материалы
, Вт/(м К)
, Вт/(м К)
-3
Вакуумированные
Медь
400
(1 5) 10
порошковые и
волокнистые материалы
Экранно-вакуумная
0,025 10-3
Строительные материалы,
1 5
172
теплоизоляция
Воздух
Теплоизоляторы
Полимерные материалы
*)Органическое стекло
(полиметилметакрилат)
Стекла
*)Плавленый кварц
0,03
0,04 0,1
0,2 0,5
0,2
горные породы
Металлы и сплавы
*)Титановый сплав ВТ – 6
*)Нержавеющая сталь
5
400
7
15
0,7 1,4
1,36
*) стандартные образцы теплопроводности, из которых изготавливают эталонные меры.
Измерения теплопроводности обычно основаны на прямом использовании закона Фурье
в рамках строгой математической модели теплового процесса. Для этого исследуемый образец
материала выбирают чаще всего в виде пластины или стержня (рис.3). В образце 1, который
помещают между нагревателем 2 с температурой Т1 и холодильником 3 с температурой Т2,
создают тепловой поток с плотностью q . Плотность теплового потока определяют по
измерениям электрической мощности нагревателя (абсолютный метод - а) или измеряют
одним, или двумя тепломерами, прилегающими к «горячей» и (или) «холодной» поверхностям
образца (теплометрический метод - б). Измеряется также перепад температур Т на образце и
его толщина (высота) d.
Теплопроводность рассчитывают по формуле (7). В абсолютном методе нагреватель
окружают адиабатической оболочкой – экраном, температуру которого поддерживают равной
температуре нагревателя. Это является гарантией того, что весь тепловой поток от нагревателя
направляется через образец.
3
Т2
d
q
Т1
3
1
Т2
d
4
5
q
Т1
1
2
а)
б)
2
Рис. 3 Тепловые модели измерения теплопроводности:
а) абсолютный метод стержня; б) теплометрический метод пластины;
1 – образец , 2 – нагреватель, 3 - холодильник,
4 – адиабатический экран, 5 – тепломеры
При внешней простоте рассмотренных тепловых моделей возникают трудности
формирования и точного измерения теплового потока, а также измерения малой разности
температур на поверхностях образца.
Примером удачной реализации рассмотренных моделей являются приборы
американской фирмы «Dynatech» (таблица 3) основанные на стационарном методе пластины с
использованием для измерения теплового потока тепломеров (модель R20), или плоского
нагревателя с односторонней адиабатизацией (модель R30). Приборы специализированы для
измерений термического сопротивления и теплопроводности эффективных теплоизоляторов.
173
, 103 Вт/(м К)
Измерения теплопроводности таких, обычно, пористых теплоизоляционных материалов
имеет свои особенности. Передача тепла в таких материалах обеспечивается твердотельной и
газовой составляющими теплопроводности, а также излучением. Этот последний фактор
теплопередачи приводит к зависимости измеренных значений теплопроводности от толщины
исследуемого образца. Такое явление, называемое часто «эффектом толщины», наблюдается у
материалов с низкой плотностью даже при комнатных температурах и становится все более
существенным с повышением температуры.
На рис.4 представлены типичные данные по «эффекту толщины», представленные
компанией «Dynatech». Достоинством приборов, выпускаемых этой компанией, является
возможность исследования эксплутационных значений термического сопротивления и
теплопроводности теплоизоляторов благодаря использованию в качестве образцов фрагментов
реальных изделий из таких материалов.
d, мм
57
43
29
0
200
100
Рис.4 Влияние толщины изоляторов низкой
плотности на теплопроводность
Одним из наиболее производительным и, вместе с тем, точным является прибор
КТ-6, основанный на
стационарном методе двухточечного теплового зондирования
поверхности материалов и изделий. Прибор состоит из выносного теплового зонда, который
устанавливают на ровном участке поверхности материала или изделия, и электронного блока,
который управляет тепловым режимом зонда и вычисляет теплопроводность. Тепловой зонд
(рис.5) содержит два измерительных стержня 1, нижние торцы которых находятся в тепловом
контакте с поверхностью исследуемого материала или изделия, а верхние их части – прижаты к
рабочим поверхностям термоэлектрической
Пельтье-батареи 2. Регулировкой тока,
протекающего по термобатарее, создают и поддерживают постоянной разность температур Т32
= Т3 – Т2 между верхними участками измерительных стержней. При этом нижний торец одного
их стержней переохлаждается (температура Т1), а другой перегревается (температура Т4)
относительно температуры образца. Степень перегрева и переохлаждения определяется по
разности температур
Т41
нижних торцевых поверхностей стержней и зависит от
теплопроводности материала или изделия. Эта разность тем меньше, чем выше измеряемая
теплопроводность
и
приближается
к
Т32,
когда
0.
