приборы
и методы
температурных
измерений
Допущено Управлением кадров и
учебных заведений Госстандарта в
качестве учебного пособия для
учащихся средних специальных
учебных заведений по специальности
„Электроте плоте хнические
измерения"
МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ 1987
УДК 11.0Н.109 : (О /J|
l> II Олейник, С И. Лпздииа, В. П. Лаздин, О. М.
Ж hi у дли Приборы и методы юмиературных измерений:
.Учебное пособие для учащихся средних специальных
учебных ппндгний но специальности «Электротеплотех-
иические и |меренпя>. М: И1д-во стандартов, 1987, 296
с , е плл.
В учебном пособии рассмотрены основы темпера-
турных и (мерсннй, среде та и методы поверки и гра-
дуировки приборок, применяемых для измерения тем-
пера lypu, приведены нопяшн пси решпостен измерений
п дана пх оценка Ohiic.ihn типы термометров и’пиро-
метров и примеры их исполыовапия в народном хо-
зяйстве. Систематизированы современные достижения
в области температурных измерений и перспектива их
развития.
Учебное пособие предназначено для учащихся сред-
них специальных учебных заведений, обучающихся по
специальности «Электротеплотехнические измерения», а
также может быть полезно инженерно техническим ра-
ботникам, занимающимся эксплуатацией и поверкой
средств температурных измерений.
Табл 48. Ил. 136. Библиогр 30
085(02)—87
© Издательство стандартов, 1987
ГЛАВА 1
ТЕМПЕРАТУРА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
§ 1.1. Основные сведения о термометрии
Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой
мере нагреты или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И
только в результате требований науки и техники о количествен-
ном определении температуры было сформулировано более чет-
кое понятие температуры. По определению Максвелла, темпера-
тура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки
зрения его способности сообщать тепло другим телам. С дру-
гой стороны, температуру можно определить как степень нагре-
тости тела. Первые приборы для измерения температуры, появив-
шиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую
физическую величину, значение которой определялось по темпе-
ратурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале
этого свойства. Так возникла область измерений температуры, ко-
торую впоследствии назвали термометрией.
Термометрия — раздел технической физики, в котором изуча-
ются методы и средства измерения температуры, теоретические
основы способов построения термодинамической и практических
температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и об-
разцовые средства измерений температуры.
Значения термодинамической температуры находятся в преде-
лах от О К до таких высоких значений, которые получаются в ре-
альных системах элементарных частиц, находящихся в тепловом
равновесии. При этом абсолютный нуль температуры недости-
жим, так как любая частица в соответствии с квантовой теорией
будет иметь одно низшее квантовое состояние и поэтому отсутст-
вует возможность перехода в другое более низкое состояние, т. е.
невозможна и передача энергии другой частице или системе час-
тиц. Однако система частиц не может иметь и бесконечное зна-
чение термодинамической температуры, так как в соответствии с
теорией относительности скорость частиц не может превышать
скорости распространения электромагнитного излучения. Таким
образом, исходя из конечного значения скорости света, верхний
предел температуры может быть оценен значением порядка 1012 К.
Температура — один из параметров состояния вещества: газа,
жидкости или твердого тела. Температура определяет тепловое
состояние тела и направление теплопередачи. Если привести в
контакт два тела при различных температурах, то более нагретое
тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее
3
нагретое—нагреваться. Процесс теплопередачи и изменения тем-
пера! ур тел будет продолжаться до тех пор, пока их температу-
ры не станут ранными, т. е. наступит тепловое или термодинами-
ческое- равновесие. Подобный процесс наблюдается в том случае,
сели оба юла в тепловом отношении изолированы от окружаю-
щей среды и не наблюдается приток извне тепла или же потери
тепла в среду.
Температура определяет внутреннюю энергию тела: потенци-
альная п кинетическая энергии молекул газа, жидкости или твер-
дого тела зависят от температуры. Энергия отдельно взятой мо-
лекулы не совпадает со средней энергией тела, поэтому понятие
температуры к молекуле неприменимо. Следовательно, понятие
температуры является статистическим и применимо к телам, со-
сюящпм и.। очень большого числа молекул.
Согласно кипеiоческой теории средняя энергия Е поступатель-
ного движения молекул газа связана с его температурой Т соот-
ношением- Е--я[2кТ, где k — постоянная Больцмана, равная
1,38- Ю-23 Дж/К.
Распределение энергии поступательного движения между мо-
лекулами газа зависит от их скорости.
Для жидкостей и твердых тел функциональная связь темпе-
ратуры с внутренней энергией выражается сложными аналитиче-
скими зависимостями. Температура определяет не только харак-
теристики тепловых процессов, от нее зависят многие физические
свойства: теплопроводность, температуропроводность, теплоем-
кость, температурные коэффициенты линейного и объемного рас-
ширения, кристаллические структуры веществ, электрические, маг-
нитные, оптические и атомные свойства.
Температурные зависимости физических свойств веществ мож-
но положить в основу методов измерения температуры и постро-
ения температурной шкалы.
Температурная шкала — это ряд последовательных значений
температуры, образуемый в соответствии с выбранным законом,
определяющим взаимосвязь термометрического параметра (свой-
ства) и температуры.
Для построения температурной шкалы выбирают две основ-
ные точки Е и t2, которым присваивают произвольные значения
температуры. Интервал между этими точками (t2—ti) называют
основным интервалом температурной шкалы. Разделив основной
интервал на N равных частей устанавливают цену деления шка-
лы, другими словами размер единицы температуры
Л4=^-^	(1.1)
Принимая линейную зависимость между температурой t и фи-
зическим (термометрическим) свойством Е, можно найти уравне-
ние шкалы в следующем виде:
t = Л + (^2-^1)|—v =	(1.2)
Ei~ Ei	Ez—Ei
3
Экспериментально установили, что уравнение (1.2) для раз-
личных термометрических веществ (или свойств), как правило,
не имеет линейную зависимость t=f(E). На основе этого урав-
нения построены следующие температурные шкалы.
Шкала Фаренгейта (1723 г.) определена по двум реперным
точкам: за 0°F принята температура смеси льда с солью и наша-
тырем, а за 96°F — температура тела человека. Точка плавления
льда на такой шкале имеет температуру 32°F, а точка кипения
воды 212°F. Отсюда следует, что 1/180 часть интервала между
точками плавления льда и точкой кипения воды составляет раз-
мер единицы температуры — градуса Фаренгейта (°F). В качестве
термометрического вещества Фаренгейт использовал вначале
спирт, а затем ртуть.
Шкала Ренкина — температурная шкала с началом при абсо-
лютном нуле, причем размер единицы температуры — градуса
Ренкина (7нп) равен размеру единицы температуры Фаренгейта
(М: l°Rn=l°F.
Соотношение между температурами 7кп и /р следующее: Zf =
= 7^.-459,67.
Шкала Реомюра (1736 г.) основана на ртутном термометре с
двумя опорными точками: точкой плавления льда (0°R) и точкой
кипения воды (80 °R). Интервал между этими точками составляет
80 равных температурных частей, а размер единицы температу-
ры— градуса Реомюра равен 1/80 части указанного интервала.
Шкала Цельсия (1742 г.) основана на ртутном термометре с
двумя опорными точками: точкой плавления льда (0°С) и точ-
кой кипения воды (100°C), интервал между которыми составля-
01 100 равных температурных частей, а размер единицы темпера-
туры— градуса Цельсия равен 1/100 части указанного интервала.
Связи между температурами Фаренгейта Цр), Реомюра (fe)
и Цельсия (t) и их единицами выражаются следующим образом:
/ °С = 5/4£r °R = 5/9(£f °F—32); 1 °C = 4/5°R = 9/5°F.
Используя различные теоретические свойства, можно постро-
И1ь множество температурных шкал, которые совпадают в одина-
ковых опорных точках, но расходятся вне интервала между точ-
ками и в самом интервале. Такие температурные шкалы назы-
вают условными, а масштабы этих шкал — условными градусами
или условными единицами температуры. Условные температуры и
условные температурные шкалы называют также практическими
в О1личие от термодинамической температуры (иначе действи-
тельной или истинной) и термодинамической температурной
шкалы.
§ 1.2. Термодинамическая температурная шкала (ТТШ)
Определение размера единицы температуры с помощью части
температурного интервала между выбранными опорными (репер-
ными) точками приводит к тому, что для всех практических («эм-
пирических») температурных шкал размер единицы температуры
5
неодинаков. On pa uiihiiicich как для разных ynaciKOB одной и
той же шкалы, тк и для ри (личных юмнера iурных шкал. Это
означает, что если i рад\нроши ь irpMiiMrip со и poi пиления и тер-
моэлектрический термомпр к одних к ivx же реперных точках,
т. е. при одной и той же юмпсра lypc, 10 пока ыння таких термо-
метров, например, в стабильном iермос 1111 е, даду| разные значе-
ния измеряемой темпера,уры Кик уже упоминалось, этот вывод
является следствием нелинейное 1 н уравнения (1.2)
Рис. 1.1 Цикл Карно идеальной тепловой ма-
шины______________________________________
Рис. 1.2. Принципиальная схема газового тер-
мометра с постоянным объемом
Понятие абсолютной (не условной) термодинамической тем-
пературы в 1848 г. ввел В. Томсон (лорд Кельвин) на основе
цикла Карно идеальной тепловой машины, состоящего из двух
изотерм и двух адиабат. На рис. 1.1 приведен цикл Карно в си-
стеме координат давление — объем (р—V), где 1—2, 3—4 — это
изотермы, а 2—3 и 4—1 — адиабаты.
Введем следующие обозначения: Q] — количество теплоты, по-
лученное рабочим телом машины Q2 — количество теплоты, пе-
реданное рабочим телом в холодильник; 7\ и Л — температуры
нагревателя и холодильника соответственно.
Цикл Карно проходит по следующей схеме. Изотерма 1—2.
Рабочее тело находится при температуре Т\ и получит при изо-
термическом расширении количество теплоты Qi. Адиабата 2—3.
Рабочее тело расширяется при дальнейшем уменьшении давле-
ния, не получая теплоту. Температура снижается до значения Тг.
Изотерма 3—4. Рабочее тело изометрически сжимается и пере-
дает холодильнику количество теплоты Q2. А диабата 4—1. Рабо-
чее тело адиабатически сжимается и возвращается в точку 1 с
температурой 7\, не отдавая теплоту.
Совершив замкнутый цикл, рабочее тело совершило работу
за счет количества теплоты Q = Qi — Q2, не изменив внутренней
энергии. Карно показал, что коэффициент полезного действия ц
6
идеальной тепловой машины определяется следующими соотно-
шениями:
= 0^ _ 7\-Т2	(
Qi Tt '	’
Особенность выражения (1.3) состоит в том, что г] не явля-
ется функцией каких-либо физических свойств рабочего тела или
самой машины, а зависит только от значения температуры нагре-
вателя Ti и холодильника 7г.
Термодинамическая температурная шкала (ТТШ), предложен-
ная Кельвином на основе уравнения (1.3), устанавливает взаи-
мосвязь между термометрическим параметром Q и измеряемой
температурой Т:
Т=ТЛ,	(1.4)
где То — значение опорной термодинамической температуры, оп-
ределяющей размер единицы термодинамической температуры.
Построение ТТШ на основе уравнения шкалы (1.4) не может
быть точным, так как количества теплоты Q и Q2 измеряются со
значительной погрешностью.
Если за рабочее тело принять идеальный газ, то можно дока-
зать, что термодинамическая температура, введенная в цикл Кар-
но, совпадает с температурой, которую можно определить газо-
вым термометром. Будем считать, что для такого рабочего тела
можно пренебречь потенциальной энергией взаимодействия меж-
ду молекулами по сравнению с их кинетической энергией. Тогда
уравнение состояния газа будет иметь вид:
pV = — RT,	(1.5)
р
где р — среднее давление газа в объеме V; М — масса газа; ц—-
относительная молекулярная масса; R = 8,31441 Дж-моль-1-К-1—
универсальная газовая постоянная.
Уравнение (1.5) называют уравнением состояния идеального
газа Клапейрона — Менделеева.
Основываясь на выражении (1.5), можно получить уравнение
ТТШ для реализации с помощью газового термометра с постоян-
ным объемом V:
Т = Т0—,	(1.6)
Ро
где р, ро — значения давления в резервуаре газового термометра
при температурах Т, То соответственно.
Аналогично уравнение типа (1.6) можно получить, если по-
строить ТТШ по газовому термометру при постоянном давлении р.
Принципиальная схема газового термометра с постоянным объ-
емом приведена на рис. 1.2. Рабочий резервуар 1, заполненный
7
газом, помещен в среду 2 с температурой Гиприпомощи капил-
ляра 3 соединен с коротким коленом манометра 4, уровень в ко-
юром всегда ус1анавливае1ся в одном и том же положении пу-
тем подкачивания ртути через трубку 7. Давление р определяется
по положению ртути в данном колене манометра 6 по шкале 5.
Давление pQ измеряется аналогичным способом при помещении
рабочего резервуара в точку с известной температурой То. После
указанных процедур измеряемую температуру вычисляют по фор-
муле (1.6). Обычно давление рй измеряют при температуре трой-
ной точки воды Т0 = 273,16 К.
Материал рабочего резервуара газового термометра выбирают,
исходя из температурного диапазона измерения: для низких тем-
ператур из красной меди (материал с высокой теплопроводно-
стью), для средних и высоких из плавленого кварца, сплава пла-
тины и иридия или сплава платины и родия (материалы с низкой
газопроницаемостью). Температурный диапазон с газовым термо-
метром охватывает значения температур от 4 до 1400 К. Вследст-
вие того, что материалы рабочих резервуаров обладают темпера-
турной зависимостью коэффициентов теплового расширения, необ-
ходимо в силу этого вводить поправки на значения объема резер-
вуара.
Уравнение состояния (1.5) справедливо для идеального газа.
Практически используют такие газы как водород, гелий, азот и
другие, для которых уравнение состояния необходимо предста-
вить в несколько ином виде:
pV = — RT [ 1 +В(Т}р фС(7)р2 -ь . ..],	(1.7)
где В(Т), С(Т)... — вириальные коэффициенты, зависящие от
температуры; р — давление газа.
