Термоэлектриче­ские термометры (термопары).

Работа термопары основана на термоэлектрическом эффекте Зеебека, согласно которому в цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, где точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, протекает ток. На концах такой разомкнутой цепи можно измерить термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС), величина которой зависит от разности температур на спаях.

Рис.5 Термопары.

Если температура t₀ одного спая известна, то это значение может быть использовано в качестве меры разности измеряемой температуры t₁ и контрольной температуры t₀. Место соединения проводников, помещаемое в среду с измеряемой температурой, называют рабочим (горячим) спаем термопары, а другое соединение, находящееся при температуре t₀ – свободным (холодным).

Материал термоэлектродов должен отвечать следующим требованиям: приемлемая цена, высокая надежность, высокая чувствительность к изменению температуры, приемлемые динамические свойства, механическая прочность при высоких и низких температурах, устойчивость против коррозии, стабильность термоэлектрических свойств. Для изготовления термопар применяется платина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, хромель, алюмель, родий, копель и другие.

Чтобы измерить температуру среды термоэлектрическим термометром, необходимо измерить термо-ЭДС, развиваемую термометром, и определить температуру свободного спая. Для удобства измерения свободный спай поддерживается при постоянной температуре, равной 0 ⁰С. Измеряемая температура t₁ определяется сразу из градуировочной характеристики (таблиц или графиков), устанавливающей зависимость термо-ЭДС от температуры рабочего спая. Если , то необходимо вводить поправку.

Для правильного измерения температуры нужно обеспечить постоянство температуры холодного конца. Для этого свободный спай удаляют от места измерения температуры, что осуществляется с помощью специальных (компенсационных) проводов.

Для измерения весьма малых разностей температур применяют термобатареи - ряд последовательно соединенных термопар. В этом случае термо-ЭДС суммируется. Число спаев термобатареи может достигать нескольких сотен.

Оптические пирометры.

Рассмотренные выше термометры для измерения температуры являются контактными, которые предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и окружающей или исследуемой средой. Верхний предел применения контактных методов измерения находится в пределах 2500С. В промышленных и лабораторных исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры, кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. Таким термометром с допустимой погрешностью до 4 % является оптический пирометр, принцип работы которого основан на использовании теплового излучения тел в видимой области спектра. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000^С. Такие средства измерения не имеют верхнего предела измеряемой температуры, он определяется соответствием спектров излучения измеряемых тел и спектральных характеристик устройств. Пирометры, применяемые для измерения температур, подразделяют на следующие типы: квазимонохроматические, полного излучения и спектрального отношения.

а) Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости абсолютной температуры тела Т и спектрального распределения энергетической яркости, называется квазимонохроматическим пирометром. Эта связь устанавливается формулой Планка:

,

где С_1, С₂ – первая и вторая постоянные излучения; В_0т – спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела;  - длина волны.

Температура реального тела в квазимонохроматическом пирометре определяется по спектральной энергетической яркости излучения В_т, а так как пирометр градуируется по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Т_я, при которой спектральные энергетические яркости тела В_т и абсолютно черного тела В_0т будут равны. Такая условная температура Т_я называется яркостной температурой.

Действительная температура тела определяется по яркостной температуре Т_я, показываемой пирометром, по выражению:

_,

где

Для определения Т необходимо знать длину волны  и коэффициент теплового излучения (коэффициент черноты) _т. Квазимонохроматические пирометры работают на участке длин волн, эквивалентных длине волны  = 0,65 мкм, коэффициент черноты _т в каждом конкретном случае уточняется с помощью дополнительных средств измерения. А для широко используемых материалов приводится в теплотехнических справочниках.

Рис. 6. Оптический пирометр с исчезающей нитью.

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью. Он состоит из телескопа 1, в фокусе которого помещена вольфрамовая нить пирометрической лампы 2, окуляра 3, через который наблюдатель проводит измерение. За окуляром установлен светофильтр 5, пропускающий лучи лишь одной длины волны. Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло 6, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400С. Регулировка тока накала пирометрической лампы осуществляется реостатом 7. В качестве показывающего прибора используется миллиамперметр 8. Рассмотренный пирометр работает по методу сравнения в узком интервале длин волн видимой области спектра яркости измеряемого тела с яркостью контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Благоприятная для чувствительного глаза длина волны ( = 0,65мкм) в видимой части спектра обеспечивается установкой красного светофильтра. Изменяя энергетическую яркость контрольного излучателя посредством изменения мощности нагрева нити пирометрической лампы 2, с помощью реостата 7 достигается условие исчезновения верхней части нити накала на фоне изображения исследуемого тела, что соответствует равенству энергетической яркости исследуемого объекта и контрольного излучателя. Таким образом, по величине тока накала пирометрической лампы замеренная температура определяется либо с помощью градуировочной характеристики, либо непосредственно отсчитывается по температурной шкале прибора. Существенным недостатком этого прибора является субъективность полученных результатов измерения, которые зависят от чувствительности человеческого глаза. Поэтому в настоящее время разработаны приборы, где в качестве светочувствительного элемента применяют фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, например, автоматический квазимонохроматический фотоэлектрический пирометр. Кроме получения объективных результатов измерения температуры, такие приборы позволяют автоматизировать и соответственно ускорять процесс измерения, используя в них в качестве измерительного прибора быстродействующие автоматические потенциометры. Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.

б) Принцип работы пирометров спектрального отношения основан на измерении температуры путем измерения соотношения энергетических яркостей нагретого тела на двух узких участках длин волн в видимом спектре излучения. Действительная температура тела Т определяется по цветовой температуре Т_ц из соотношения:

=

Чтобы определить действительную температуру Т по его цветовой температуре Т_ц, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн ₁ и ₂, при которых определяется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициентов черноты _1Т, _2Т при данных длинах волн. Ввиду того, что отношение _1Т, _2Т близко к единице, данный тип пирометров имеет наименьшую погрешность измерения, не превышающую 1% от верхнего предела измерения. Предел измерения температур составляет от 200 до 2800⁰С. Светочувствительным элементом пирометров спектрального отношения является фотоэлемент. Широкое распространение в области измерений нашел прибор ПИТ-1 (пирометр истинной температуры). В этом приборе осуществляется автоматическое введение поправки, вычисляемой на основе информации, хранящейся в его памяти.

в) Пирометры полного излучения осуществляют измерения температуры путем измерения полной энергетической яркости тела. Действительная температура тела Т определяется по радиационной температуре Т_р пирометра:

Из этого выражения видно, что для определения действительной температуры тела Т по радиационной температуре Т_р необходимо знать только значение интегрального коэффициента черноты тела _Т. Однако на практике точно определить значение величины _Т представляет большие трудности, поэтому такие пирометры имеют наибольшую методическую погрешность. Рекомендуемый диапазон измерения температур составляет от 30 до 2500⁰ С. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, применяются термические приемники излучения: термобатареи или болометры (терморезисторы). Для концентрации излучения на спаях термобатареи используют рефракторные (с собирающей линзой) или рефлекторные (с вогнутым зеркалом) оптические системы. В нашей стране серийно выпускаются пирометры типа АПИР – С.

Кроме описанных приборов для измерения температуры, нашедших широкое применение в практике, в особых случаях могут быть применены устройства, принцип работы которых основан на иных физических или химических эффектах.