Зависимость
Т41 = f ( ) (рис.6) определяется путем градуировки прибора по эталонным
мерам – образцам с известной
теплопроводностью. Все температурные измерения
осуществляются с помощью дифференциальных термоэлектрических преобразователей. При
высокой производительности (продолжительность одного измерения менее 5 7 минут) прибор
обладает достаточно малой погрешностью в 2 7 %.
Некоторые приборы и установки для измерений теплопроводности основаны на
нестационарных (динамических) методах, в которых используются закономерности
174
пространственно- временного распределения температур в исследуемом образце при
воздействии на него источников теплового потока заданной мощности. Преимуществом таких
методов является высокая производительность измерений, особенно, при исследованиях
температурной зависимости теплопроводности. Однако они менее точны, чем стационарные и,
кроме того, практически непригодны по ряду причин для измерений теплопроводности
эффективных теплоизоляторов.
В таблице 3 приведены основные технические характеристики некоторых отечественных
и зарубежных приборов и измерительных установок, предназначенных для измерений
теплопроводности твердых материалов. В действительности перечень существующих средств
измерений теплопроводности значительно больший. Большинство из них уникальны и
изготовлены в единичных экземплярах для решения специальных задач. Тем не менее все
средства измерений, используемые в сфере энергосбережения, подлежат государственному
2
1
метрологическому контролю и надзору.
Т2
Т1
Т3
q
Т4
а)
Т
Т3
Т1
0
l
Т4
б)
Т2
Рис.5 Принцип действия прибора КТ-6. а) Тепловой зонд:
1- измерительные стержни, 2 – термоэлектрическая батарея.
б) распределение температуры на поверхности образца
175
Т2
КВ
К-8
Т41 = Т4
ПММК
Т1
ТФ-1
Т32 = Т3
0
1,5
0,5
, Вт/(м К)
Рис. 6 Зависимость Т = f ( )
Метрологическое обеспечение измерений теплопроводности твердых тел в наиболее
важном для практики температурном диапазоне от 90 до 1100 К основано на поверочной схеме
по ГОСТ 8.140-82. Возглавляет схему Государственный эталон, в составе которого:
– эталонная установка, реализующая стационарный метод измерения радиального теплового
потока в цилиндре для значений от 0,1 до 5 Вт/(м К) в диапазоне температур 90…500 К;
– эталонная установка для измерения теплопроводности от 5 до 20 Вт/(м К) в диапазоне
температур 300…1100 К, реализующая стационарный метод измерения аксиального
теплового потока;
– набор эталонных мер для контроля стабильности эталона (из органического стекла,
титанового сплава ВТ-6, низкоуглеродистой и нержавеющей стали).
