2. Включение измерительного прибора в цепь термоэлектрического термометра
Для измерения термоЭДС термоэлектрического термометра в его цепь необходимо включить измерительный прибор. Для этого необходимо либо разорвать термоэлектрическую цепь в спае 2, либо разорвать один из термоэлектродов, например В, и с помощью проводов С включить измерительный прибор (ИП).
В первом случае (рисунок 3, а) у термоэлектрического термометра будет три конца: рабочий 1, погружаемый в среду, температура которой измеряется, и свободные 2 и 3, которые должны находиться при постоянной температуре (t = const). Во втором случае (рисунок 3, б), у термоэлектрического термометра окажется четыре конца: рабочий 1, свободный 2 и нейтральные 3 и 4. Концы
3 и 4 должны иметь одну и ту же температуру t1 абсолютное значение которой роли не играет.
Несмотря на отличие схем рисунок 3, а и б термоЭДС, развиваемая термоэлектрическими термометрами, в обоих случаях будет одинакова, если будут одинаковы термоэлектроды А и В, а также температуры рабочих и свободных концов, так как термоЭДС термометра, как было показано выше, не изменяется от введения в его цепь нового проводника, если температуры концов проводника одинаковы.
3. Поправка на температуру свободных концов термоэлектрического термомера
При градуировке термоэлектрического термометра температура свободных концов обычно поддерживается при постоянной температуре t0, равной 0 °С. При измерении температуры в практических условиях температура свободных концов термометра, в большинстве случаев, поддерживается постоянной, но не равной 0 °С. С изменением температуры свободных концов изменяется термоЭДС термоэлектрического термометра, что и вызывает необходимость введения поправки, так как зависимость термоЭДС от температуры нелинейная.
Поправка вводится следующим образом. К значению термоЭДС по показаниям потенциометра прибавляется значение термоЭДС при температуре рабочего спая, равной эксплуатационной температуре свободных концов измерительных термоэлектродов, и температуре свободных концов tc = 0°С.
Например, показания потенциометра при температуре свободных концов измерительных термоэлектродов 50 °С E(t, 50) = 35,65 мВ, что соответствует температуре 447,3 °С. К этой термоЭДС прибавляем термоЭДС E(50, 0) = 3,30 мВ, определенную по градуировочной таблице (номинальной статической характеристике - НСХ) для данного типа термоэлекрического термометра:
E(t, 0) = E(t, 50)+ E(50, 0) = 35,65+3,30 = 38,95 мВ.
ТермоЭДС 38,95 мВ соответствует температура рабочего конца 484,8 °С.
Предположение линейной зависимости термоЭДС от температуры привело бы к ошибочному результату: t= 447,3+ 50= 497,3СС.
4. Термоэлектрические термометры: материалы, изготовление
К термоэлектродным материалам, предназначенным для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляют ряд требований: жаростойкость и механическая прочность; химическая инертность; термоэлектрическая однородность; стабильность и воспроизводимость термоэлектрической характеристики; однозначная, желательно близкая к линейной, зависимость термоЭДС от температуры; высокая чувствительность.
По характеру термоэлектродных материалов термоэлектрические термометры подразделяют на две группы: термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами из благородных и неблагородных металлов; термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами.
Термоэлектрические термометры первой группы являются наиболее распространенными, они широко вошли в практику технологического контроля и научно-исследовательских работ.
Термоэлектрические термометры второй группы в настоящее время являются больше объектами опытно-исследовательских работ, чем средством технологического контроля температур. Внедрению этих высокотемпературных термоэлектрических термометров в широкую практику препятствуют трудность обеспечения стабильности их термоЭДС во времени и недостаточная взаимозаменяемость. В то же время термоэлектрические термометры этой группы представляют большой практический интерес.
Термоэлектрические термометры с термоэлектродами из благородных металлов, главным образом платиновой группы, широко применяют для измерения температур в области от 300 до 1800°С.
Платинородий-платиновые термоэлектрические термометры (ТПП) применяются для измерения температур в области 300—1600 °С в окислительной и нейтральной среде. Для измерения отрицательных температур платинородий-платиновые термоэлектрические термометры не применяются. Однако, для измерения различных сред до 900-1000 °С в энергетике и промышленности термоэлектрические термометры ТПП применять экономически нецелесообразно, так как в этой области температур термоэлектрические термометры с электродами из неблагородных металлов вполне обеспечивают надлежащие точность и надежность измерений. Кроме того, последние, в большинстве случаев развивают бóльшую термоЭДС, чем термометры платиновой группы.