Уравнение измерения температуры с учетом выражения (1.7)
примет вид
7 = Т0-£_А,	(1.8)
Ро z
где Zo, Z— значения функции Z при температурах То, Т соответ-
ственно. Из (1.7) следует, что
-eiT)p-rC(T)p2+ . . .	(1.9)
Значения Z определяются из независимых измерений с газо-
вым термометром.
Из уравнений (1.8) и (1.9) видно, что значения термодинами-
ческих температур можно получить из экспериментов путем экс-
траполяции давлений к нулевому значению, что соответствует
требованиям, предъявляемым к газам, при условиях близких к
идеальному состоянию.
В уравнение (1.8) вводят поправки, зависящие от температу-
ры ртути в коленах манометра, сорбции газа в резервуаре и зна-
чения «вредного объема» (объем между резервуаром и маномет-
d
ром). На погрешность измерений влияют погрешности, возникаю-
щие при реализации реперных точек, зависящие от тепловой инер-
ции систем термометра, примесей в термометрическом газе и др.
Погрешность современных измерений термодинамической тем-
пературы в диапазоне 4—1400 К составляет 10-4—5-10~2 К.
Первая международная температурная шкала — стоградусная
шкала водородного термометра с двумя реперными точками 0 и
100 °C при нормальном атмосферном давлении и начальном дав-
лении газа 1000 мм утверждена в 1887 г. Международным коми-
тетом мер и весов. Ее принятие было одобрено Первой Генераль-
ной конференцией по мерам и весам в 1889 г. Стоградусная шка-
ла водородного термометра была лучшим в то время приближе-
нием к ТТШ.
В Главной палате мер и весов под руководством Д. И. Менде-
леева был создан газовый водородный термометр, который считал-
ся наиболее точным для воспроизведения термодинамических тем-
ператур (с погрешностью до тысячных долей градуса Цельсия).
В СССР с помощью газовых термометров проводятся исследо-
вания по построению ТТШ и измерениям термодинамических тем-
ператур во Всесоюзном научно-исследовательском институте фи-
зико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)
в области ниже 273,15 К и в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделе-
ева» в области выше 273,15 К.
§ 1.3.	Практические температурные шкалы
Область измерений низких и сверхнизких температур находит
широкое применение в связи с внедрением криогенной техники в
промышленность и научные исследования, в том числе в энерге-
тику, химические орасли народного хозяйства, медицину, в теп-
лофизические исследования свойств материалов и процессов теп-
лообмена.
Потребности развития области измерений высоких и сверхвысо-
ких температур обусловлены разработками новых энергетических
ус1ановок, использующих термоядерные реакции, плазменные
процессы, лазерное излучение большой мощности. Отсюда возни-
кают задачи исследований физико-химических свойств веществ и
материалов в условиях высоких температур.
Вместе с созданием новых методов и средств измерения низ-
ких и высоких температур решаются задачи их метрологического
обеспечения.
Кроме МПТШ-68, реализованной в государственном первичном
эсалоне единицы температуры, в СССР внедрены в метрологиче-
скую практику и другие температурные шкалы. ГОСТ 8.157—75
устанавливает возможные практические температурные шкалы
(ПТШ), предназначенные для обеспечения единства измерений
температуры в диапазоне 10-2—105К. ПТШ строятся таким обра-
зом, чтобы температуры, измеренные по ним, были бы максималь-
но близки к термодинамическим.
б
I Al..left lOMiicpaiypbi по ПТШ принят кельвин (символ К).
Допускайся применение градуса Цельсия (символ °C). Связь
между темпера|урами Т, выраженной в кельвинах и t, выражен-
iioi'i и |радусах Цельсия, представлена соотношением t=T — 273,15.
Mei оды воспроизведения ПТШ, установленные в стандарте,
определяют требования к средствам измерений, входящим в со-
став государственных эталонов. Ниже приводятся сведения о
ПТШ, упомянутых в ГОСТ 8.157—75.
Диапазон температур 0,01—13,81 К
Практическая температурная шкала термометра магнитной
восприимчивости основана на зависимости магнитной восприим-
чивости термометра из церий-магниевого нитрата от температу-
ры Т. Эта зависимость выражается законом Кюри:	где
с — константа, определяемая градуировкой термометра.
Шкала установлена для диапазона температур 0,01—0,8 К, но
практически не реализована. В § 1.5 приведено описание Времен-
ной температурной шкалы 1976 г. в диапазоне 0,5—30 К, реали-
зация которой может осуществляться с помощью магнитного тер-
мометра.
Практическая температурная шкала 3Не 1962 г. основана на
зависимости давления р насыщенных газов изотопа гелия-3 от
температуры Т. Эта зависимость представлена аналитически для
диапазона температур 0,8—1,5 К. Государственный эталон кель-
вина по шкале 3Не 1962 г. не создан.
Практическая температурная шкала 4Не 1958 г. основана на
зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия-4 от
температуры Т. Эта зависимость представлена в стандарте в таб-
личной форме для диапазона температур 1,5—4,2 К (см. ГОСТ
8.078—79).
Практическая температурная шкала германиевого термометра
электрического сопротивления основана на зависимости сопро-
тивления R германиевого термометра от температуры Т. Эта за-
8
висимость выражается соотношением: lg R = E А{ (1g ГЦ,
где Аг — константы, определяемые градуировкой германиевого
термометра по газовому термометру.
Шкала установлена для диапазона температур 4,2—13,81 К
(см. ГОСТ 8.084—79).
Методы и средства, применяемые при реализации температур-
ных шкал ниже 14 К, весьма разнообразны. Выбор конкретных
термометров диктуется диапазоном измеряемых температур, по-
грешностью измерений и условиями применения.
Термометры с чувствительными элементами из металлов на-
шли применение в диапазоне 2—14 К- Широко распространены
платиновые термометры сопротивления. Платина, легированная
небольшими добавками переходных металлов, используется в тер-
мометрах для измерений до 1 К- Термометры сопротивления из
10
бронзы с добавкой свинца служат для измерений в диапазоне
1,8—5,5 К, а латунные — в диапазоне 0,3—0,7 К. Погрешности из-
мерений для термометров сопротивления составляют 0,01—0,05 К.
В диапазоне 4,2—14 К могут быть использованы термометры со-
противления с чувствительными элементами из никеля, индия,
серебра, золота, палладия, вольфрама и тантала, а также из спла-
ва железа с рением и никеля с марганцем. Погрешности могут до-
стигать значений 0,03—0,1 К.
В диапазоне 0,03—14 К применяют полупроводниковые термо-
метры сопротивления. Кроме того, используют в качестве чувст-
вительного элемента уголь, графит, комбинацию платины и гра-
фита. Погрешности измерений составляют 0,01—0,2 К-
Легированные оксидные полупроводники можно использовать
в диапазоне 4—14 К для измерений с погрешностью 0,03 К.
Полупроводниковые термометры из германия применяют в
диапазоне 1 —14 К. Чувствительный элемент из германия, легиро-
ванного галлием, позволяет охватить диапазон 1—5 К- Чувстви-
тельность термометра составляет 0,001—0,002 К. Германий, леги-
рованный мышьяком, используют в диапазоне 1 —14 К. Для
измерений очень низких температур используют термоэлектриче-
ские термометры. Термометр Au— (Со — Си) имеет при 5 К чув-
ствительность 5 мкВ/K, а при температуре 20 К его чувствитель-
ность в три раза выше, чем у медь-константанового. Чувствитель-
ность термометра (Au — Fe)—хромель при ЗК составляет 4,7 мВ
и в диапазоне 3—14 К имеет линейную характеристику.
Для диапазона 2—20 К созданы акустические термометры,
имеющие погрешность до 0,01 К. Эти термометры применяют для
градуировки термометров сопротивления.
Среди новых разработок можно отметить термометры ядерно-
го магнитного резонанса (ЯМР), которые используются в диапа-
зоне 0,001 — 1 К- В качестве термочувствительного преобразова-
теля применяются чистые металлы (платина, медь, алюминий).
В диапазоне 10~3—ЮК применяют шумовые термометры,
принцип действия которых состоит в использовании физической
взаимосвязи спектральной плотности шумового напряжения,обу-
словленного тепловыми флуктуациями электронов, с активным
сопротивлением, включенным в замкнутую электрическую цепь,
и термодинамической температурой.
Квадрупольный ядерный термометр может быть использован
в диапазоне 10—14 К, для которого термометрическим свойством
является резонансная частота поглощения изотопа хлора-35. По-
грешность составляет 0,02 К.
Для диапазона 0,5—14 К применяют магнитный термометр с
использованием зависимости магнитной восприимчивости пара-
магнитных веществ от температуры. Погрешность находится в пре-
делах 5—10 мК. По магнитной восприимчивости меди можно со-
здать термометр для измерений температуры до 10 мК. Путем
адиабатического размагничивания можно достичь температуры
около 0,001 К-
Н
Емкостный термометр применяют в диапазоне 1 —14 К. Погреш-
ность составляет 0,05 К.
Если использовать зависимость асимметрии плотности спектра
сверхтонкого взаимодействия в эффек-ю Мессбауэра (эффект
ядерпого резонансного поглощения гамма-квантов) от температу-
ры, то можно создать термометр Мессбауэра для измерения сверх-
низких температур. Экспериментально метод был проверен в диа-
пазоне 0,85- -1 К. Погрешность измерений снижена до 1 мК-
При н(мереннн сверхнизких температур, как и температур по
всей шкале, сгремшся к получению значений термодинамических,
а Не условных температур: это необходимо для метрологических
исследований при установлении ТТШ, для измерений температу-
ры реперных точек для их использования по ПТШ или же при
исследовании теплофизических законов и определении характе-
ристик тепловых процессов. Современное состояние низкотемпе-
ратурной термометрии таково, что наиболее достоверные данные
получают по ТТШ на основе газового термометра с погрешностью
0,5—1 мК в диапазоне 2—14 К- В СССР низкотемпературный газо-
вый термометр создан во ВНИИФТРИ. За рубежом газотермомет-
рические исследования проводятся в США, Англии, Канаде, Ав-
стралии, Японии и в других странах.
Диапазон температур 13,81—103 К
Международная практическая температурная шкала 1968 г.
(МПТШ-68) установлена для диапазона температур 13,81—6300 К.
Основные принципы построения шкалы изложены в §1.4. Государ-
ственный первичный эталон, реализующий М.ПТШ-68, рассмотрен
в гл. 2.
Практическая температурная шкала пирометра микроволново-
ю излучения основана на зависимости спектральной плотности
энергии излучения L(Г) черного тела от температуры Т в микро-
волновом диапазоне излучения
L(T)	Т
L [Т (Au)] ' Т(А- 1 ’
где /-[7 (Au)]— спектральная плотность энергии излучения черно-
го тела при температуре затвердевания золота Т(Au) = 1337,58 К
в микроволновом диапазоне излучения.
Шкала установлена для диапазона температур 6300—100000 К.
§ 1.4.	Международная практическая температурная шкала
1968 г. (редакция 1975 г.)
Трудности непосредственной реализации ТТШ с помощью газовых термо-
метров привели к построению практических температурных шкал. Междуна-
родная температурная шкала 1927 г. (МТШ-27) была введена Седьмой Ге-
неральной конференцией по мерам и весам. В 1948 г. на Девятой Генераль-
ной Конференции по мерам н весам МТШ-27 была пересмотрена, были приня-
ты новые значения термодинамических температур реперных точек, на которых
основывалась шкала, изменились константы излучения, входящие в формулу
Планка, но принцип построения шкалы остался прежним: шкала под новым
12
названием «Международная температурная шкала 1948 г.». (МТШ-48) постро-
ена на ряде воспроизводимых равновесных состояний (реперных или постоян-1
ных точках), которым приписаны определенные значения термодинамических
температур, и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах.
В интервалах между реперными точками интерполяцию производят по фор-
мулам, которые связывают показания интерполирующих эталонных приборов
со значениями температуры. В качестве интерполирующих приборов применя-
лись платиновые термометры сопротивления, термоэлектрические термометры,
а выше точки затвердевания золота — пирометр излучения.
Девятая Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение от-
казаться от термина «стоградусная шкала», заменив его термином «шкала
Цельсия», а символ «°C» стал сокращением термина «градус Цельсия».
Десятая Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. своей резо-
люцией № 3 определила размер единицы термодинамической температуры пу-
тем установления значения «273,16 К для термодинамической температуры
тройной точки воды».
Одиннадцатая Генеральная конференция по мерам и весам приняла новую
редакцию МТШ-48: «Международная практическая температурная шкала 1948 г.
(редакция 1960 г.)» — МПТШ-48. Числовые значения температур в этой шкале
остались теми же, что и в шкале МТШ-48, Эта конференция включила в текст
МПТШ-48 (редакция 1960 г.) новое определение размера единицы термодина-
мической температуры — градуса Кельвина. Кроме того, в МПТШ-48 опреде-
лялся статут термодинамической температурной шкалы Кельвина в системе по-
ложений о термометрии: «Термодинамическая шкала Кельвина ... принимается
в качестве основной шкалы; должна существовать возможность в конечном
счете отнести к этой шкале результат любого измерения температуры».
С 1 января 1963 г. был введен ГОСТ 9867—61 «Международная система
единиц», который предусматривал использование в СССР Международной си-
стемы единиц, в том числе и градуса Кельвина. В настоящее время действует
ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78) «Единицы физических величин», содержа-
щий следующее определение единицы термодинамической температуры: кель-
вин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды
(Тринадцатая Генеральная конференция по мерам и весам, 1967 г., резолю-
ция 4).
Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68)
была принята на сессии Международного комитета мер и весов в соответст-
вии с полномочиями, представленными ему резолюцией 8 Тринадцатой Гене-
ральной конференции по мерам и весам (1967 г.). МПТШ-68 (редакция 1975 г.)
утверждена Пятнадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам в
1975 г. Эта шкала является исправленным изданием МПТШ-68, но не пред-
ставляет собой новую шкалу. Шкала в редакции 1975 г. не вносит никаких
изменений в числовые значения температур Г68 или Zes, измеренных в соответ-
ствии с положением МПТШ-(68. В положении о МПТШ-68 вводятся понятия о
термодинамической температуре и о «практических температурах»: Г=/+273,15;
7'в8 = ^в8 + 273,15, где Т— термодинамическая температура Кельвина; t — термо-
динамическая температура Цельсия; Tee, tes — практические температуры Кель-
вина и Цельсия соответственно.