176
Таблица 3. Технические
теплопроводности
Тип
прибора
Диапазон
, Вт/(м К)
характеристики
Температура
образца, С
некоторых
приборов
Погрешность,
%
Размеры
образца,
D / d*), мм
для
измерения
Изготовитель
СТАЦИОНАРНЫЙ МЕТОД
ИТЭМ-1М
0,1
100
20
10
10
15
1 15
25
5
2 **)
100
6
15
1 10
60 120
0,5 10
30
10
ИТО-20М
0,1
9
ИТ-5
0,03
5
-50
КТ-6
0,03
100
0
70
R20/30
0,015 0,45
0
40
ТАУ-2
0,1
100
ИТП-МГ4
0,03
0,03
1,5
0,8
2
7
2
610х610
0 200
30
2
14
2 30
-40 200
10 40
3
5
250х250
100х100,
250х250
-260
ГСКБ
«Теплофизприбор»
Ленинград, СССР
«ЛТИХП»
Ленинград, СССР
«ИТТФ»,
.Киев, Украина
«СНИИМ»,
Новосибирск, Россия
«DYNATECH R/D
Company», Cambridge,
США
«ВНИИФТРИ»,
Менделеево, Моск. обл.,
Россия
Нормы ГОСТ 7076-99
«Стройприбор»,
Челябинск, Россия
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ (динамический) МЕТОД
ИТ- -400
ИТЛ-С400
ТСТ426
ТС-3000
5
-100
400
10
0,2 20
-150
400
5
1 20
25
0,1
0,1
400
-140
1500
2200
10
15
0,5 5,0
20
5 40
300х200
230
10
0,7 4
«Эталон», Актюбинск,
СССР
«ЛТИХП», Ленинград,
СССР
«NETZSCH-GeraetebauHomepage», Германия
«SINKU-RICO, INC»,
Yokohama, Япония
*) D диаметр или поперечные размеры,
d толщина.
**) выделены рекордные значения по точности, диапазону измерений, пределам диапазона
температур, размерам образца.
Метрологические характеристики эталона:
случайная погрешность – (0,3…1)%;
систематическая погрешность – (0,6…2) % при изменении теплопроводности
от 0,1 до 20 Вт/(м К) в указанных выше диапазонах температур.
После утверждения эталона в области измерений теплопроводности произошли
значительные изменения. Стали интенсивно развиваться энергосберегающие технологии,
основанные на применении новых теплоизоляционных и строительных материалов. В
-
177
ГОСТ 7076-99 на метод определения теплопроводности такого типа материалов и
строительных изделий установлена погрешность рабочих средств измерений, не
превышающая 3 %. В существующей же поверочной схеме нижний предел измерения
составляет 0,1 Вт/(м К), а погрешность для рабочих средств измерений превышает 5 %.
В качестве рабочих эталонов поверочная схема предусматривает использование набора мер
теплопроводности, нижнее значение диапазона теплопроводности которых составляет при
комнатных температурах 0,2 Вт/(м К) (полиметиметакрилат). Это практически в 5-10 раз
больше теплопроводности современных эффективных теплоизоляторов.
Таким образом возникла крайняя необходимость расширения диапазона
воспроизведения и передачи размера единицы до 0,02…0,03 Вт/(м К) и обеспечить более
высокую точность измерений теплопроводности для рабочих средств измерений. В
настоящее время ВНИИМ им. Д.И. Менделеева завершает работы по созданию такого
эталона и соответствующей поверочной схемы.
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ( )
Как следует из закона Ньютона (3), коэффициент теплоотдачи
определяет
интенсивность (плотность) теплового потока q на поверхности твердого тела с температурой
Тп , которая соприкасается с движущейся
средой (жидкостью или газом), имеющей
температуру Тс:
q
α
Т
п
α
Т
,
(8)
ср
Коэффициент измеряется в ваттах на квадратный метр – кельвин (Вт/(м2 К)).
Значение коэффициента теплоотдачи определяется многими факторами: формой,
состоянием и расположением поверхности, скоростью движения среды, ее физикохимическими свойствами, значениями температур поверхности и среды. Поэтому измерение ,
как правило, должно соответствовать условиям конкретной ситуации, при которой происходит
теплообмен.
Важно отметить, что для прозрачной среды, даже в диапазоне сравнительно низких
климатических температур, существенный вклад в тепловой поток вносит радиационная
составляющая теплообмена.
Одним из способов экспериментального определения коэффициента теплоотдачи
отопительных приборов (ОП) является измерение теплового потока или электрической
мощности Р, подводимых теплоносителем или электрическим током к отопительному прибору,
а также температур Тп поверхности и Тс по формуле
Р
α
Т
п
Т
,
с
(9)
F
где F – площадь поверхности ОП. Температуру Тп задают термостатом или изменением
напряжения питания. Подводимую мощность Р определяют по измерениям тока и напряжения
или теплосчетчиком. Температуру Тп измеряют в нескольких точках поверхности. Измеряют
также температуру среды Тс. По измеренным значениям рассчитывают среднее значение
температуры Тп, а затем по формуле (9)
среднее значение . Обычно коэффициент
теплоотдачи увеличивается с ростом температуры ОП в среднем с 7,5 Вт/(м2 К) при 30 C до 12
Вт/(м2 К) при 110 C. Его значения существенно зависят от выбора точек контроля температур
на поверхности ОП и окружающей среды. Рост
обусловлен интенсификацией свободной
конвекции и возрастанием радиационной составляющей теплообмена, которая достигает 70 %
и возрастает с 5,5 до 8 Вт/(м2 К).
