К специфическим термоэлектрическим устройствам можно отнести термоэлектрические манометры и вакуумметры — приборы, использующиеся для измерений в области низких давлений. Эти устройства издавна привлекали к себе внимание физиков и техников простотой своей конструкции, надежностью, высокой точностью.
Применение термоэлементов для регистрации малых давлений газа впервые предложено немецким физиком Фойгом (1906 г.). Этот метод получил развитие в работах Рона, Э. Румфа (1926 г.) и Гордона (1930 г.) [8].
Рис. 11.2. Термоэлектрический манометр Гордона [8].
Термоэлектрический манометр Гордона (рис. 11.2) состоял из нагревателя в виде платино-иридиевой ленты, к центру которой была приварена хромо-никелевая ленточная термопара, смонтированная на ножке с четырьмя вводными проволоками в трубчатой колбе. Через платино-иридиевую ленту пропускают постоянный ток, по мере понижения давления температура горячего спая возрастает (вследствие уменьшения теплообмена нагревателя и электродов термопары с окружающей средой) и повышается генерируемая термопарой термо-ЭДС, по значению которой определяется давление.
В 1936 г. создан вакуумметр с использованием железо-константанового радиационного термоэлемента, в 1937 г. в ЛЭТИ Б. П. Козырев и В. С. Машков разработали термоэлектрический компенсационный манометр с термофольгой из манганина и константана. Радиационные термоэлементы использовали также в разработках вакуумметров Данлэп и Тремп (1937 г.), В. Молль и Г. Бургер (1940 г.), Робинзон и Франежек (1946 г.) и др. [11].
Низкая чувствительность термоэлектрических манометров и вакуумметров того времени ограничивала их применение областью давлений 10-1 — 10-3 мм рт. ст. Один из путей увеличения чувствительности предложен в 1956 г. Б. П. Козыревым. Он провел экспериментальные исследования термовакуумметра с пределами измерений от 10-4 до 10-6 мм рт. ст., что было достигнуто вследствие понижения температуры окружающей среды [11].
Усовершенствованию термопарных манометров, разработке методов их градуировки посвящены работы В. Смили (1946 г.), X. Убиша (1947 г.), Б. А. Миртова (1955 г.), Л. П. Хавкина (1955 г.), А. Л. Григорьева, Л. П. Хавкина и Н. В. Цыбина (1958 г.) [14].
Измерение повышенных давлений (вплоть до атмосферного) термоэлектрическими манометрами осуществлено В. М. Костылевым (1964 г.) при улучшении теплоизоляции термоэлемента и нагревателя с помощью экранов из алюминиевой фольги или заполнения объема датчика дисперсными и теплоизолирующими материалами на основе двуоксида кремния [14].
Тепловой расчет термопарных манометрических преобразователей выполнен Р. С. Прасоловым, Г. Н. Кравченко и И. Л. Финагиной. На основе серийно выпускаемого термопарного манометрического преобразователя ЛТ-2 под руководством Р. С. Прасолова создан многоточечный записывающий термоэлектрический вакуумметр, предназначенный для измерения давлений в диапазоне 103—10—3 мм рт. ст. [16, 17].
Из разработок термоэлектрических манометрических датчиков, выполненных зарубежными исследователями, следует упомянуть термопарный вакуумный манометр Э. Роджерса, созданный в Брукхейвенской национальной лаборатории, а также многослойный термопарный датчик для измерения давлений в диапазоне от 10-3 до 1 атм, изготовленный сотрудником фирмы «Термо-электрон» В. Тигэном [28, 30]. Использование термопарного вакуумметра в качестве газоанализатора предложили в 1978 г. К. Ш. Агабабяи, А. А. Ароян и Р. Т. Мина. Они показали, что точность измерения концентраций компонентов в смеси гелия и воздуха с помощью промышленного термоэлектрического вакуумметра ВТ-3 составляет 1—2 % [1].
Важной областью применения термоэлектрических приборов является техника измерений скоростей аэродинамических потоков, потоков жидкости и газа, а также расхода и количества различных веществ при проведении научных исследований, для управления технологическими процессами почти во всех отраслях промышленности, для контроля стационарных установок.
Достоинствами термоэлектрических анемометров и расходометров является невысокая инерционность, малые погрешности, широкий измерительный диапазон, однако их применение пока ограничивается невысокой механической прочностью.
Основы термоанемометрического метода разработаны в 1902 г, Г. Каллендером и использованы при создании термоанемометров С. Томаса (1911 г.) и Г. Мосса (1924 г.) [23]. Большой цикл работ по разработке и исследованию термоэлектрических анемометров для измерения малых скоростей воздушного потока проведен в аэрогидрометрической лаборатории при ВНИИМ В 30-х годах К. И. Васильевым 16, 71. Термоанемометр его конструкции отличался простотой и удобством эксплуатации. Это устройство (рис. 11.3) содержало термопару, образованную топкими металлическими нитями, горячий спай которой был укреплен на нагреваемой электрическим током тонкой проволоке; температурный коэффициент сопротивления проволоки близок к нулю.