Единицей температур Т и Те& является кельвин, символ К, a t и /ев гра-
дус Цельсия, символ °C. Размер градуса Цельсия равен кельвину.
В МПТШ-68 в качестве основной температуры принята термодинамическая
температура, единица которой кельвин, определена как 1/273,16 часть термо-
динамической температуры тройной точки воды, МПТШ-68 установлена таким
образом, что результаты измерений температуры насколько возможно близки
к термодинамической температуре.
Принцип построения МПТШ-68, как и предыдущих международных прак-
тических шкал, состоит в построении шкалы на основе воспроизводимых рав-
новесных состояний, которым приписаны числовые значения температур. Эти
равновесные состояния имеют наименование основных реперных точек; значе-
ния их международных практических температур, являющихся лучшим при-
ближением к термодинамическим температурам, приведены в табл. 1.1. В ин-
тервалах между температурами основных реперных точек интерполяцию осу-
ществляют с помощью формул, в которые входят показания термометров и
13
пирометров и вычисляемые значения международных практических темпера-
тур.
ТАБЛИЦА 1.1
Состоянии <|>‘l 11»М<>1 II |ЫЦ||||Ц|1СНЯ	Принятое апачепне между- народной практической Температуры	
	1118	KU °C
PiniiKiiu'ciK- между |це|>дой. жидкой и парообраз- ной фазами рппнонеепого поДорода (тройни» гон- ка равновесного водорода)	13,81	-259,34
Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении 33830,6 Па (25/76 нормальной атмосферы)	17,042	—256,108
Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесно-		
го водорода)	20,28	—252,87
Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона)	27,102	—246,048
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)	54,361	-218,789
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами аргона (тройная точка аргона)	83,798	-189,352
Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка росы кислорода)	90.188	-182,952
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)	273,16	0,01
Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)	373,15	100
Равновесие между твердой и жидкой фазами олова (точка затвердевания олова)	505,1181	231,9681
Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка)	692,73	419,58
Равновесие между твердой и жидкой фазами се- ребра (точка затвердевания серебра)	1235,03	961,93
Равновесие между твердой и жидкой фазами золо- та (точка затвердевания золота)	1337,58	1064,43
Примечания1
1. За исключением тройных точек и одной точки равновесного водорода (17,042 К)
принятые значения температур даны для состояния равновесия при давлении 101325 Па
(1 нормальной атмосфере).
2. Тройную точку аргона мо?кно использовать наряду с точкой росы кислорода.
3. Точку затвердевания олова можно использовать наряду с точкой кипения воды.
В различных температурных диапазонах .МПТШ-68 используются плати-
новые термометры сопротивления, платннородий-платиновые термоэлектри-
ческие термометры и пирометры.
В диапазоне 13,81—903,89 К эталонным прибором служит платиновый
термометр сопротивления, у которого относительное сопротивление Ц7(7вв) =
=^(7’вв)/Я (273,15 К) при Гвв = 373,15 К должно быть не менее 1,39250.
Для диапазона 13,81—273,15 К аналогичная связь между сопротивлением
и температурой определяется с помощью «стандартной» функции и специаль-
ных уравнений для вычисления поправок к стандартной функции, чтобы учесть
отклонения, обусловленные термометрическими свойствами каждого отделы
кого термометра.
Для диапазона 273,15—903,89 К температурная зависимость сопротивления
термометра принята в виде двух уравнений в форме полиномов.
В диапазоне 903,80—1337,58 К эталонным прибором является платнноро-
дий-платиновый термоэлектрический термометр (10 % родия), для которого
14
установлено'.соотношение между электродвижущей силой и температурой в ви-
де уравнения второй степени.
В диапазоне выше 1137,58 К к эталонным приборам относят пирометр.
Связь между измеряемой температурой Tss и спектральной плотностью энер-
гии излучения L^fTes) абсолютно черного тела для длины волны X установ-
лена по формуле Планка:
ехр Г------—1 — 1
LX(T68)	L^88(Au)j
Lx[7’es(Au)] Г с2 1	’
рЬтв8 г1
где Гвв(Аи)—практическая температура в точке затвердевания золота; с2=
= 0,0143 88 м-К — вторая постоянная излучения; £х[Гв8(Аи)] — спектральная
плотность энергии излучения абсолютно черного тела для длины волны X при
температуре затвердевания золота.
В СССР МПТШ-68 (редакция 1975 г.) принята в качестве основополага-
ющей температурной шкалы, реализованной в государственном первичном эта-
лоне единицы температуры для диапазона от 13,81 до 2800 К, а также в го-
сударственных специальных эталонах единицы температуры для различных
диапазонов температуры и спектральных интервалов излучения.
§ 1.5.	Временная температурная шкала 1976 г.
в диапазоне 0*5—30 К
МПТШ-68 имеет иижнюю границу 13,81 К. Дальнейшее расширение прак-
тической шкалы в область низких температур базируется на ряде методов —
это газовая и магнитная термометрия.
Консультативный комитет по температурам (ККТ) утвердил «Временную
температурную шкалу 1976 г. в диапазоне 0,5—-30 К» (ВТШ-76). Она осно-
вана на температурах, значения которых присвоены определенным постоянным
точкам (основным точкам шкалы). Ниже приведены значения температур ос-
новных точек ВТШ-76.
Постоянные точки
Присвоенное значение
температуры Г76, К
Точка сверхпроводящего перехода 1 кадмия Точка сверхпроводящего перехода цинка Точка сверхпроводящего перехода алюминия Точка сверхпроводящего перехода индия Точка кипения гелия 4Не2 Точка сверхпроводящего перехода свинца Тройная точка равновесного водорода 3 Точка кипения равновесного водорода при давлении 33 330,6 Па (25/76 нормальной атмосферы) 3 Точка кипения равновесного водорода2'3 Тройная точка неона 4 Точка кипения неона 2’ 31 4	0,519 0,851 1,1796 3.1445 4,2221 7,1999 13,8044 17,0373 20,2735 24,5591 27,102
‘Точка сверхпроводящего перехода: это — переход между состоянием сверхпроводи-
мости и нормальным состоянием в нулевом магнитном поле.
2 Точка кипения при давлении 101325 Па (1 нормальная атмосфера).
3 Это точки, представляющие четыре основные точки МПТШ-68. Значения температур,
присвоенные этим точкам в ВТШ-76, отличаются от значений, принятых в МПТШ-68.
Выражение «равновесный водород» означает, что водород имеет равновесный орто-
пара состав при рассматриваемой температуре.
4 Две точки пеона понимаются как точки пеона, имеющие 2,7 ммоль нормального
неона 21 Ne и 92 ммоль изотопа 22Ne для 0,905 моль изотопа 20Ne.
Видно, что ВТШ-76 в зоне перекрытия с МПТШ-68 13,8—27,1 К имеет
следующие расхождения. Наибольшие расхождения 4,5—5,3 мК относятся К
диапазону 17,0—22,0 К. К текстовой части ВТШ-76 приведены отличня этой
15
шкалы от шкал 4Не 1958 г, 3Не 1962 г, которые составляюi 2—7 мК в диа-
пазоне 0,5—5 К.
Методы, которые принимаются для реяли пиши ВНП 7(5 полностью или ча-
стично, основаны на использовании:
термодинамических пн lepiiii.iiimniHHNX прнборон i.ikhx, как газовый или
магнитный термометры, к<>к>]>ы<* > |и>ду»ру>1>|еи п одной нлн большем числе то-1
чек, прицеленных нп с IГ», III
попрпнок и uCi'hicih iiuiiir 1,1,81 К, приведенных пн с. ООО,
ни и но дни leiHiiii ir ши (пншлы 'Не 1958 1. нлн шкалы 3Не 1962 г.) и
р,|.и и и MHep.i ।\р, lipins .......  ы	in 101111П 'iiiein В IIII-76;
in 11 ii.iniiiHi.i 11.111.1 x i.Huip.i lupiiil < ( C|>, (ЛИЛ, Am тин 11 других и разне-
стеи и мперицр mi BIIII-70 11 национальными шкалами, приведенными в тек-
стовон 'liici и В 1111-76
Введение ВI Ш-76 пенволнт в дальнейшем построить единую шкалу —
МПТШ в диапазоне 0,5—273,15 К и выше» Ниже 0,5 К шкалу можно постро-
ить, используя новые точки сверхпроводящих переходов и методы электронной
или ядерной термометрии
В СССР работы в области низкотемпературной термометрии в большом
объеме проводятся во ВНИИФТРИ. Здесь разработан магнитный термометр,
требующий градуировки в четырех реперных точках в диапазоне 0,85—7,2 К
по точкам сверхпроводящих переходов цинка, алюминия, индия и свинца. По-
грешность воспроизведения техгператур переходов составляет 1 мК- Установ-
ленная во ВНИИФТРИ магнитная температурная шкала была сличена со шкал
ламп, реализованными в Австралии, США н Голландии. Сходимость сличений
составила ±1 мК.
т„. к	-Г . мК	Л». К	Т (.а—мК
13,81	5,6	21,5	5,3
14,0	4,6	22,0	4,5
14,5	3,(1	22,5	4,2
15,0	2,0	23,0	3,7
15,5	2,2	23,5	3,2
16,0	2,6	24,0	2,7
16,5	3,6	24,5	2,1
17,0	4,6	25,0	1,6
17,5	5,6	25,5	1,1
18,0	6,5	26,0	0,7
18.5	7,2	26,5	0,3
19,0	7,4	27,0	0,0
19,5	7,3	27,1	0,0
20,0	6,9	28,0	0,0
20,5	6,4	29,0	0,0
21,0	5,8	30,0	0,0
Во ВНИИФТРИ разработана также аппаратура, предназначенная для го-
сударственного эталона единицы температуры по ВТШ-76 в диапазоне 0,5—.
13,81 К, основанного на магнитном термометре и постоянных точках ВТШ-76 в
указанном диапазоне температур
Одной из метрологических задач является создание, кроме эталонов, об-
разцовых средств измерений Выполненное во ВНИИФТРИ исследование пла-
тиновых термометров сопротивления показало, что в диапазоне ВТШ-76 4,2—
13,81 К они могут быть применены в качестве образцовых для передачи раз-
мера кельвина с погрешностью 0,01—0,02 К.
16
ГЛАВА 2
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ
И ПОВЕРОЧНЫЕ СХЕМЫ
§ 2.1.	Общее положение об эталонах
ГОСТ 8.057—80 «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Ос-
новные положения» устанавливает классификацию, назначение и
общие требования к созданию, хранению и применению эталонов.
Государственные эталоны единицы температуры полностью отве-
чают требованиям, изложенным в ГОСТ 8.057—80.
Государственные первичные и специальные эталоны единицы
температуры являются исходными для страны. Они созданы для
воспроизведения и передачи размера единицы температуры сред-
ствами измерений температуры (вторичным эталонам и образцо-
вым средствам измерений), применяемым в стране с целью обес-
печения единства измерений. Основаниями для создания госу-
дарственных эталонов явились: широкое распространение образ-
цовых и рабочих средств измерений температуры, градуирован-
ных в единицах температуры; техническая возможность создания
. эталонов и передачи размера единицы температуры, воспроизво-
димой эталонами с необходимой точностью. В области темпера-
турных измерений, как правило, создают вторичные эталоны еди-
ницы температуры, которые получают размер единицы от первич-
ных эталонов и служат для защиты первичного эталона от преж-
девременного износа, способствуют рациональной организации
поверочных работ в органах государственной и ведомственной мет-
рологических служб и обеспечивают возможность сличений госу-
дарственных эталонов.
Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и
применения государственных эталонов единицы температуры со-
ответствует требованиям, изложенным в ГОСТ 8.372—80.
Размер единицы температуры от государственных эталонов
передается в соответствии с поверочными схемами, требования к
которым установлены ГОСТ 8.061—80.
В соответствии с ГОСТ 8.057—80 эталоны подразделяются на
первичные (исходные) и вторичные (подчиненные). Первичные
эталоны в зависимости от условий воспроизведения единицы мо-
гут иметь разновидность — специальные первичные эталоны.
По ГОСТ 8.057—80 первичным и специальным эталонам при-
сваивают наименования «Государственный первичный эталон» или
2 -1973
17
«Государственный специальный эталон:». В последнем наимено-
вании опускается указание па «первичный», хотя все государст-
венные э1алоны янляк)1ея черничными.
Специальные первичные энинин.! воспроизводят единицу тем-
пературы в условиях, в которых прямая передача размера едини-
цы 01 первично:о этплонп г требуемой точностью технически не-
осуществима. Гак, со щипце специальных эталонов для диапазо-
пп ниже 13,81 К обусловлено невозможностью применять плати-
новые 1ермоме1ры сопро।пиления, используемые в первичном
эталоне для диапазона 13,81—273,15 К вследствие низкой чувстви-
тельности и соответствующей потери точности. Поэтому специаль-
ные эталоны в диапазоне 4,2—13,81 ^базируются на германиевых
термометрах сопротивления, а в диапазоне 1,5—4,2 К практиче-
ская шкала реализована на зависимости давления насыщенных
паров 4Не от температуры.
Четыре специальных эталона созданы в области температур
выше 500 К.
В связи с тем, что первичный эталон в области пирометрии из-
лучения охватывает спектральный диапазон излучений в видимом
участке спектра 0,5—0,8 мкм, то для приборов в инфракрасном
диапазоне возникла необходимость создать специальный эталон
и образцовые средства в спектральном диапазоне 0,8—8,0 мкм
для температур 500—2300 К- Аналогично для спектрального диа-
пазона 0,3—0,5 мкм (ультрафиолетовое излучение) был создан
также специальный эталон для температур 1800—3000 К. Кроме
того, в диапазоне 10000—15000 К создан специальный эталон по
инфракрасному излучению.
Для обеспечения единства измерений температуры плазмен-
ных источников, в которых термодинамическое равновесие наблю-
дается для электронов («электронная температура») передать
размер единицы от первичного эталона не представляется возмож-
ным, Специальный эталон в диапазоне температур 1-Ю3—1-lOi-K
был создан для излучений в микроволновой области спектра в ди-
апазоне частот 9000—9800 МГц.