178
Подобные методы используют для определения
в лабораторных условиях. Для
измерений
в реальной обстановке создают специальные измерители, например, типа ИКТ и
РКТП (ИТТФ), на основе контактных преобразователей теплового потока. Измеритель
представляет собой плоскую конструкцию, содержащую два одинаковых ПТП,
смонтированных на общей подложке, обеспечивающей условия изотермичности для
контактирующих с ней
поверхностей ПТП. Внешние поверхности ПТП покрыты
металлическими пластинками с значениями коэффициентов излучения 1 = 0,95 и 2 = 0,1.
Измеряемая тепломерами плотность теплового потока имеет разные значения из-за различия
радиационных составляющих теплообмена. Это позволяет рассчитать коэффициент
теплоотдачи, обусловленный только конвективным теплообменом.
Предел измерений плотности теплового потока – 1500 Вт/(м2 К), диапазон измерения
коэффициентов теплоотдачи (теплообмена) – от 20 до 100 Вт/(м2 К) при температурах от минус
40 до плюс 130 C. Погрешность измерения не более 10 %.
Значение коэффициента
зависит от очень большого числа влияющих факторов,
характеризующих конкретные условия теплообмена, таких как состояние и форма поверхности,
параметры среды, наличие гравитации и другие факторы.
Поэтому повышение достоверности и обеспечение единства измерений коэффициента
теплоотдачи
в настоящее время, на наш взгляд, не столько связано с созданием специальной
поверочной схемы и соответствующих эталонов, сколько с развитием метрологического
обеспечения измерений плотности тепловых потоков и температуры поверхности, а также
методик выполнения измерений этой физической величины.
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ( ) Из закона Стефана-Больцмана (4)
следует, что интенсивность теплообмена излучением между телами определяется не только
разностью четвертых степеней их абсолютных температур, но и зависит от коэффициентов
теплового излучения
поверхностей тел, участвующих в теплообмене. Тело с большей
температурой является источником излучения по отношению к телу с меньшей температурой,
которое выполняет функцию приемника излучения. Когда тело, являясь приемником,
поглощает все падающее на него излучение, оно выглядит черным. Наибольшая «чернота»
наблюдается у отверстия, которое выходит на поверхность тела из полости, расположенной
вблизи поверхности (рис.7). Наглядным примером такого приемника излучения является
зрачок глаза, который играет роль отверстия в полость глазного яблока. Свойство поглощать
все излучение, попадающее в отверстие полости, находящейся при постоянной (в пространстве
и времени) температуре, является одной из особенностей таких «черных тел». Другая
особенность заключается в том, что отверстие полости «черного тела», являясь источником
излучения, создает максимально большой тепловой поток, по сравнению с излучением других
тел, имеющих такую же температуру.
Коэффициент теплового излучения показывает близость интенсивности излучения
поверхности данного тела к интенсивности излучения «черного тела», для которого значение
принято равным 1. Таким образом
является безразмерной физической величиной, которая
равна отношению плотностей потока теплового излучения двух объектов, имеющих
одинаковую температуру поверхности реального тела (q ) и отверстия «черного» тела (qо):
q
ε
q
ε ,
o
2
( Вт/м )
2
( Вт/м )
179
ε .
о
(10 )
q
qо
То
ТП
Рис.7. Простейшая модель «черного тела».
Таблица 4.
при 20 C.