Рис. 11.3. Термоэлектрический анемометр Васильева.
Свободные концы термопары имели тепловой контакт с массивной колодкой, через которую проходили выводы нагревателя и термопары. Анемометр Васильева отличался постоянством градуировочной кривой во времени.
В настоящее время измерения при помощи термоэлектрических анемометров охватывают широкий диапазон скоростей от 0,001 до 20 м·с-1. В Институте технической теплофизики АН УССР А. И. Банников, В. А. Христич и Г. Н. Любчик разработали термоэлектрический метод измерения пульсаций скорости, позволяющий производить исследования в высокотемпературных газовых потоках [3].
Термоэлектрические анемометры легли в основу приборов для измерения массового расхода жидкости или газа. В частности, в 1955 г. Д. И. Васильев и А. И. Шальников создали расходомер для малых расходов газа с дифференциальной термопарой в качестве чувствительного элемента [5]. Измерения массового расхода газа с помощью термоэлектрических датчиков, нагреваемых переменным током, осуществили в 1965 г. В. М. Кос и Ю. И. Ситницкий [131.
Расходомер для измерения малых потоков воды (до 10х10-8 мл·с-1), предназначенный для исследования геотермальных источников, разработан новозеландским физиком Р. Бенсеманом; детальная теория такого расходомера создана И. Доналдсоном [22, 25]. Конструкция расходомера включала дифференциальный термостолбик из медно-константановых полосок.
Широкое распространение в 60-х годах получили расходомеры на основе нагреваемого термостолбика из благородных металлов, разработанного фирмой «Хейстингс-рейдист» 126]. Для измерения в нестационарных потоках жидкости предназначался термоэлектрический расходомер, разработанный английскими исследователями П. Бентли и Д. Доусоном [24].
Помимо термоанемометрических расходомеров широкое распространение получили калориметрические расходомеры, в основе работы которых лежит принцип отбора или передачи тепла движущемуся потоку и измерения физических параметров, связанных с этим процессом. Метод непрерывного калориметрического измерения расхода жидкости развит в работах С. Томаса (1911 г.), X. Мосса (1924 г.), П. Капицы и Дж. Кокрофта (1932 г.) [19].
Калориметрические расходомеры отличаются по способу нагрева, а также по расположению нагревателей и термопреобразователей внутри и снаружи трубы [15]. К расходомерам с наружным нагревом принадлежат, в частности, устройства Дж. Бенсона, В. Вейнера и Э. Истера (1970 г.), а также Т. Нииникоски (1977 г.) [15, 27]. В этих приборах прямой участок трубки с потоком газа нагревается пропускаемым по нему переменным током, а разность температур в начале и в конце этого участка регистрируется термопарами, укрепленными снаружи трубки. В расходомере Нииникоски, предназначенном для измерения расхода гелия в рефрижераторах растворения, по длине нагреваемой трубки установлены четыре термопары на равных расстояниях друг от друга. Большая работа по созданию калориметрических расходомеров проводится в нашей стране [12, 15, 19].
Термоэлектрические анемометры и расходомеры в силу ряда причин не являются еще конкурентоспособными по сравнению с устройствами, основанными на других физических и технических принципах.
Новое и перспективное направление термоэлектрического приборостроения представляют собой устройства, в работе которых используются термоэлектрические свойства полупроводниковых элементов электронной техники (резисторов, диодов, транзисторов и др.). Подобные устройства применяют в качестве различных преобразователей температуры для приборов контроля тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры и систем регулирования и управления [10].
Углубление теоретических и экспериментальных исследований в области термоэлектричества, основанных на всестороннем анализе микроскопических и термодинамических свойств и особенностей термоэлектрических преобразователей, позволили Μ. М. Акперову, Г. А. Смоленскому, Л. С. Стильбапсу, К. З. Кобахидзе, Η. Е. Тимошенко, Т. Т. Токарбаеву, Э. М. Шеру (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе) и др. за последнее время разработать и создать новые типы приборов на основе управления фазовыми переходами при помощи эффекта Пельтье. На этом принципе созданы различные приборы: усилители и выпрямители малых сигналов, преобразователи электрических сигналов в оптические, элементы памяти, инверторы, модуляторы и пр., требующие незначительных мощностей для управления большими сигналами. По сравнению с существующими ранее аналогами эти приборы имеют такие преимущества как большой диапазон рабочих температур (от температуры жидкого азота до 1500 °С), высокий (более 1000) коэффициент усиления, возможность выпрямления малых сигналов (практически до уровня шумов) и работы в экстремальных условиях [2, 18].
