Современное развитие термоэлектрической термометрии
Технические возможности термопар. Термоэлектрические преобразователи по своим характеристикам удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым к преобразователям для измерения температур. Широкий выбор современных материалов для термоэлектродов позволяет измерять температуры от 2 до 3000 К, обеспечивает высокую точность (до 0,01 К) и чувствительность преобразования (до 100 мкВ · К-1). Термоэлектрические преобразователи являются эффективными приборами для измерения разностей температур, которые в отдельных случаях могут составлять 10-7 К, их можно использовать для измерения температур малых объемов (до 10—3 мм3). Термопары хорошо совместимы с высокоточными электроизмерительными приборами, а также самопишущими установками, позволяющими вести автоматическую регистрацию. Обширные теоретические и экспериментальные сведения о термопарах приведены в монографиях О. А. Геращенко и В. Г. Федорова «Тепловые температурные измерения» (1965 г.), А. Н. Гордова «Основы пирометрии» (1971 г.), И. Л. Рогельберга и В. М. Бейлина «Сплавы для термопар» (1983 г.), Р. В. Бочковского «Контактные датчики температуры» (1978 г.) в справочнике «Температурные измерения» (1984 г.) [11, 18, 19, 22, 64].
Неоднородность термоэлектрических материалов. Большую погрешность в измерения температур посредством термопар могут вносить разного рода неоднородности термоэлектрических материалов: наличие примесей, структурные дефекты, непостоянство химического состава по объему термоэлектрода и пр. [221.
Влияние термоэлектрической неоднородности на работу термопар рассматривалось, в частности, в работах Η. Н. Эргардт (1961 г.), Д. Ф. Тартаковского (1969 г.), А. М. Сироты (1972 г.), В. М. Бейлина (1976 г.). Η. Н. Эргардт разработала способ определения паразитной термо-ЭДС, вызванной неоднородностью термопар [95]. Д. Ф. Тартаковский провел расчет погрешности термопар, обусловленной термоэлектрической неоднородностью [83]. Позднее Д. Ф. Тартаковский совместно с А. Г. Ивановой и И. В. Шокиной изучал возможность применения вероятностно-статистических методов к исследованию такого рода погрешности термопар. Оказалось, что знание спектрального состава может упростить оценку погрешности измерений [33]. В. М. Бейлин провел теоретический анализ влияния температурной зависимости термоэлектрической неоднородности на градуировочную характеристику термопар [6]. А. М. Сирота и А. Я. Гришков вывели формулу термо-ЭДС с учетом неоднородности каждого электрода. Они дали краткий анализ для случаев протяженных и единичных неоднородностей, что позволило разработать рекомендации по уменьшению влияния неоднородностей на показания термопар [23].
Обширные исследования этого вопроса проведены в Свердловском филиале ВНИИМ им. Д. И. Менделеева под руководством Б. К. Брагина. В его исследованиях была сделана первая попытка сравнительной оценки термоэлектрической однородности проволок отечественного производства из хромеля, копеля, алюмеля и меди при температуре, близкой к 200 °С. Результаты анализа свидетельствовали о том, что для низкотемпературных термопар повышенной точности и надежности наиболее подходящим материалом является медь и копель [15]. Б. К. Брагин и Б. П. Павлов па основе обобщения экспериментальных и теоретических работ многих исследований рассмотрели вопрос о количественной оценке и технически обоснованном нормировании термоэлектрической неоднородности по длине стандартных проволок, выпускаемых в настоящее время [13]. Они также исследовали влияние термоэлектрической неоднородности электрода дифференциальной термопары на ее показания и пришли к выводу, что для обеспечения достаточной точности термопар при измерениях малых разностей температуры необходимо их индивидуальное градуирование и тщательный отбор термоэлектрических материалов по неоднородности [14]. Б. П. Павлов детально разработал вопрос о максимальной информационной способности контактного термоприемника. Формулы, полученные Павловым, легли в основу вычисления информационного КПД реальных термоэлектрических термометров [58].
Методы определения неоднородности термопарных электродов разработаны И. И. Киренковым в 1958 г. В 1975 г. он рассмотрел вопросы термоэлектрической неоднородности, главным образом связанные с износом термопар при их эксплуатации [38, 39].
В Японии в 60-х годах создан метод расчета термо-ЭДС неоднородной термопары на основе преобразований Фурье. Эта теория была проверена на платинородий платиновой термопаре, причем погрешность расчетных данных, как отмечали Н. Такай и С. Хатанака, составляет около 0,5 мкВ 181].
В 1969 г. американский исследователь А. Фентон сообщил о результатах исследования различных термоэлектродных материалов применяемых для изготовления промышленных термопар. Теоретический анализ позволил вывести соотношения для определения изменения характеристики термопары после ее эксплуатации в течение некоторого времени при определенных условиях [106].
Искажения, вносимые термопарами в температурное поле измеряемого объекта. В процессе измерения температуры термопарой между спаем термопары и поверхностью образца возникает тепловой поток, который при температуре выше комнатной направлен от образца к термопаре. Это вносит существенную погрешность в результаты измерений. Для уменьшения погрешности предлагалось несколько методов. В частности, И. Сасаки для определения температуры поверхности образца разработал термопару, окруженную дополнительным нагревателем. Контроль нагрева осуществлялся следующим образом: термопару отводят от поверхности, а ток нагревателя изменяют до тех пор, пока отрыв термопары но перестанет изменять термо-ЭДС. Существенный недостаток этого метода заключался в непрерывном перемещении термопары во время измерений. В методе советского исследователя О. В. Емельяненко использовались две термопары, окруженные нагревателем. Спай одной термопары касается поверхности образца, спай другой отделен от поверхности образца тонким зазором и предназначен для контроля, теплоотдачи образца и регулировки температуры нагревателя до исчезновения этой теплоотдачи. Дж. Стамплер предлагает использовать термопару с дифференциальным датчиком, однако этот метод имеет ограниченное применение, так как в ряде случаев (особенно при изучении гальваномагнитных эффектов) спай шунтирует часть образца, что снижает точность измерений. В 1964 г. Ю. А. Видади разработал термопару с компенсационным подогревом, которая обеспечила высокую точность измерения поверхностных температур. Конструкция термопары схематично показана на рис. 6.7. В ней два спая (измерительный и контрольный) соединялись отрезком константановой проволоки, служащей одновременно датчиком.
Рис. 6.7. Трехпроводная термопара с компенсационным подогревом [16]:
1,2 — медный провод; 3 — константановый провод; 4 — печка; 5 — контрольный спай; 6 — константановый датчик; 7 — образец; 8 — измерительный спай.
В измерительный спай вплавлялась медная проволока, в контрольный — медная и константановая проволоки.
При наличии потока тепла через контакт образец — измерительный спай температура контрольного спая отличается от температуры измерительного спая, и между медными проводами возникает термо-ЭДС, которая сводится к нулю подбором мощности подогрева. Температура поверхности образца определяется по термо-ЭДС между медным и константиновым проводами [16].
Теоретическому анализу погрешности измерения температур на поверхности твердого тела посвящены работы Б. И. Макарова (1964 г.), Чен Чинг Джена и Ли Петера (1974 г.) [53, 110].
Результаты исследования погрешности измерений, появляющейся вследствие неравномерности нагрева спаев термопар, представлены в 1971 г. Г. Е. Лондоном (Ленинградский университет). Эти исследования показали, что влиянием внутренних электрических процессов (эффектов Пельтье, Томсона и Джоуля—Ленца) на температуру спая практически можно пренебречь [51].