Интегральные коэффициенты теплового излучения различных материалов
Материалы
Алюминий полированный
Золото – « –
0,03
0,02
Медь
–«–
- окисленная до черноты
Никель полированный
- окисленный
- электролитический
0,025
0,9
0,06
Платина полированная
0,03
Серебро – « –
0,02
Сталь окисленная
- листовая
- оцинкованная
0,55
0,85
0,55
0,28
Материалы
Асбест листовой
Бумага белая
- черная
- черная матовая
Водяная пленка на металле
Дерево
Известь
Кирпич
Краски масляные
Мрамор полированный
Сажа
Стекло
оконное толщиной от
2 до 10 мм
«К- glass»
Пленка
«Solar-quard»
«Heatmirror»
0,96
0,7
0,90
0,94
0,98
0,5 0,9
0,3 0,4
0,9
0,90 0,95
0,93
0,96
0,75 0,92
0,23
0,35
0,07
Коэффициент теплового излучения определяется сложной композицией объемных
свойств материалов и состояния их поверхности. В частности, чистота обработка поверхности,
которая характеризуется наличием и глубиной микронеровностей, выполняющих функцию
миниатюрных «черных тел», сильно сказываются на значениях
. Для исключения фактора
состояния поверхности и приближения значений
к объемным свойствам материалов их
поверхность подвергают тщательной обработке. Это приводит к минимизации значений для
данного материала.
Важно отметить, что плотность потока излучения «черного тела» не зависит от свойств
материала, из которого оно изготовлено. Поэтому одним из способов определения реальных
поверхностей для целей измерения их
действительной температуры пирометрами,
180
тепловизорами и другими средствами радиационной термометрии является сравнение
плотностей потока излучения q
с поверхности тела и qо из отверстия в специально
изготовленной полости, расположенной вблизи поверхности тела. Коэффициент
рассчитывают по формуле (10).
Излучение абсолютно «черного тела» описывается несколькими фундаментальными
законами, устанавливающими, в частности, зависимость плотности интегрального по спектру
потока
теплового
излучения
от
его
абсолютной
температуры
(закон Стефана-Больцмана), распределение интенсивности этого потока по спектру излучения
(закон Планка) и по направлениям (закон Ламберта).
Плотность теплового потока излучения нечерного, реального тела в большей или
меньшей степени не подчиняется этим законам и зависит от его температуры, длины волны
или диапазона длин волн, а также от состояния и формы излучающей поверхности. Поэтому,
если рассматривать тепловое излучение реального тела в очень узком диапазоне длин волн, то
близость интенсивности такого излучения к излучению «черного тела» при тех же длинах волн
характеризуют монохроматическим коэффициентом теплового излучения . Если аналогично
рассматривать весь спектр излучения, то он характеризуется интегральным коэффициентом
теплового излучения t. Для характеристики излучения, идущего по всем направлениям от
реально нагретой поверхности, используют термин полусферический коэффициент теплового
излучения h , а идущего перпендикулярно к излучающей поверхности – нормальный
коэффициент теплового излучения п.
Сочетание этих понятий дает три важных для практических применений коэффициента
теплового излучения: th интегральный полусферический, tп интегральный нормальный и
монохроматический нормальный.
п
Коэффициент th определяет теплообменные свойства поверхностей материалов, а
коэффициенты n, tn используют для введения поправок на «нечерноту» тел при измерениях
температуры нагретых поверхностей монохроматическими или радиационными пирометрами.
Таким образом, например, в теплосбережении расчет тепловых потоков с поверхностей стен
ведут на основе справочных данных по th , а результаты измерений температуры поверхности
этого же объекта основаны на данных по n (измерения монохроматическим пирометрами или
тепловизорами) или tn (измерения радиационными пирометрами).
Насколько же отличаются эти коэффициенты th и tn для одного и того же вещества
(материала)? Однозначного ответа нет, прежде всего, из-за плохой сопоставимости данных,
полученных на разных измерительных установках, разными методами и на различных
образцах. Погрешность таких измерений обычно составляет более 5%. Для наиболее изученных
полированных металлов, таких как вольфрам, тантал, молибден, платина и никель расхождения
th и tn составляют до 20% при сравнительно низких температурах и, как правило, менее 5%
при температурах, близких к плавлению этих металлов.