Комплекс государственных эталонов единицы температуры,
включающий первичный и специальные эталоны, созданный для
обеспечения единства измерений в стране, соответствует ГОСТ
8.157—75 «ГСИ. Шкалы температурные практические». ,
ГОСТ 8.057—80 предусматривает следующие вторичные эта-
лоны: эталоны-копии, эталоны сравнения и рабочие. Поверочные
схемы для средств измерений температуры включают указанные
вторичные эталоны за исключением эталонов сравнения. Однако
ГОСТ 16263—70 «ГСИ. Метрология. Термины и определения» пре-
дусматривает возможность создания эталона-свидетеля (вторич-
ного эталона), предназначенного для проверки сохранности пер-
вичного эталона. Эталоны-свидетели созданы и используются в
поверочных схемах первичного эталона (комплекс газового тер-
мометра—см. ГОСТ 8.080—80; платиновые термометры сопро-
тивления—см. ГОСТ 8.079—79); специальных эталонов (герми-
18
ниевые ' термометры сопротивления — см. ГОСТ 8.078—79 и
8.084—79).
Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы
температуры рабочим эталонам (платиновые термометры сопро-
тивления— см. ГОСТ 8.079—79; температурные лампы — см.
ГОСТ 8.080—80). Эталон-копия не всегда представляет собой фи-
зическую копию первичного эталона. Например, температурная
лампа не является копией первичного эталона, в котором размер
единицы температуры воспроизводится с помощью абсолютно чер-
ного тела при температуре затвердевания золота.
Эталоцы сравнения применяются для взаимных сличений эта-
лонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредствен-
но сличать друг с другом. В качестве эталонов сравнения в обла-
сти температурных измерений используют рабочие эталоны или
специально исследованные средства необходимой точности.
Рабочие эталоны единицы температуры предназначены для по-
верки образцовых и наиболее точных рабочих средств.
В состав государственных эталонов включены средства изме-
рений, при помощи которых воспроизводят и хранят единицу тем-
пературы, контролируют условия измерений, неизменность воспро-
изводимого размера единицы и осуществляют передачу размера
единицы. В состав эталонов включены и другие специально со-
зданные технические средства, в том числе устройства для авто-
матической регистрации и обработки результатов наблюдений.
Государственные эталоны создает, утверждает, хранит и при-
меняет Госстандарт. Государственные первичные и специальные
эталоны единицы температуры разработаны и хранятся во
ВНИИФТРИ, в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» и НПО
«Метрология». Точность воспроизведения единицы температуры
и передачи ее размера соответствует уровню лучших мировых до-
стижений и удовлетворяет потребностям народного хозяйства
страны.
§ 2.2.	Поверочные схемы
ГОСТ 8.061—80 «ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и по-
строение» устанавливает систему передачи размера единицы фи-
зической величины от государственного эталона или исходного об-
разцового средства измерений рабочим средствам. Поверочные
схемы в области температурных измерений построены в соответ-
ствии с ГОСТ 8.061—80.
Поверочная схема по ГОСТ 16263—70 — это утвержденный в
установленном порядке документ, устанавливающий средства, ме-
тоды и точность передачи размера единицы (в нашем случае раз-
мера единицы температуры — кельвина) от государственного эта-
лона или исходного образцового средства измерений рабочим
средствам измерений.
2*	19
Поверочные схемы подразделяют на: Государственные, ведом-
ственные и локальные. Ниже будут рассмотрены государственные
поверочные схемы.
Государственные поверочные схемы для средств измерений
распространяются на все средства измерений температуры, при-
меняемые в стране. Ведомственные поверочные схемы распростра-
няются на средства измерений температуры, подлежащие поверке
внутри данного ведомства. Локальная поверочная схема распро-
страняется на средства измерений температуры, подлежащие по-
верке в данном органе государственной или ведомственной метро-
логической службы.
Ведомственные и локальные поверочные схемы должны соот-
ветствовать, а не противоречить государственным поверочным схе-
мам для средств измерений температуры и могут составляться
при отсутствии государственных поверочных схем. В этих схемах
допускается указание на конкретные типы (экземпляры) средств
поверки.
ГОСТ 8.001—80 устанавливает наименования поверочных
схем. Так, государственную поверочную схему разрабатывают в
качестве государственного стандарта «ГСИ. Государственный пер-
вичный (специальный) эталон и государственная поверочная схе-
ма для средств измерений температуры». В случае, если государ-
ственная поверочная схема возглавляется не эталоном, а исход-
ным образцовым средством измерений, то стандарт следует име-
новать «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств
измерений 1емпературы».
Ведомственную поверочную схему разрабатывают в качестве
ведомственного нормативно-технического документа «Ведомствен-
ная поверочная схема для средств измерений температуры». Допу-
скается такой документ разрабатывать в виде отраслевого стан-
дарта. Ведомственная поверочная схема перед утверждением дол-
жна быть согласована с разработчиком государственной повероч-
ной схемы средств измерений температуры.
Локальную поверочную схему разрабатывают в качестве нор-
мативно-технического документа предприятия (организации) и ут-
верждают после согласования с территориальными органами го-
сударственной метрологической службы.
Государственные поверочные схемы разрабатывают главные
центры (центры) государственных эталонов — хранители государ-
ственных эталонов единицы температуры; ведомственные — ведом-
ственные метрологические службы; локальные — подразделения
предприятий (организаций), проводящие поверку.
Поверочную схему для средств измерений одной и той же фи-
зической величины (температуры), существенно отличающихся
методами измерений, диапазонами измерений, условиями приме-
нения и методами поверки допускается подразделять на части.
Так, государственная поверочная схема по ГОСТ 8.080—80 для
диапазона температур 273,15—6300 К содержит две части. Часть
1—термометры, включает термометры сопротивления, термо-
29
электрические, жидкостные, полупроводниковые, поверхностные и
другие контактные термометры; часть 2 — пирометры включает
визуальные и фотоэлектрические пирометры, пирометры спект-
рального отношения и полного излучения, т. е. приборы, принцип
действия которых основан на использовании собственного тепло-
вого излучения нагретых тел.
Поверочная схема должна включать не менее двух ступеней
передачи размера единицы и состоять из чертежа и текстовой ча-
сти, содержащей пояснение к чертежу. Пример ведомственной (ло-
кальной) по'верочной схемы приведен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Ведомственная (локальная) поверочная схема для средств
измерения температуры
В поверочной схеме для средств измерений температуры дол-
жны быть указаны: наименование средств измерений и методов
поверки; номинальные значения или диапазоны значений темпе-
ратуры; допускаемые значения погрешностей средств измерений
и методов поверки.
Разряды образцовых средств измерений, указываемые в ве-
домственных (локальных) поверочных схемах, должны быть те-
ми же, что и разряды, присвоенные этим средствам в государст-
венных поверочных схемах.
Метрологические характеристики средств измерений, указыва-
емые в поверочных схемах, должны удовлетворять следующим
требованиям:
погрешности эталонов должны соответствовать ГОСТ 8.057—80;
21
погрешности образцовых средств измерений должны характе-
ризоваться пределом допускаемой погрешности (А — для абсо-
лютной, До — для относительной формы представления) или дове-
рительной погрешностью средства измерения (б — для абсолют-
ной, до — для относительной формы представления) при соответ-
ствующей доверительной вероятности, которую для каждой
поверочной схемы принимают единой и выбирают из ряда — 0,90;
0,95; 0,99;
погрешности рабочих средств измерений следует характеризо-
вать пределом допускаемой погрешности средств измерений; их
метрологические характеристики должны соответствовать ГОСТ
8.009—72.
Форма выражения погрешности образцовых и рабочих средств
измерений по возможности должна быть одинаковой в одной по-
верочной схеме.
Погрешность эталонов, образцовых и рабочих средств изме-
рений температуры, как правило, выражается в абсолютных зна-
чениях температуры, т. е. в кельвинах.
Наименования средств измерений, их номинальные значения
или диапазоны значений температуры и погрешности, указывае-
мые в поверочных схемах, должны соответствовать:
для эталонов — установленным в результате их утверждения в
требованиях ГОСТ 8.372—80;
для образцовых средств измерений — указанным в государст-
венных стандартах, устанавливающих технические требования,
или свидетельствах об их метрологической аттестации;
для рабочих средств измерений — установленным в государст-
венных стандартах техническим требованиям (техническим усло-
виям) на эти средства.
Наименования и обозначения температуры и ее единиц долж-
ны соответствовать ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78) «ГСИ.
Единицы физических величин».
Методы поверки средств измерений, указываемые в повероч-
ных схемах, следующие: непосредственное сличение (без средств
сравнения); сличение при помощи компаратора или других средстЁ
сравнения; методы прямых и косвенных измерений.
Под наименованием метода поверки указывают допускаемое
значение погрешности метода.
Требования к изложению текста государственного стандарта
государственного первичного (специального) эталона и государ-
ственной поверочной схемы и требования к изложению текста го-
сударственного стандарта государственной поверочной схемы из-
ложены в приложениях 4 и 5 к ГОСТ 8.061—80.
§ 2.3.	Государственный первичный эталон единицы температуры
Государственный первичный эталон единицы температуры ут-
вержден Госстандартом в 1972 г. в составе комплекса средств из-
мерений, обеспечивающих воспроизведение единицы температуры
22
(в соответствии с МПТШ-68) с наивысшей в стране точностью.
Размер единицы температуры воспроизводится первичным эта-
лоном и передается вторичным эталонам в диапазоне 13,SI-
2800 К. Первичный эталон размещен во ВНИИФТРИ (средства
измерений для диапазона 13,81—273,15 К) и в НПО «ВНИИМ
им. Д. И. Менделеева» (средства измерений для диапазона
273,15—2800 К).
Первичный эталон основной единицы должен воспроизводить
единицу в соответствии с ее определением. Однако в случае пер-
вичного эталона единицы температуры из-за трудностей, возника-
ющих при его осуществлении, воспроизводить и передавать раз-
мер единицы термодинамической температуры с необходимой точ-
ностью оказалось неосуществимым. Поэтому как в СССР, так и за
рубежом эталоны единицы температуры (или заменяющие их
средства измерений) создаются на основе МПТШ, начиная с
Международной температурной шкалы 1927 г.
Государственный первичный эталон единицы температуры в
диапазоне 13,81—273,15 К, утвержденный Госстандартом в 1979 г.,
воспроизводит единицу температуры в соответствии с МПТШ-68
в диапазоне 13,81—273,15 К (ГОСТ 8.079—79 «ГСИ. Государст-
венный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для
средств измерений температуры в диапазоне 13,81—273,15 К»).
Кельвин воспроизводится в диапазоне, нижняя граница кото-
рого при температуре 13,81 К стыкуется с областью 13,81—4,2 К,
где температурную шкалу осуществляют с помощью государствен-
ного специального эталона кельвина в соответствии с практиче-
ской «германиевой» температурной шкалой. Верхняя граница тем-
пературного диапазона при температуре 273,15 К стыкуется с об-
ластью, реализуемой в диапазоне 273,15—2800 К с помощью го-
сударственного первичного эталона кельвина в соответствии с
МПТШ-68.
В диапазоне 13,81—273,15 К осуществлен принцип измерений,
заложенный в МПТШ-68, а именно на основе реперных темпера-
турных точек с приписанными значениями термодинамических
температур (см. табл. 1.1) платиновых термометров сопротивле-
ния, стандартных функций относительных сопротивлений термо-
метра и уравнений для расчета значений температур осуществ-
ляется воспроизведение и передача размера кельвина вторичным
эталонам.
Государственный эталон воспроизводит единицу температуры
по МПТШ-68 с максимальным приближением к размеру единицы
термодинамической температуры в соответствии с требованиями
ТТШ. При этом значения термодинамических температур припи-
сываются реперным точкам по результатам непосредственных из-
мерений газовыми термометрами, выполненными в национальных
метрологических лабораториях различных стран, а стандартная
функция относительных сопротивлений термометров, являющаяся
базовой аналитической зависимостью при расчетах температур,
получена и проверена при прямых градуировках эталонных тер-
23
момегров СССР, США, Англии и Канады с помощью газовых тер-
мометров, реализующих абсолютную термодинамическую темпе-
ратурную шкалу.
В эталон входит комплекс средств измерений, состоящий из
платиновых термометров сопротивления; аппаратуры для воспро-
изведения реперных точек МПТШ-68 — тройных точек равновес-
ного водорода, кислорода и воды; точек кипения равновесного во-
дорода, неона, кислорода и воды; криостата в диапазоне 13,81 —
273,15 1\ и ванны сжиженных газов.
Входящие в состав эталона низкотемпературные платиновые
термометры сопротивления типа ТСПН-1, разработанные во
ВНИИФТРИ. имеют чистоту лучше, чем 1,3926 (Рюо/Ро). Воспро-
изводимость измерений сопротивления в тройной точке воды в те-
чение 3 лет не превосходит в температурном эквиваленте 0,75 мК,
а для тройной точки равновесного водорода 1 мК. Для криостата
характерна воспроизводимость около 1 мК-
Погрешность реализации реперных точек для определенных
фиксированных условий в установке при температурах тройной
точки равновесного водорода 13,81 К и тройной точки кислорода
54,361 К не превышает 0,2 мК. Погрешность реализации точек ки-
пения составляет 0,5 мК при фиксированных условиях (темпера-
турного хода в криогенной установке, чистоты газов, температуры
капилляра и др.).
В состав эталона входит установка для реализации тройной
точки воды, разработанная в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделе-
ева» в соответствии с МПТШ-68. Она обеспечивает непрерывность
воспроизведения кельвина по всей температурной шкале. Ампула
тройной точки воды аттестована в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Мен-
делеева» в качестве вторичного эталона кельвина для области
выше 0 °C Воспроизводимость тройной точки воды определялась
на платиновых термометрах, входящих в первичный эталон. Сред-
нее квадратическое отклонение при определении сопротивлений
термометров в тройной точке воды в температурном эквиваленте
не превышало 0,15 мК.
В связи с необходимостью сопряжения МПТШ-68 в двух тем-
пературных областях (ниже и выше 273,15 К) в состав эталона
вводится также и установка для реализации точки кипения воды
(373,15 К). Температуру в кипятильнике измеряли с помощью
термометров, аттестованных в НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менде-
леева» в качестве вторичных эталонов на диапазон 273,1э—903,89 К.