Хромель-копелевые термоэлектрические термометры типа ТХК относятся к группе термометров с электродами из неблагородных металлов и широко применяются для измерения температур различных сред до 800 °С. Для изготовления положительного электрода используется хромель Т, представляющий собой жаропрочный немагнитный сплав на никелевой основе (89% Ni+9,8% Cr+1,0% Fe+0,2% Mn). Отрицательный термоэлектрод – копель, сплав из меди и никеля (56% Сu + 44% Ni). Верхний температурный предел длительного применения термоэлектродов из копелевой проволоки в зависимости от ее диаметра лежит в пределах 500 – 600 °С при работе в атмосфере чистого воздуха. Невысокий температурный предел применения объясняется тем, что копелевая проволока, содержащая медь, сравнительно быстро окисляется при высоких температурах, и вследствие этого происходит изменение термоЭДС термоэлектрода. Термоэлектрические термометры ТХК развивают наибольшую термоЭДС по сравнению с другими типами термометров.
Хромель-алюмелевые термоэлектрические термометры типа ТХА широко применяются для измерения температуры газовых сред, пара и жидкостей. Положительным термоэлектродом является хромелевая проволока, отрицательным служит алюмель, представляющий собой магнитный сплав на никелевой основе (94% Ni + 2% А1 + 2,5% Мn + 1 % Si + 0,5% примеси). Термоэлектрические термометры ТХА обладают лучшей сопротивляемостью окислению, чем другие термометры из неблагородных металлов, при работе в воздушной среде. Опыт работы с термоэлектрическими термометрами показал, что алюмелевый электрод при температуре, близкой к 1000 °С, менее устойчив к окислению, чем хромелевый. Верхние температурные пределы применения хромелевой и алюмелевой термоэлектродной проволоки устанавливаются в зависимости от ее диаметра при работе в воздушной среде. При применении термоэлектродной проволоки, например, диаметром 3,2 и 5 мм она может быть использована до 1000 °С длительно и до 1200 – 1300 °С кратковременно. Термоэлектрические термометры ТХК и ТХА имеют градуировку ХК и ХА соответственно. Номинальные статические характеристики данных типов термометров приведены в приложении Б.
Стандартные термоэлектрические термометры, применяемые в промышленности, приведены в приложении В. Они являются взаимозаменяемыми и на них имеются стандартные градуировочные характеристики. Пределы допускаемых основных погрешностей стандартных термоэлектрических термометров при температуре свободного концов 0 °С также приведены в приложении В.
Рабочий конец термоэлектрического термометра можно выполнять путем сварки, пайки или скрутки. Наибольшее распространение получил способ изготовления спая с помощью сварки, а пайку применяют только в специальных случаях. Скрутку рабочего конца часто применяют для термоэлектрических термометров с электродами из тугоплавких металлов вольфрамрениевой и вольфраммолибденовой групп.
Сварку электродов термоэлектрического термометра производят как с предварительной скруткой термоэлектродов, так и без скрутки. Не рекомендуется делать скрутку более двух оборотов. Если скрутка будет сделана с большим числом оборотов и с большим шагом, то спай рабочего конца может фактически находиться не в месте сварки, а на конце скрутки, в том месте, где термоэлектроды расходятся (рисунок 4). Это может привести к значительным и не поддающимся учету погрешностям при измерении температуры. Поэтому лучше не прибегать к излишней скрутке термоэлектродов или не делать ее вообще.
Рисунок 4 – Способы изготовления рабочего конца термоэлекрического термометра
Другим вариантом изготовления спая рабочего конца является приварка электродов к дну защитной гильзы. Это позволяет уменьшить инерционность термометра, но не обеспечивает возможности в условиях эксплуатации производить периодическую поверку термометра, а в случае необходимости замену термоэлектродов. Это является существенным недостатком конструкции, так как арматура термометра имеет значительно больший срок работы, чем его термоэлектроды.
В ряде случаев при измерении температуры стенок трубопроводов применяют зачеканку термоэлектродов в стенку трубы.