Кроме того есть основание считать, что это расхождение становится малым при
больших значениях коэффициентов th и tn. Следовательно, для большинства строительных
материалов, имеющих значение коэффициентов теплового излучения, близкие к 0,9, это
правило выполняется, хотя точного подтверждения этому нет. Таким образом сложившаяся
ситуация показывает, что единственным надежным способом определения
являются не
«справочные данные», которые сами по себе приведены зачастую с большой погрешностью и
не гарантируют надежной идентификации поверхностей различных материалов, а измерение
реальных поверхностей. Рассмотрим основные методы таких измерений.
Калориметрический метод
предназначен для измерений интегрального
полусферического коэффициента теплового излучения th и основан на закономерностях
теплообмена, в которых участвуют два тела, имеющие разные температуры. Интенсивность
теплообмена ( плотность теплового потока) зависит не только от коэффициентов теплового
излучения и разности четвертых степеней абсолютных температурТ1 и Т2 этих тел (4), но и от
взаимного расположения и формы этих тел. Для измерении th, нагретый образец помещают в
181
замкнутую оболочку, находящуюся при значительно более низкой температуре (Т14 Т24) и
имеющую значительно большую
площадь поверхности, чем образец. В этом случае
интенсивность теплообмена определяется коэффициентом th только образца. При этом, кроме
того, вторым слагаемым в формуле (4) можно пренебречь и получить формулу для
определения th калориметрическим методом:
4
(11)
th= q / Т1 .
Схема тепловой ячейки для реализации метода приведена на рис.8. Поток теплового
излучения плотностью q создается нагревателем 1, расположенным внутри
термостатированного блока 2. При наступлении стационарного температурного режима
(dТ1/ d = 0) тепловой поток, идущий от нагревателя, рассеивается с поверхности образца 3 к
стенкам корпуса вакуумной камеры 4, температура Т2, которой поддерживается значительно
более низкой, чем Т1, например, при температуре кипящего азота (
196 С).
Значение теплового потока определяют по измерениям сигнала тепломера 5. При
использовании для этой цели тепломера метод называют теплометрическим.
В термостатированном блоке расположен основной термопреобразователь 6 – носитель
температурной шкалы, который
с учетом поправки, определяемой дифференциальной
термопарой 7 измеряет значения температуры поверхности образца. Для этого один
измерительный спай термопары располагают на поверхности образца, другой спай – на
поверхности термопреобразователя.
Измерительные установки, реализующие калориметрический метод, были созданы в
СНИИМ с целью создания исходных средств для метрологического обеспечения измерений в
диапазоне температур от
100 до 650 С. С помощью этих установок исследованы
температурные зависимости целого ряда материалов и покрытий в диапазоне значений от 0,1
до 0,95 с погрешностью 1 2,5 %.
6
1
5
2
3
7
4
Т1
q
Т2(N2)
Рис.8. Тепловая ячейка для измерения
теплометрическим методом.
1 – нагреватель; 2 – термостатированный блок ; 3 – образец;
4 – корпус вакуумной камеры; 5 – тепломер; 6 – основной термометр;
7 – дифференциальная термопара.
182
Результат исследований рекомендация нескольких материалов и покрытий в качестве
стандартных образцов . Кроме того была предложена государственная поверочная схема для
средств измерений , первая редакция которой была согласована в начале 90-х годов. Однако
прекращение в этот период серийного выпуска единственного отечественного прибора для
измерений
терморадиометра ТРМ, сокращение работ по созданию и исследованию свойств
новых конструкционных материалов приостановило внедрение поверочной схемы.
В настоящее время решение вопросов энергосбережения все более настоятельно требует
надежных данных по строительных, теплоизоляционных и отделочных материалов, а также
различных покрытий. В связи с этим создание современных технических средств приборного и
метрологического обеспечения измерений становится вновь актуальным.
Заключение. Из большого числа сфер применения измерений параметров теплообмена,
в статье рассмотрены лишь методы и средства, ориентированные, в основном, на решении
вопросов энергосбережения. Именно в этой сфере измерениям законодательно придается
особый статус, в соответствии с которым они подлежат обязательному Государственному
метрологическому контролю и надзору. Большая часть материалов статьи основана на
результатах работ ФГУП «СНИИМ», в котором уже длительное время занимаются вопросами
развития
метрологического
обеспечения
измерений
в
энерго-ресурсосбережении. Автор выражает благодарность всем сотрудникам института,
оказавшим содействие в подготовке этой публикации.
183