Криостат для передачи размера кельвина от первичного вто-
ричным эта тонам обеспечивает температурный диапазон 13,81 —
273,15 К с погрешностью передачи размера кельвина в пределах
2 мК; автоматический регулятор ВРТ-2 — постоянство температу-
ры в пределах 1 мК в течение 1 ч.
Поверочная схема, во главе которой находится рассматривае-
мый эталон, включает следующие средства измерений:
вторичные эталоны (платиновые термометры сопротивления);
эталоны-копии со средним квадратическим отклонением 1,5 мК;
24
эталоны-свидетели и рабочие эталоны со средним квадратиче-
ским отклонением 2 мК;
образцовые средства измерений 1-го разряда (платиновые тер-
мометры сопротивления, полупроводниковые термометры сопро-
тивления и ртутные термометры, для которых при доверительной
вероятности 0,95 установлены погрешности в пределах 0,01 —
0,02 К); 2-го разряда (платиновые и полупроводниковые термомет-
ры сопротивления и ртутные термометры, для которых при дове-
рительной вероятности 0,95 установлены погрешности в пределах
0,01—0,02 К); 2-го разряда (платиновые и полупроводниковые
термометры сопротивления, термоэлектрические и ртутные термо-
метры, для которых при доверительной вероятности 0,95 установ-
лены погрешности в пределах 0,05—0,1 К);
рабочие средства измерений (металлические и полупроводни-
ковые термометры сопротивления, термоэлектрические, жидкост-
ные и ртутные термометры, пьезокварцевые термометры, платино-
вые термометры сопротивления и другие термометры повышенной
точности, для которых пределы допускаемых абсолютных погреш-
ностей установлены в диапазоне 0,015—5 К).
Государственный первичный эталон единицы температуры в ди-
апазоне 273,15—2800 К, утвержденный Госстандартом в 1980 г.,
воспроизводит единицу температуры в соответствии с МПТШ-68
в диапазоне 273,15—2800 К (ГОСТ 8.080—80 «ГСИ. Государст-
венный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для
средств измерений температуры в диапазоне 273,15—6300 К»).
Кельвин воспроизводится в диапазоне, нижняя граница кото-
рого стыкуется с областью 273,15—13,81 К, где температурную
шкалу осуществляют с помощью государственного первичного
эталона кельвина. Верхняя граница эталона ограничена темпера-
турой 2800 К. Поверочная схема, возглавляемая эталоном, охва-
тывает термометры и пирометры в диапазоне 273,15—6300 К.
В рассматриваемом диапазоне 273,15—2800 К осуществлен
принцип измерений, заложенный в МПТШ-68, а именно, на осно-
ве реперных точек с приписанными значениями термодинамиче-
ских температур (см. табл. 1.1) платиновых термометров сопро-
тивления, фотоэлектрического спектрокомпаратора, уравнений для
вычислений температур осуществляется воспроизведение и пере-
дача размера кельвина вторичным эталонам.
МПТШ-68 в области температур выше 273,15 К была построе-
на на исследованиях, выполненных в СССР (НПО «ВНИИМ им.
Д. И. Менделеева») и ФРГ.
В температурном диапазоне 273,15—1337,58 К в комплекс эта-
лона входят следующие средства измерений:
аппаратура для воспроизведения реперных точек: тройной точ-
ки воды (273,16К); точек затвердевания олова (505,1181 К), цин-
ка (692,73 К), серебра (1235,08 К) и золота (1337,58 К);
группа платиновых термометров сопротивления для диапазона
273,15—903,89 К и 692,73—1337,58 К-
В отличие от рекомендаций положения о МПТШ-68 в эталон
25
вместо термоэлектрических термометров на основе платинородий-
платиповых термопар (10% родия) для диапазона 903,89—
1337,58 К включены высокотемпературные платиновые термомет-
ры сопротивления, обладающие более высокой точностью.
Точки затвердевания металлов осуществляются в графитовых
тиглях.
В табл. 2.1 приведены данные по погрешностям воспроизводи-
мости среднего квадратического отклонения и неисключенной си-
стематической погрешности государственного первичного эталона
кельвина в диапазоне 273,15—1337,58 К.
Поверочная схема, во главе которой находится первичный эта-
лон, включает следующие средства измерений:
вторичные эталоны, представляющие собой комплекс газового
термометра, в функции которого входит определение отклонений
МПТШ-68 от термодинамической шкалы, измерения значений тер-
модинамических температур основных и вторичных реперных
точек, а также градуировка термометров в единицах термодинами-
ческой температуры, что не предусмотрено в государственном эта-
лоне; погрешность эталона-свидетеля составляет — среднее квад-
ратическое отклонение 0,5—30 мК, неисключенная систематиче-
ская погрешность 0,5—100 мК;
рабочие эталоны:
платиновые термометры сопротивления и аппаратура реперных
точек в диапазоне 273,15—903,89 К, среднее квадратическое от-
клонение 1 —10 мК;
платиновые термометры сопротивления и аппаратура репер-
ных точек в диапазоне 692,73—1337,58 К, среднее квадратическое
отклонение 10—60 мК;
платинородий-платиновые термоэлектрические термометры и
аппаратура реперных точек в диапазоне 903,89—1337,58 К, сред-
нее квадратическое отклонение 0,2—0,25 К;
платипородиевые термоэлектрические термометры и аппарату-
ра реперных точек в диапазоне 1235,08—2042 К, среднее квадра-
тическое отклонение 0,3—1,0 К;
ТАБЛИЦА 2.1
	Среднее квадратическое	Неисключенная систематн-
Температура, К	отклонение, мК	ческая погрешность, мК
273,16	0,2	0,1
505,1181	о,з	0,2
692,73	0,5	0,2
1235,08	23	5
1337,58	20	5
образцовые средства измерений 1, 2 п 3-го разрядов в диапа-
зоне температур 273,15—2800 К, доверительные погрешности при
доверительной вероятности 0,95 составляют от 2 мК до 17 К.
Эталоны и образцовые средства обеспечивают градуировку
и поверку рабочих средств измерений, перечень которых приведен
26
в ГОСТ 8.080—80. Пределы допускаемых абсолютных погрешно-
стей рабочих средств измерений от 2 мК до 25 К.
В температурном диапазоне 1337,58—2800 К кельвин воспроиз-
водится оптическим методом на основе абсолютно черного тела
(АЧТ) при температуре затвердевания золота. Таким образом, в
основу реализации МПТШ положена система средств, опирающа-
яся на «естественный» эталон, которому приписана термодинами-
ческая температура 1337,58 К-
В эталон входят следующие средства измерений:
термометрическая аппаратура, включающая излучатель АЧТ
при температуре 1337,58 К, и электрическую схему питания АЧТ;
фотоэлектрическая аппаратура, включающая фотоэлектриче-
ский спектропирометр СП-4К и зеркальное устройство для удвое-
ния яркостей, предназначенное для экстраполяции температурной
шкалы на основе формулы Планка;
температурные лампы двух групп, градуированные в диапазо-
не длин волн 0,47—1,0 мкм. Одна из них градуирована в точке за-
твердевания золота (1337,58К), вторая — в диапазоне 1337,58—
2800 К. Эти лампы не предназначены для передачи размера кель-
вина эталонам-копиям, а служат для исследования стабильности
первичного эталона и юстировочных работ при подготовке к из-
мерениям. Погрешности эталона в диапазоне 1337,58—2800 К со-
ставляют: среднее квадратическое отклонение 0,2—1,5 К и неис-
ключенная систематическая погрешность 0,1—0,5 К.
Принцип действия эталона состоит в воспроизведении кельви-
на с помощью АЧТ в точке затвердевания золота и передаче его
размера температурной лампе — эталону-копии путем компариро-
вания на установке СП-4К при длинах волн излучения 0,47—
1,0 мкм в диапазоне 1337,58—2800 К при использовании устройст-
ва для удвоения яркостей для расширения диапазона температур
до 1900 К и поглощающих светофильтров для расширения шкалы
до 2800 К-
Температуру рассчитывают по уравнению Планка.
Для осуществления температуры затвердевания золота при-
меняется горизонтальная двухобмоточная печь.
Принцип действия пирометра СП-4К основан на модуляцион-
ном методе уравнения яркостей. Излучение сравниваемых источ-
ников (АЧТ-лампа или лампа — лампа) проходит через монохро-
матор и попадает на фотоумножитель. При этом модулятор (ко-
леблющееся зеркальце) поочередно направляет с заданной час-
тотой в щель монохроматора световые потоки от источников.
В случае неравных яркостей источников фототок фотоумножителя
имеет переменную составляющую с частотой, равной частоте мо-
дуляции. Отсутствие переменной составляющей указывает на ра-
венство яркостей сравниваемых источников.
В поверочную схему в области пирометрии излучения входят
следующие средства измерений:
эталоны-копии (температурные лампы) в диапазоне 1337,58—
2800 К со средним квадратическим отклонением 0,3—2,1 К;
27
рабочие эталоны (наборы температурных ламп), градуирован-
ные на яркостные температуры в диапазоне 1337,58—2600 К со
средним квадратическим отклонением 0,5—2,2 К;
рабочие эталоны (наборы температурных ламп), градуирован-
ные на цветовые температуры в диапазоне 1500—3100 К, со сред-
ним квадратическим отклонением 2—10 К;
образцовые средства измерений 1, 2 и 3-го разрядов, представ-
ляющие собой температурные лампы, градуированные на яркост-
ные и цветовые температуры; визуальные монохроматические пи-
рометры и пирометры полного излучения. Для средств 1, 2 и 3-го
разрядов установлены доверительные погрешности 2—12; 3—15
и 5—15 К при доверительной вероятности 0,95 соответственно;
рабочие средства измерений (визуальные и фотоэлектрические
монохроматические пирометры, пирометры спектрального отно-
шения и пирометры полного излучения); пределы допускаемых
абсолютных погрешностей составляют 4—150К в зависимости от
типа пирометра и диапазона температур.
Государственный первичный эталон кельвина воспроизводит
кельвин в диапазоне 1337,58—2800 К и обеспечивает единство из-
мерений температуры до 6300 К- Область температур выше 2800 К
условно определяют как область сверхвысоких температур. Изме-
рение температуры в этой области практически возможно только
по тепловому излучению объектов, так как контактные методы,
как правило, либо ненадежны, либо вообще невозможны.
В области выше 2800 К лишь немногие вещества находятся в
конденсированной фазе. К ним можно отнести некоторые туго-
плавкие металлы такие, как вольфрам, тантал, молибден, а так-
же окислы различных -элементов, карбиты, нитриды, бориды. В ос-
новном для этой области характерны пламена и плазменные со-
стояния вещества. По МПТШ-68 верхняя граница температурных
измерений и длина волны излучения при использовании формулы
Планка не ограничиваются.
Температурная шкала может быть экстраполирована за верх-
ний предел эталона с помощью поглощающих фильтров. Такой
участок температурной шкалы иногда называют «расчетной шка-
лой». В гл. 11 при рассмотрении монохроматических визуальных
пирометров отмечается, что верхний предел этих приборов дости-
гает 10000 К (для пирометров ЭОП-31, ЭОП-66, ПОВ-80),там же
рассматриваются методы и приемы такой экстраполяции. Верх-
ний предел, достигнутый во ВНИИМ, составляет 40000 К.
§ 2.4.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 1,5—4,2 К
Государственный специальный эталон единицы температур*!,
разработанный во ВНИИФТРИ и утвержденный Госстандартом
СССР в 1979 г. для диапазона 1,5—4,2 К, реализует практическую
температурную шкалу 4Не 1958 г., основанную на зависимости дав-
ления насыщенных паров 4Не от температуры (ГОСТ 8.078—79
23
«ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная по-
верочная схема для средств измерений температуры в диапазоне
1,5—4,2 К»).
Практическая температурная шкала, реализуемая эталоном, в
граничной точке 4,2 К стыкуется с «германиевой» шкалой для ди-
апазона 4,2—13,81 К. Ниже 1,5 К государственные эталоны не со-
зданы.
В состав эталона входит гелиевый конденсационный термо-
метр, воспроизводящий кельвин в соответствии с зависимостью
температуры Г58 от давления гелия. Эталон позволяет воспроиз-
водить кельвин со средним квадратическим отклонением не более
0,001 К при неисключенной систематической погрешности, не пре-
вышающей 0,003 к.
В поверочную схему включены:
эталоны-свидетели — германиевые термометры сопротивления
(среднее квадратическое отклонение 0,002 К), применяемые для
поверки сохранности государственного эталона;
рабочие эталоны — германиевые термометры сопротивления
(среднее квадратическое отклонение 0,002 К).
От рабочих эталонов размер единицы передается образцовым
германиевым термометрам сопротивления типа ТСГ-1, для кото-
рых установлен предел допускаемых абсолютных погрешностей,
не превышающий 0,01 К- Образцовые термометры и рабочие сред-
ства измерений градуируются при помощи компаратора — гелие-
вой ванны с регулятором давления.
В качестве рабочих средств измерений применяют германие-
вые термометры сопротивления, полупроводниковые термометры
сопротивления, термодиоды и термоэлектрические термометры.
Для рабочих средств измерений температуры установлен предел
допускаемых абсолютных погрешностей, не превышающий 0,1 К-
§ 2,5. Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 4,2—13,81 К
Государственный специальный эталон единицы температуры,
разработанный во ВНИИФТРИ и утвержденный Госстандар-
том в 1979 г. для диапазона 4,2—13,81 К, реализует практическую
темпспятуоную «геоманиевую» шкалу (ГОСТ 8.084—79 «ГСИ.
Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная
схема для средств измерений температуры в диапазоне 4,2—
13,81 К»).
Ниже 4,2 К «германиевая» шкала стыкуется со шкалой 4Не
1958 г., реализуемой государственным специальным эталоном в ди-
апазоне 1,5—4,2 К. В граничной точке 13,81 К «германиевая» шка-
ла стыкуется с МПТШ-68, реализуемой государственным первич-
ным эталоном кельвина в диапазоне 13,81—273,15 К.
В состав эталона входят следующие средства измерений:
германиевые термометры сопротивления;
29
аппаратура для реализации реперных точек: точки кипения ге-
лия (4,2К) и тройной точки равновесного водорода (13,81 К);
криостат для сличения в диапазоне 4,2—13,81 К.
