Подбор наиболее подходящих материалов термоэлектродов для различных температурных диапазонов (от сверхнизких до сверхвысоких температур) явился одним из основных направлений развития термоэлектрической термометрии. Не менее важной тенденцией разработки термопреобразователей были поиски конструктивных усовершенствований защитных чехлов, арматуры, удлинительных проводов, компенсационных схем, наконечников и др. На рис. 6.2—6.5 показаны конструктивные схемы термопар для различных практических целей: для определения температуры расплавленного металла, контроля температуры вращающихся деталей и объектов, тепловых двигателей, измерения температур жидкости и газа под высоким давлением.
Рис. 6.2. Термопара конструкции Воллрата для расплавленных металлов [130]:
1 — токовыводы; 2 — рукоятка; 3 — средство для крепления головки термопары к рукоятке; 4 — защитный кожух; 5 — термопарные провода; 6 — головка термопары; 7 — открытые концы.
Рис. 6.3. Термопара конструкции Босомворта для измерения температур вращающихся деталей [101]: 1 — металлический корпус с термопарой; 2 — ось вращения; 3 — токовыводы; 4 — держатель.
Термопара оказалась удобным прибором для измерения температуры внутри и на поверхности обмоток трансформаторов и электрических машин. Для этой цели в нашей стране была разработана гибкая термопара из медного и константанового проводов, которые наматывались на специальную розетку (рис. 6.6).
Рис. 6.4. Термопара Ледерера для измерения температуры двигателя [115]: 1,2 — термоэлектроды; 3 — спай; 4 — полая заклепка; 5 — оболочка.
Для измерения температуры кожи служила разработанная американскими исследователями термобатарея в виде спирали из Константиновой проволоки, намотанной на изоляционную основу, на половину каждого витка которой методом электроосаждения наносилось
серебро. Термобатарея из 200 витков развивала достаточное для регистрации напряжение даже при относительно небольшой разнице между температурой кожи и температурой окружающей среды [108].
Термоэлектрические термометры для проведения биофизических и агрономических исследований разрабатывали Э. Шреве, Э. Мюллер и А. Сандерс, О. Куртис, Г. Гаузен, В. Нуссельт. Теоретический анализ работы термопар для этих целей, особенностью которых была возможность измерения температуры в объектах очень малых объемов, был проведен советскими исследователями А. П. Володиным, Е. В. Половниковой, Л. С. Эйгенсоном и В. П. Кисловым. На основе разработанной расчетной модели создана термопара, получившая маркировку «термоигла Т-Ш», которая отличалась от обычных медь- константановых термопар тем, что ее рабочий конец длиной 10— 20 мм состоял не из двух проволок, а только из одной — константановой. Погрешность измерений такой термопарой составляла 0,2— 0,5 % [40].
Параллельно с усовершенствованием конструкций термопар развивались технологические методы их изготовления. Наиболее распространенными способами создания надежных и прочных контактов проволочных ветвей была пайка и сварка. Метод сварки тонких термоэлектродов описан Г. П. Кульбушем (1932 г.), О. Здралеком и И. Врана (1935 г.), Л. Вруне (1938 г.) [21]. Установка для изготовления термоэлектрических термометров методом сварки разработана Η. П. Куриным [47].
Метрологическое обеспечение температурных измерений широкого круга объектов осуществлялось стандартными термопарами. Наиболее интенсивное развитие стандартизация и унификация термопар получила в нашей стране в конце 40-х годов. Работа была сосредоточена во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. В США это направление явилось одним из аспектов деятельности Национального бюро стандартов США [125].
Рис. 6.5. Термопара конструкции Клейпула для измерения температуры жидкости, находящейся под воздействием высокого давления [102|:
- — токовывод в виде константанового провода;
- — штепсельный разъем; 3 — токовывод от железной проволоки; 4 — продольный паз; 5 — металлический корпус; 6 — стальной блок; 7 слюдяная прокладка; 8 — резьбовой выступ; 9 — канавка; 10 -спай константановой и железной проволок.