Эталон позволяет воспроизводить кельвин со средним квадра-
тическим отклонением не более 0,001 К при пеисключенной систе-
матической погрешности, не превышающей 0,005 К.
В поверочную схему включены: эталоны-свидетели — германи-
евые термометры сопротивления (среднее квадратическое откло-
нение 0,002 К), применяемые для проверки сохранности государ-
ственного эталона; рабочие эталоны — германиевые термометры
сопротивления (среднее квадратическое отклонение 0,002 К).
От рабочих эталонов размер единицы передается образцовым
полупроводниковым термометрам сопротивления, для которых ус-
тановлен предел допускаемых абсолютных погрешностей, не пре-
вышающий 0,01 К. Образцовые термометры и рабочие средства
измерений градуируются при помощи компаратора-криостата или
водородной ванны с регулятором давления.
В качестве рабочих средств измерений применяют полупровод-
никовые термометры сопротивления, термоэлектрические термо-
метры и термодиоды Для рабочих средств измерений температу-
ры установлены пределы допускаемых абсолютных погрешностей
0,01—0,3 к.
§ 2.6.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 1800—3000 К
В 1975 г. Госстандарт утвердил государственный специальный
эталон кельвина в диапазоне 1800—3000 К по ультрафиолетовому
излучению (ГОСТ 8.185—76 «ГСИ. Государственный специальный
эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений
температуры в диапазоне 1800—3000 К по ультрафиолетовому из-
лучению»). Единица температуры воспроизводится оптическим ме-
тодом на основе АЧТ.
В эталон входит комплекс измерительных средств для воспро-
изведения, хранения и передачи размера единицы температуры:
модель АЧТ с аппаратурой для регулирования и контроля
температуры;
температурная лампа — эталон-копия по ГОСТ 8.080—80 (ди-
апазон 1337,58—2800 К, среднее квадратическое отклонение 0,3—
2,1 К);
фотоэлектрический спектропирометр для видимой и ближней
ультрафиолетовой областей спектра;
набор температурных ламп с телом накаливания из вольфра-
ма и окнами из увиоля или сапфира;
набор поглощающих светофильтров.
Принцип действия эталона состоит в воспроизведении кельви-
на с помощью АЧТ при температурах в диапазоне 1800—2500 К и
передаче размера кельвина температурной лампе — рабочему эта-
лону с помощью фотоэлектрического спектропирометра при дли-
30
нах волн излучения 0,3—0,5 мкм в диапазоне 1800—2500 К и по-
глощающих светофильтров в диапазоне 2500—3000 К. Температу-
ра при воспроизведении и передаче размера единицы рассчиты-
вается по формуле Планка.
Размер единицы, воспроизводимый специальным эталоном, со-
гласован с размером единицы, воспроизводимым первичным эта-
лоном, так как температурная шкала должна быть непрерывной,
без изломов в точках сопряжений шкал, реализуемым двумя эта-
лонами. Государственный специальный эталон реализует шкалу в
диапазоне 0,3—0,5 мкм. Верхняя граница специального эталона
совпадает с нижней границей первичного эталона (0,5мкм), по-
этому для согласования шкал принят метод градуировки измери-
телей температуры (температурных ламп), АЧТ специального эта-
лона на первичном эталоне в видимом диапазоне спектра.
Модель АЧТ имеет эффективный коэффициент излучения, рав-
ный 0,9991. Оценка погрешности температуры, обусловленная не-
совершенством АЧТ, составляет 0,2—0,5 К-
В качестве приемника излучения используются фотоумножи-
тели типа ФЭУ. Порот чувствительности аппаратуры составляет
0,02—0,05 К для области спектра 0,30—0,35 мкм и 0,05—0,1 К для
G,3>5—G,50 мта.
Погрешность воспроизведения кельвина составляет 1,5 К при
неисключенной систематической погрешности 3,5 К.
Поверочная схема включает:
рабочие эталоны — наборы температурных ламп, градуирован-
ные по яркостной температуре, имеющие погрешность 1,7 К;
образцовые средства измерений: образцовые излучатели, гра-
дуированные по яркостной температуре, для которых при довери-
тельной вероятности 0,95 установлены доверительные абсолютные
погрешности, не превышающие 4 К; доверительные абсолют-
ные погрешности образцовых температурных ламп, градуирован-
ных по цветовой температуре, составляют 8—12 К при доверитель-
ной вероятности 0,95;
рабочие средства измерений: температурные лампы в диапазо-
не 1800—2400 К, ультрафиолетовые яркостные пирометры и уль-
трафиолетовые пирометры спектрального отношения в диапазоне
1800—3000 К, для которых установлены пределы допускаемых аб-
солютных погрешностей 6—20 К.
§ 2.7.	Государственный специальный эталон единицы температуры-
в диапазоне 500—2300 К
В 1982 г. Госстандарт СССР утвердил государственный специ-
альный эталон единицы температуры в диапазоне 500—2300 К по-
инфракрасному излучению.
Единица температуры воспроизводится оптическим методом на
основе АЧТ (ГОСТ 8.186—83 «ГСИ. Государственный специаль-
ный эталон и государственная поверочная схема для средств из-
31
мерений температуры в диапазоне 500—2300 К по инфракрасному
излучению в области спектра от 0,8 до 8,0 мкм»).
В эталон входит комплекс основных средств измерений:
модель абсолютно черного тела с аппаратурой для контроля
и регулирования температуры;
группа из трех платинородий-платиновых термоэлектрических
термометров, градуированных по ГОСТ 8.080—80;
набор из четырех температурных ламп;
фотоэлектрический спектрокомпаратор.
Принцип действия эталона состоит в воспроизведении кельвина
с помощью АЧТ при температурах в диапазоне 500—1300 К и пе-
редаче размера кельвина температурной лампе — рабочему эта-
лону с помощью спектрокомпаратора при длинах волн излучения
0,8—8,0 мкм в диапазоне 500—1300 К и с помощью светофильт-
ров в диапазоне 1300—2300 К. Температура при воспроизведении
и передаче размера единицы рассчитывается по формуле Планка.
Моделью АЧТ служит нагревательная печь, состоящая из двух
коаксиальных керамических труб с обмоткой из нихрома и тепло-
изолирующей засыпкой между ними. Рабочий интервал темпера-
тур модели 400—1300 К. Эффективный коэффициент излучения мо-
дели по расчету принят равным 0,997.
В состав специального эталона входят две лампы типа
СИ-10-300 для области спектра 0,8—4,5 мкм и две лампы
ЛЛН-2,5-30 для области 4,5—8,0 мкм.
Спектрокомпаратор представляет собой прибор с двумя опти-
ческими каналами, основанный на нулевом модуляционном прин-
ципе сличения двух потоков, как и в государственных эталонах
видимого и ультрафиолетового спектра. Оптика прибора — зер-
кальная, бипризма модулятора изготовлена из сапфира. Выделе-
ние спектральных интервалов производится с помощью интерфе-
ренционных светофильтров.
Погрешности воспроизведения кельвина на специальном эта-
лоне составляют:
среднее квадратическое отклонение 1 К в диапазоне 500—1300 К
и 2 К в диапазоне 1300—2300 К, а неисключенная систематическая
погрешность в тех же температурных диапазонах составляет 1 и
4 К соответственно.
Поверочная схема включает:
рабочие эталоны — температурные лампы типов СИ-10-300,
ЛЛН-2,5-30 и модели АЧТ (средние квадратические отклонения
результатов сличений рабочих эталонов со специальным этало-
ном составляют 1,5—2,5 К в зависимости от температурного диа-
пазона) ;
образцовые средства измерений — инфракрасные пирометры
(монохроматические, спектрального отношения и частичного из-
лучения) и инфракрасные излучатели (температурные лампы и
модели АЧТ), градуированные на яркостные и цветовые темпера-
туры в диапазоне 500—2300 К в области спектра 0,8—8,0 мкм;
доверительные погрешности при доверительной вероятности 0,95
32
составляют 4—13 К в зависимости от температурного диапазона;
рабочие средства измерений — инфракрасные пирометры (час-
тичного излучения, монохроматические и спектрального отноше-
ния) в диапазоне 500—2300 К в области спектра 0,8—8,0 мкм;
пределы допускаемых погрешностей при доверительной вероятно-
сти 0,95 составляют 8—25 К в зависимости от температурного ди-
апазона.
§ 2.8.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 10000—15000 К
В 1975 г. Госстандарт СССР утвердил государственный специ-
альный эталон единицы температуры плазмы в инфракрасной об-
ласти спектра в диапазоне температур 10000—15000 К- Эталон
создавался в течение 1970—1975 гг. в Харьковском государствен-
ном научно-исследовательском институте метрологии (сейчас НПО
«Метрология»), Основные параметры эталона и поверочная схе-
ма приведены в ГОСТ 8.168—75 «ГСИ. Государственный специ-
альный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств из-
мерений температуры плазмы в инфракрасной области спектра в
диапазоне 5000—15000 К».
Единица воспроизводится оптическим методом на основе арго-
нового плазменного излучателя при температурах 10000—15000 К.
В эталон входит комплекс измерительных средств для воспро-
изведения, хранения и передачи размера единицы температуры,
состоящий из стабилизированного плазменного излучателя и эта-
лонной измерительной установки с пультом управления.
Принцип действия эталона состоит в воспроизведении кельви-
на с помощью аргонового плазменного излучателя при темпера-
турах 10000—15000 К и передаче размера кельвина образцовым
плазменным излучателям путем компарирования при длине волны
излучения насыщенной спектральной линии аргона 763,51 нм. Тем-
пературы рассчитываются на основе связи между интенсивностя-
ми излучения континиума и насыщенной линии 763,51 нм, нахо-
дящейся в состоянии локального термодинамического равновесия.
Эталон обеспечивает воспроизведение размера единицы со
средним квадратическим отклонением, не превышающим 15 К, и
неисключенной систематической погрешностью 25 К-
Поверочная схема, кроме эталона, включает следующие сред-
ства:
образцовые средства измерений (образцовые плазменные из-
лучатели для диапазона 10000—15000 К с пределами допускаемых
погрешностей 100—120 К), применяются для поверки рабочих
средств с помощью компаратора — фотоэлектрического спектро-
пирометра или методом прямых измерений;
рабочие средства измерений (яркостные, излучатели и фото-
электрические спектропирометры для диапазона 5000—15000 К с
пределами допускаемых погрешностей 150—200 К).
3-1973	3 3
§ 2.9.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 1  103—1  105 К
В 1981 г. Госстандарт утвердил государственный специальный
эталон единицы температуры в диапазоне 1-Ю3—1 • 105 К по излу-
чению в микроволновой области спектра (диапазон частот состав-
ляет 9000—9800 МГц). Эталон создавался в течение 1970—1981 гг.
в НПО «Метрология».
Основные параметры и поверочная схема приведены в ГОСТ
8.421—81 «ГСП. Государственный специальный эталон и государ-
ственная поверочная схема для средств измерений температуры в
диапазоне 1 -103—1 -105 К по излучению в микроволновой области
спектра».
Единица температуры воспроизводится на основе измерений
мощности теплового плазменного излучателя, зависящей от тем-
пературы.
В эталон входит комплекс измерительных средств для воспро-
изведения, хранения и передачи размера единицы:
тепловой широкоапертурный излучатель (модель АЧТ);
широкоапертурный излучатель на газоразрядных трубках;
широкоапертурный излучатель на полупроводниковых генера-
торах шума;
компаратор (нулевой модуляционный радиометр с антенной).
Эталон обеспечивает воспроизведение кельвина со средним
квадратическим отклонением, не превышающим 0,03, а неисклю-
ченная систематическая погрешность оценивается значением 0,02 К.
Поверочная схема, кроме эталона, включает следующие сред-
ства:
образцовые средства измерений (образцовые широкоапертур-
ные излучатели для диапазона 104—105 К с доверительной по-
грешностью 0,08 при доверительной вероятности 0,95), применя-
ются для поверки рабочих средств с помощью компаратора (ну-
левого модуляционного радиометра с антенной) и методом прямых
измерений;
рабочие средства измерений (широкоапертурные излучатели и
радиопирометры для диапазона 103—10s К с доверительной по-
грешностью 0,12).
В качестве примера рабочих радиопирометров можно назвать
разработанные в НПО «Метрология» автоматические пирометры
АРП-3.2 и АРП-67. Радиопирометр АРП-3.2 предназначен для из-
мерения электронной температуры плазмы с электронной концент-
рацией (1—5)-1012см~3 в диапазоне температур 103—104К на ча-
стоте 9400 МГц (длина волны 3,2 см). Принцип действия этого
пирометра основан на измерении отношения мощности микровол-
нового излучения объекта и образцового шумового излучателя
(газоразрядная трубка типа ГШ). Порог чувствительности пиро-
метра составляет ЮК, основная погрешность ±5%, дополнитель-
ная погрешность при коэффициенте излучения не менее 0,7 состав-
ляет ±3 %.
34
Радиопирометр АРП-67 применяется при исследовании плаз-
мотронов, МГД-генераторов, газоразрядных излучателей. Пиро-
метр измеряет действительную температуру плазмы по собствен-
ному излучению плазмы и отраженному ею излучению образцо-
вого излучателя. Собственное излучение плазмы дает информа-
цию о ее яркостной температуре, а отраженное о ее коэффициенте
излучения. Обработка обоих сигналов позволяет получать выход-
ной сигнал (напряжение, измеряемое цифровым вольтметром), не
зависящий от колебаний в широких пределах коэффициента излу-
чения объекта измерения. Пределы измерения составляют 103—
104 К. Рабочие длины волн прибора имеют значения 3,2 см; 8,3 и
4,2 мм. Основная погрешность прибора ±5 %, дополнительная по-
грешность за счет «нечерноты» объекта ±3% при изменениях
коэффициента излучения в пределах 0,5—1,0.
§ 2.10.	Основные направления совершенствования эталонов
Система государственных первичных и специальных эталонов
единицы температуры является метрологической базой, обеспечи-
вающей необходимый уровень точности измерений температуры
во многих областях народного хозяйства и при проведении науч-
ных исследований. Созданные эталоны обеспечивают градуировку
всех образцовых и рабочих средств измерений температуры. Вме-
сте с тем непрерывно возникают новые проблемы воспроизведения
кельвина, метрологического обеспечения прецизионных термомет-
ров, расширения диапазонов измерения температуры.