Термопара платина — платинородий — одна из первых стандартных термопар, которая градуировалась по международной температурной шкале, принятой в СССР в 1929 г. Уточненные интерполяционные формулы платинородий-платиновой термопары получены в 1949 г. Б. И. Пилипчуком [62]. В лаборатории высоких температур ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в 1954 г. были изготовлены и отградуированы более пятидесяти образцовых термопар 1-го разряда, которые эксплуатировались в течение трех лет. Оказалось, что изменение их. градуировочных характеристик находилось в пределах нормы и составляло при температуре порядка 1000 °С не более 6 мкВ.
Таким образом, исследования показали, что платинородий платиновые термопары, как правило, могут использоваться в качестве термопар 1-го разряда в диапазоне температур 300—1100 °С в течение трех лет [94].
Разработка стандартных термопар была одним из основополагающих направлений развития термоэлектрической термометрии. Большая работа по расширению советского класса стандартных термопар была проведена в Институте металлургии им. А. А. Байкова и Институте общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова. Здесь под руководством А. А. Рудницкого изучалась возможность создания стандартных термопар из благородных металлов [67]. В то же время широкое распространение в практике температурных измерений получили и термопары из неблагородных металлов и сплавов: хромель — алюминий, хромель — копель, медь — константан, железо — константан.
Значительное внимание уделялось развитию нестандартных термопар.
Это направление термоэлектрической термометрии подразумевает широкий поиск конструктивных решений и материалов термопар для тех случаев, где применение стандартных термопар нецелесообразно либо по точности измерения, либо вследствие сложности условий, при которых проводятся эти измерения.
Рис. 6.6. Термопара для измерения температуры в электрических машинах [85].
Для измерения низких температур (в диапазоне 2— 30 К) предлагались термопары из чистой меди и меди с примесью 0,005 % олова. Можно было также использовать термопары из чистой меди и сплавов меди с индием, галлием, кремнием, германием, свинцом, висмутом, кобальтом и железом. Термо- ЭДС таких пар достигали 6 мкВ·К-1 [122].
В 50-х годах в Институте физической химии АН СССР разработана новая конструкция термопары из вольфрам — графита. Применяющиеся ранее термопары из этих материалов обладали двумя существенными недостатками: быстрым выгоранием рабочего конца и узким температурным диапазоном измерения (1500 °С) вследствие фарфоровой изоляции. В новой конструкции применялся сменный графитовый наконечник и изоляция из порошкообразной окиси алюминия. До 1650 °С термопара градуировалась сличением с платино-платинородиевой термопарой, а выше — по точкам плавления платины (1773 °С) и родия (1966 °С) [86]. Термопара вольфрам — графит применялась для измерения температуры в плавильной криптоловой печи. Испытания показали, что термопара такой конструкции может использоваться для продолжительных измерений температур до 2000 °С.
Для изготовления высокотемпературных термопар П. С. Кислый и Г. В. Самсонов в 1959 г. предложили использовать полупроводниковые сплавы. Они показали, что сплавы карбида бора и силицида хрома с металлоподобными соединениями (карбидами, боридами) обладают линейной температурной зависимостью ЭДС в диапазоне температур от 300 до 2200 °С [41].
Ряд работ советских и зарубежных физиков посвящен разработке теории термопар. В частности, расчет инерционности термопар проведен Р. Моффатом [ 121 [; динамические характеристики малоинерционных термопар вычислены Ю. И. Ситницким [75]; точный анализ систематических погрешностей термопар в динамическом режиме, предназначенный для градуировки термопар путем сличения одноименных термоэлектродов, проведен В. Паком [60]; анализ погрешностей погружаемых термопар определялся Дж. Бауэрлем [99],
В ЭИИНе им. Г. М. Кржижановского разработана теория термоэлектрических измерений температуры потока газа большой скорости и предложены конструкции датчиков, созданных по этой методике: трубчато-угловой датчик, датчик продольного обтекания, датчик температуры полного торможения и т. п. [46]. Г. А. Семенов на основе теории индукционного метода нагрева доказал возможность применения термопар для измерения температур газов и твердых тел в переменном магнитном ноле [71].