Одна из фундаментальных проблем термометрии — перестрой-
ка системы государственных эталонов (и, в первую очередь, пер-
вичных эталонов), воспроизводящих основную единицу системы
СИ — единицу термодинамической температуры (кельвин) в виде
условной единицы по МПТШ-68 на систему, обеспечивающую
воспроизведение кельвина по термодинамической температурной
шкале.
Для сложившейся к 1985 г. ситуации в области измерений тем-
пературы на основе МПТШ-68 характерны следующие особенно-
сти:
1.	По мере развития термометрии размер кельвина, воспроиз-
водимый в соответствии с МПТШ-68, начиная с 1927 г. и по на-
стоящее время, меняется. Это обусловлено тем, что все основные
и вторичные реперные точки МПТШ получают новые значения.
В области температур выше точки затвердевания золота размер
кельвина меняется вследствие изменения значения второй посто-
янной излучения и значения термодинамической температуры точ-
ки затвердевания золота, входящих в закон Планка.
2.	Различные практические температурные шкалы, которые ре-
комендуются международными метрологическими органами для
национального применения, являясь достаточно «автономными»,
неизбежно вводят «свой» размер кельвина. С другой стороны,
возникает необходимость внедрять новые шкалы. Так, в 1976 г.
3*
35
Международный комитет мер и весов утвердил ВТШ-76 для об-
ласти 0,5—30 К, что перекрывает область МПТШ-68 в диапазоне
13,81—30 К.
3.	МПТШ-68 не обеспечивает воспроизведение кельвина в соот-
ветствии с его определением, и поэтому в интервалах между ре-
перными точками отклонение МПТШ от ТТШ количественно труд-
но определяется. Так обстоит дело, начиная с 1927 г., когда был
принят принцип МПТШ. Новые метрологические исследования
свидетельствуют о том, что при температурах выше 0°С МПТШ-68
отклоняется от ТТШ больше, чем это было указано в Положении
о шкале при подготовке к ее утверждению.
Таким образом, отказываясь от воспроизведения кельвина по
условной практической шкале (МПТШ-68), необходимо выбрать
единый абсолютный метод для построения ТТШ и передачи раз-
мера кельвина вторичным эталонам. В этом случае программа
проведения фундаментальных исследований должна включать:
синтез (обобщение) знаний по абсолютным методам измере-
ния термодинамической температуры и формулировку гипотез
для выбора направлений исследований;
теоретическое обоснование метода измерения, предлагаемого
в качестве основополагающего для реализации в первичном эта-
лоне для данного диапазона температур;
экспериментальные работы по установлению границ примене-
ния метода измерения и определения возможных погрешностей
измерения.
В настоящее время теоретическими и экспериментальными ис-
следованиями установлено, что для построения ТТШ наиболее
приемлемым является газотермический метод, основанный на
представлениях о межмолекулярном взаимодействии атомов и мо-
лекул газов и теории вириального уравнения реальных газов. Фи-
зическая интерпретация понятия температуры не должна ограни-
чиваться рамками феноменологической термодинамики и к рас-
смотрению должны привлекаться квантово-механические законы
для описания состояния и поведения макросистем. ТТШ и созда-
ние первичного эталона для области выше 0°С рационально
строить на основе газового термометра по методам одного и двух
резервуаров (термочувствительных первичных преобразователей).
Программа фундаментальных исследований включает также
решение задач, которые сформулированы на X—XV сессиях ККТ
в 1974—1984 гг., а именно:
построение МПТШ и вторичных температурных шкал, макси-
мально приближающихся к ТТШ;
установление оптимальной границы сопряжения участка шка-
лы МПТШ на стыке оптических пирометров и высокотемператур-
ных термометров;
установление оптимального значения температуры по шкале
для платинового термометра сопротивления ниже 14 К;
определение значений термодинамической температуры репер-
ных точек для практических температурных шкал;
36
построение новой практической температурной шкалы ниже
14 К.
В отечественной и зарубежной метрологии интенсивно разви-
ваются исследования метода шумовой термометрии в диапазоне
4—3000 К- Результаты этих работ могут быть использованы для
измерений термодинамических температур реперных точек, созда-
ния вторичных эталонов и в дальнейшем для построения ТТШ и
проведения сличений с первичным эталоном на основе газового
термометра.
При температурах выше 1300 К в области пирометрии излу-
чения необходимы исследования, направленные на построение
ТТШ на основе законов излучения Планка и Стефана — Больц-
мана.
Для разработки в будущем новых эталонов необходимо иссле-
довать метод ядерного квадрупольного резонанса, методы, исполь-
зующие температурную зависимость частоты кварцевого резона-
тора, скорости распространения звука в твердом теле, электри-
ческих и магнитных параметров, ядерных и атомных свойств.
ГЛАВА 3
ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ
И МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Термометрами расширения называются приборы, в которых для
измерения температуры используется свойство теплового расши-
рения вещества: жидкости, газа или твердого тела. Определение
температуры термометрами расширения, как и всякого другого
термометра, требует непосредственного контакта с объектом из-
мерения. Это первые, изобретенные для измерения температуры,
приборы.
§ 3.1. Стеклянные жидкостные термометры
В стеклянных жидкостных термометрах при определении тем-
пературы используется тепловое расширение термометрической
жидкости, заключенной в стеклянный резервуар, соединенный с
капилляром, на который наносится шкала или к которому крепит-
ся шкальная пластина.
Действие стеклянных жидкостных термометров основано на из-
менении его температуры. Основными элементами конструкции
 ермометра (рис. 3.1) являются: стеклянный резервуар 1, соеди-
нительный капилляр 2, измерительный капилляр 3, шкальная пла-
стина 4. В термометрах, на шкальную пластину которых нанесе-
ны дополнительная (нулевая) и основная шкалы, имеется утол-
37
щение соединительного капилляра — промежуточный резервуар
(рис. 3.2). Изменение объема в зависимости от температуры для
жидкости или твердого тела характеризуется коэффициентом объ-
емного теплового расширения рж(Г), которое для любого интерва-
ла температур соответствует уравнению [1]
= (ЗД)
где V—начальный объем; AV—приращение объема (высота
столбика жидкости) при изменении температуры на АТ.
При изменении температуры в стеклянном жидкостном термо-
метре изменяется объем термометрической жидкости одновремен-
но с объемом стеклянных элементов конструкции термометра (ре-
зервуаром, капилляром). Поэтому температуру можно измерять
только по видимому изменению объема жидкости, равному разно-
сти изменений объемов термометрической жидкости и стеклян-
ной оболочки элементов конструкции термометра. Термометриче-
ские жидкости стеклянных жидкостных термометров характери-
зуют коэффициентом видимого расширения термометрической
жидкости в стекле рв, определяемым по формуле
₽в=3ж-3ет.	(3.2)
Точность измерения температуры стеклянных жидкостных термо-
метров существенно зависит от размеров элементов конструкции
термометра. Изменение объема термометрической жидкости при
изменении температуры термометра от tn до tK должно быть рав-
но объему измерительного капилляра, что соответствует уравне-
нию
Vo • ₽B(/K-/H) = L • S,	(3.3)
где Vo — объем термометрической жидкости при О °C; 6(, tK— на-
чальное и конечное значение шкалы; L — длина измерительного
капилляра между начальной и конечной числовыми отметками
шкалы; S — площадь поперечного сечения канала капилляра.
Из зависимости (3.3) очевидно, что наиболее точные стеклян-
ные жидкостные термометры при одинаковом значении L изго-
товляются в небольшом температурном диапазоне, с большим
объемом резервуара и минимальным сечением капилляра. Для
стеклянных жидкостных термометров с ценой деления 0,1 °C ка-
пилляры имеют внутренний диаметр не менее 0,1 мм, а резервуары
обычно не более 2,5 см3. Уменьшение сечения канала капилляра
увеличивает силу трения ртути о его стенки, что приводит к скач-
кообразному движению ртути при повышении температуры и раз-
рыву столбика ртути при понижении температуры.
В термометрах с малым поперечным сечением капилляра при-
меняют капилляры с овальным сечением, что облегчает отсчет
показаний, так как увеличивается видимая ширина ртутного стол-
бика.
38
Резервуары термометров обычно имеют цилиндрическую или
шкалообразную форму. При одинаковом объеме резервуар ци-
линдрической формы имеет большую поверхность соприкоснове-
ния со средой, температура которой измеряется, что уменьшает
тепловую инерцию термометра.
Основные свойства термометрических стекол и требования к
ним. При тепловом воздействии на стекло, в нем проявляются эф-
фекты термических последействий: старение и депрессия.
Старение термометра — это естественный процесс медленного
уменьшения объема резервуара и капилляра термометра с мо-
мента его изготовления.
Депрессия — это явление временного остаточного расширения
резервуара термометра, которое наступает после нагревания тер-
мометра и последующего быстрого его охлаждения.
Изменения показаний термометра вследствие термических по-
следействий в стекле принято оценивать по показаниям при по-
гружении его в тающий лед. В процессе старения стекла у термо-
метра появляется систематическое увеличение показаний темпе-
ратуры, которое может составлять 0,1 — ЮК в зависимости от из-
меряемой температуры и длительности эксплуатации термометра.
Объем резервуара уменьшается постепенно по затухающей кри-
вой с момента его изготовления в течение всего срока эксплуата-
ции термометра. В отличие от старения термического стекла, де-
прессия при не слишком высокой температуре представляет вре-
менное явление. При быстром охлаждении до точки таяния льда
после длительного нагрева при температуре кипения воды депрес-
сия составит не более 0,05 К. После нагрева до более высоких
температур депрессия может достигать нескольких десятых гра-
дуса.
Старение (положительное смещение нуля) и депрессия (отри-
цательное смещение нуля) во всем интервале температур посто-
янны, поэтому вызываемые ими погрешности могут быть скоррек-
тированы при проведении периодических поверок.
При изготовлении стеклянных жидкостных термометров ис-
пользуются специальные по химическому составу стекла. В насто-
ящее время в нашей стране изготовляются стеклянные жидкост-
ные термометры из термометрических стекол специального хими-
ческого состава, боросиликатного стекла, а также стекол марок
600 и 700. Последние обладают небольшим эффектом термических
последействий в стекле.
Для улучшения качества термометры в процессе изготовления
подвергаются искусственному старению и отжигу.
Основные требования к термометрическим жидкостям. Термо-
метрические жидкости (ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин,
петролейный эфир, пентан) должны обладать возможно большим
коэффициентом объемного расширения, небольшой вязкостью и не
должны смачивать стекло. Наиболее полно отвечает перечислен-
ным требованиям ртуть. Она не смачивает стекло, используется в
широком диапазоне (от 234,28 до 903,15 К).
39
Термометры, заполненные органическими жидкостями, приме-
няются для измерения температур в диапазоне от 73,15 до 600 К.
Органическим жидкостям свойствен такой недостаток, как отсут-
ствие цвета. Кроме того, они смачивают стекло. Для удобства на-
блюдения и отсчета в термометрическую жидкость добавляется
красящее вещество, которое не должно влиять на результат из-
мерения — выделяться из жидкости, осаждаться на стенках ка-
пилляра.
Термометрическая жидкость не должна быть вязкой, чтобы
время установления показаний при уменьшении температуры бы-
ло как можно меньше.
При измерении температур ниже 230 К может наблюдаться
разрыв столбика жидкости при возрастании ее вязкости. Разрыв
столбика может происходить во всех термометрах из-за наличия
в жидкости пузырьков газа или пара.
Для устранения испарения и конденсации термометрической
жидкости свободное пространство капилляра заполняют осушен-
ным и очищенным от кислорода инертным газом (азотом, гелием,
аргоном) под давлением. Увеличение давления в капилляре спо-
собствует повышению предела измерения термометра.
Основные термометрические жидкости и их характеристики
приведены в табл. 3.1.
ТАБЛИЦА 3.1
Термометрическая ЖИДКОСТЬ	Температурные пределы, °C		Коэффициент об немного расширения, ₽ж, К-1	Коэффициент видимого объем- ного расширения термометриче- ской жидкости в стекле рв, К”1
	Нижний	Верхний		
Ртуть	— 30	800	0,00018	0,00016
Толуол	- 80	100	0,00122	0,00120
Этиловый спирт	- 80	80	0,00105	0,00103
Керосин	0	300	0,0)095	0,00093
Петролейный эфир	—120	25	0,00142	0,00140
Пентан	—200	20	0,00172	0,00170
Конструктивное исполнение термометров. Назначение и об-
ласть применения. Термометры рабочие и образцовые.
Стеклянные жидкостные термометры по конструктивному ис-
полнению делятся на: термометры с наружной шкалой; термомет-
ры с вложенной шкалой и палочные.
В термометрах с наружной шкалой (рис. 3.3) капилляр с ре-
зервуаром и шкальная пластина крепятся к пластмассовому, ме-
таллическому или деревянному основанию. Термометры такой
конструкции используются для измерения температуры в поме-
щениях.
Термометры с вложенной шкалой (рис. 3.4) выполнены таким
образом, что шкальная пластина и капилляр герметично заклю-
40
чены в стеклянную защитную оболочку, припаянную к резервуа-
ру. Шкальная пластина плотно прилегает к капилляру и крепится
к нему так, чтобы могла свободно расширяться при нагревании
термометра. Для определения сдвига шкальной пластины нано-
сится штриховая метка (у медицинских термометров против чи-
словой отметки «38»), Термометры с вложенной шкалой нашли
широкое распространение, так как наиболее удобны при измере-
ниях.
Палочные термометры (рис. 3.5) изготовляются из массивных
толстостенных капиллярных трубок, из которых выдувается резер-
вуар. Шкала наносится методом травления непосредственно на
части передней поверхности капиллярной трубки (измеритель-
ный капилляр). Измерительный капилляр должен быть внутри
гладким, ровным, его внутреннее сечение должно быть одинако-
вым по всей длине.
В зависимости от исполнения термометров форма соединитель-
ного капилляра (между резервуаром и измерительным капилля-
ром) может изменяться: прямые, угловые термометры. У угловых
термометров (рис. 3.6) соединительная часть капилляра образует
угол в 90, 135, 150°.
При изготовлении термометров с ограниченным интервалом
температур (например, от 100 до 250°C) шкалу в неиспользуе-
мом интервале сокращают или прерывают, создавая в капилляре
расширение. При этом на шкальную пластину может быть нане-
сена вспомогательная шкала для проверки термометра при фик-
сированной температуре, например, в точке таяния льда.
При выборе термометра очень важно учесть, при каком погру-
жении он градуировался: полном или частичном. Показания жид-
костного стеклянного термометра зависят не только от темпера-
туры резервуара, но и от температуры столбика жидкости в
капилляре. Термометр, при использовании которого все термомет-
рическое вещество должно находиться в среде, называется термо-
метром полного погружения. Так как термометры в эксплуатации
не всегда могут быть погружены полностью, при точных изме-
рениях необходимо учитывать погрешность из-за неполного по-
гружения. Для термометров с частичным погружением на шкаль-
ной пластине обычно делается пометка, указывающая глубину по-
гружения термометра. Такие термометры градуируются при тем-
пературе, окружающей непогруженную часть, равной 20°C.
В связи с тем, что средняя температура непогруженной части
термометра может колебаться из-за изменений температуры окру-
жающей среды, для точных измерений необходимо учитывать воз-
никающую погрешность— см. формулу (3.7).
Рабочие стеклянные жидкостные термометры широко исполь-
зуются в промышленности и других областях народного хозяйст-
ва. Они имеют различное конструктивное оформление, соответст-
вующее их назначению. Рабочие термометры делятся на термомет-
ры общего применения, лабораторные (для точных измерений) и
предназначенные для работы в определенной области науки и тех-
II
ники (метеорологические, для измерения температуры химиче-
ских и нефтепродуктов, сельскохозяйственные и т. д.). Кроме
того, изготавливаются рабочие термометры специальных конструк-
ций — максимальные, минимальные, электроконтактные, метаста-
тические, калориметрические, для измерения вязкости, атмосфер-
ного давления, влажности.
Промышленными стеклянными жидкостными термометрами
контролируют температуру жидкостей, газов, пара в трубопрово-
дах, резервуарах, машинах.
Это термометры частичного погружения, с прямой и угловой
формой нижней части, измеряют температуру в интервале от —90
до +600 °C, цена деления шкалы от 0,5 до 10 °C.
Для защиты от механических повреждений их вставляют в за-
щитную арматуру. Верхнюю часть термометра помещают в метал-
лическую оправу так, что в ее вырезе видна шкала. Нижняя часть
термометра находится в защитной гильзе. Гильза может быть
снизу открыта или иметь радиальные отверстия в стенках для луч-
шего контакта с объектом измерения. Защитная гильза и защит-
ная арматура верхней части соединены между собой. Благодаря
такой конструкции стеклянный термометр может быть заменен в
любое время без остановки агрегатов.
Если необходимо измерить температуру при высоких давлени-
ях, защитные гильзы монтируют герметично в конструкциях объ-
екта измерения.
Термометры стеклянные жидкостные метеорологические и гид-
рологические применяются для измерения температуры воздуха,
грунта, воды в реках, морях и т. д. К ним относятся максималь-
ные, минимальные, психрометрические, почвенно-глубинные и глу-
боководные термометры.
Максимальные (щелевые и стержневые) термометры имеют
специальное устройство, препятствующее возвращению ртути в
резервуар при охлаждении. В щелевой конструкции делают ка-
пилляр с небольшим сужением в его нижней части. В стержне-
вых— к резервуару припаивают стержень, который находится в
нижней части капилляра, уменьшая площадь его сечения. При
снижении температуры резервуара ртутный столбик разрывается
в месте сужения капилляра и фиксирует максимальное значение
температуры за определенный промежуток времени. Чтобы вер-
нуть ртуть в резервуар, термометр встряхивают или вращают на
центрифуге.
Минимальный термометр предназначен для измерения мини-
мальной температуры за определенный промежуток времени. В ка-
честве термометрического вещества в нем используются неокра-
шенные органические жидкости. Внутри капилляра с термометри-
ческой жидкостью свободно перемещается штифт. До начала из-
мерения термометр необходимо повернуть вверх резервуаром,
чтобы штифт переместился до мениска (силы поверхностного на-
тяжения остановят штифт). Измерения производят при горизон-
тальном положении термометра. При охлаждении среды, темпе-
42
ратура которой измеряется, мениск начнет перемещать штифт.
Верхний край штифта указывает минимальное значение темпера-
туры, так как при нагревании термометрическая жидкость будет
обтекать штифт, и он не изменит своего положения.
Психрометрический термометр предназначен для измерения
температуры и определения влажности воздуха путем сравнения
показаний двух термометров, укрепленных на одном основании.
Резервуар одного термометра сухой, а у другого смачивается во-
дой. Влажность определяют по таблице, прикрепленной к осно-
ванию, рядом с термометрами.
Термометры лабораторные используются в качестве образцовых
и рабочих для измерения температур в производственных и лабо-
раторных условиях. В них термометрическим веществом явля-
ется ртуть. Применяют лабораторные термометры для измерения
температуры в диапазоне от —30 до +600°C. Конструктивно они
выполняются палочными и с вложенной шкальной пластиной.
Градуируют лабораторные термометры, как правило, при полном
погружении или при указанной глубине погружения в зависимо-
сти от назначения термометра.
К лабораторным термометрам относятся палочные термомет-
ры, у которых расстояние между штрихами по всей шкале одина-
ково (равноделенные термометры). Их используют в качестве об-
разцовых. Переход от делений равноделенной шкалы к темпера-
туре производится по таблицам, составленным индивидуально для
каждого термометра в процессе его аттестации.
Лабораторные термометры специального назначения имеют
более узкую область применения — измерение небольших разно-
стей температур или небольших ее изменений, что необходимо при
калориметрических измерениях теплотворной способности топлив
или теплоемкости тел, при определении изменения точки замер-
зания растворов или точки кипения жидкостей.
Калориметрические термометры для определения разности тем-
ператур изготовляют палочными, равноделенными, с ценой деле-
ния 0,01 К- Вся шкала термометра обычно соответствует измене-
нию температуры на 4 К.
Метастатические термометры — термометры Бекмана — (рис.
3.7) предназначены для высокоточного измерения в лабораторных
условиях небольших разностей температур (не более 5 К) в интер-
вале от —20 до +150 °C [1]. Это термометры переменного напол-
нения. Характерная их особенность — возможность изменения объ-
ема ртути в основном резервуаре. Для этого в верхней части ка-
пилляр имеет петлю и расширенный участок (дополнительный
резервуар), куда ртуть переливается из основного резервуара. Пе-
реливая ртуть из одного резервуара в другой, можно менять ди-
апазон измеряемых температур в широких пределах от —20 до
+ 150 °C. На дополнительном резервуаре нанесена шкала с ука-
занными пределами, служащая для ориентировочного определения
количества ртути, которое должно быть перелито в дополнитель-
ный резервуар. Чем больше ртути отобрано из основного резер-
43
вуара, тем большей температуре соответствует положение верши-
ны столбика.
Для уменьшения количества ртути в основном резервуаре, тер-
мометр переворачивают вверх, слегка встряхивая, чтобы ртуть
перетекала в дополнительный резервуар./Когда мениск ртути в
дополнительном резервуаре дойдет до требуемого предела по до-
полнительной шкале, термометр возвращают в нормальное поло-
жение и легким толчком отрывают столбик от ртути, находящей-
ся в дополнительном резервуаре. Переливать ртуть из одного
резервуара в другой можно, нагревая термометр.
Электроконтактные термометры и термоконтакторы предназна-
чены для сигнализации и регулирования температуры в заданном
диапазоне. Они изготовляются палочными и с вложенной шкаль-
ной пластиной, прямыми и угловыми. По конструкции их относят
Рис. 3.1. — Рис. 3 5
I
I
44
Рис. 3.6. — Рис. 3.9.
30±5

к термометрам с заданными постоянными контактами ТЗК (рис.
3.8) и с подвижными контактами ТПК (рис. 3.9).
Во всех конструкциях общий соединительный контакт выпол-
нен из платиновой проволоки диаметром 0,1 мм и впаян в ниж-
нюю часть капилляра.
В термометрах ТЗК в места капилляра, соответствующие по-
ложению мениска при заданной температуре, впаивают платино-
вые контакты 2, аналогичные нижнему/соединительному 8. На пла-
тиновые контакты для исключения потерь напаивается стеклян-
ная пуговичка, от которой начинается контактный паяный пере-
ход на медный провод 3 с диаметром не менее 0,3 мм. Значения
заданных температур контактирования обозначены отметками на
шкале. Количество точек контактирования не более трех.
В термометрах ТПК подвижной контакт 5 выполняют из воль-
фрамовой проволоки диаметром не более 0,1 мм. Проволока за-
креплена сверху на гайке <3, которая перемещается микрометри-
ческим винтом 4. Нижний конец вольфрамовой проволоки встав-
лен в капилляр 6, в котором он должен свободно перемещаться
во всем диапазоне регулирования температуры. Вращая микро-
метрический винт, можно изменять положение контакта, а, сле-
довательно, заданное значение температуры. Винт вращается по-
средством герметической магнитной муфты.
На шкальной пластине ТПК нанесены две шкалы. По нижней
шкале 7 определяется температура, соответствующая положению
мениска ртути. Верхняя шкала 9 имеет такие же числовые значе-
ния и предназначена для установки указателя на гайке ползуна
в положение, соответствующее температуре контактирования. Для
увеличения срока службы пространство над мениском ртути за-
полнено сухим водородом под давлением не менее 65 кПа для
термометров ТПК и под давлением не менее 80 кПа — для при-
боров ТЗК-
Обозначение типов термометров. Технические термометры —
ТТ, ТП; метеорологические и гидростатические — ТМ, ТГ; лабора-
торные термометры — ТЛ, ТР; термоконтакторы — ТК; термометр
контактный с заданной температурой — ТЗК; термометр с перемен-
ным контактом и магнитной регулировкой — ТПК- Кроме перечис-
ленных выше термометров, стеклянные жидкостные термометры из-
готавливают для нефтепродуктов (обозначение типа — TH); сель-
скохозяйственные (обозначение типа — ТС); термометры специ-
альные (обозначение типа — СП), предназначенные для эксплу-
атации в технических установках специального назначения; тер-
мометры бытовые (обозначение типа — ТБ) и др.
Метрологические характеристики стеклянных жидкостных тер-
мометров. Пределы допускаемых погрешностей, учет погрешно-
стей, введение поправок в показания термометров.
Погрешности термометров можно классифицировать как по-
грешности показаний термометров при нормальных условиях ра-
боты (1); погрешности градуировки шкалы (2) и погрешности,
обусловленные отклонением условий от нормальных (3).
45
Первые погрешности зависят от конструктивных особенностей
самих термометров и должны учитываться при работе с лабора-
торными термометрами. К ним относятся погрешности градуиров-
ки шкалы, смещение нулевой отметки, дефекты термометрической
жидкости, мертвый ход, изменение внутреннего давления.
Погрешности градуировки шкалы являются результатом не-
точного нанесения отмет(цг шкалы, неравномерности сечения ка-
пилляра по его длине.
Они определяются при поверке термометров и учитываются
при дальнейших измерениях как систематические погрешности
введением поправок в показания термометра.
При изменении положения нулевой отметки по сравнению с
указанным в свидетельстве, нужно внести изменения в поправки
для всех точек на
(34)
где to—положение нулевой точки, указанное в свидетельстве (по-
правка по свидетельству); t'o — новое положение нулевой точки.
Новая поправка для определенной отметки шкалы определя-
ется как
Ci==c/ + c,	(3.5)
где c't — поправка по свидетельству для температуры t.
Разрыв столбика термометрической жидкости, появление пу-
зырьков газа, возгонка, конденсация — это дефекты термометри-
ческой жидкости. Разрыв столбика возникает из-за растворенно-
го в жидкости газа, конденсации капелек жидкости на стенках ка-
пилляра выше мениска и может быть устранен специальной обра-
боткой термометра.
Возгонка жидкости — результат недостаточного давления газа
в капилляре. При испарении жидкости конденсат собирается в
верхней части капилляра. Такой дефект для термометров с орга-
ническими жидкостями может быть не замечен, так как конден-
сат органической жидкости лишен красителя. Конденсацию жид-
кости можно устранить путем встряхивания термометра или при-
менением центрифуги.
Мертвый ход и разрыв столбика ртути при измерении темпе-
ратуры возникает при понижении температуры в ртутных термо-
метрах с малым сечением капилляра. Причина разрыва — тре-
ние ртути о стенки капилляра, которое препятствует перемеще-
нию ее вниз. Исключить эти явления для термометров с малой
ценой деления невозможно. Частично уменьшить эту погрешность
можно, если перед отсчетом показаний слегка постучать по тер-
мометру.
Внутреннее давление зависит от высоты столба жидкости в ка-
пилляре и давления газа в газонаполненных термометрах. При
одной и той же измеряемой температуре внутреннее давление мо-
жет изменяться при изменении положения в пространстве. Поэто-
му рекомендуется точные термометры устанавливать вертикально.
47
К погрешностям, обусловленным отклонением/условий от нор-
мальных, относится погрешность вследствие неполноты погруже-
ния термометров с полным погружением. Она/возникает из-за за-
висимости показаний термометра не только от температуры ре-
зервуара, но и капилляра. Поэтому термометры с полным погру-
жением необходимо помещать в среду др отсчитываемой отметки.
Практически это не всегда удается, поэтому часть столбика тер-
мометрической жидкости находится щри температуре, отличаю-
щейся от температуры среды. Возникшую при этом погрешность
можно исключить приближенно с Помощью поправки
^в.с ?в ’	^1),
(3.6)
где рв — коэффициент видимого теплового расширения термомет-
рической жидкости в стекле; п — число градусных делений, соот-
ветствующее высоте выступающего столбика; t — измеряемая тем-
пература, °C; ti — средняя температура выступающего столбика,
измеренная вспомогательным термометром.
Для определения средней температуры выступающего столбика
к его середине прикрепляют небольшой палочный термометр, что-
бы резервуар не касался оболочки основного термометра и был
изолирован от влияния температуры окружающей среды. Эта по-
грешность больше у термометров с органическими термометриче-
скими жидкостями, чем у ртутных, так как коэффициент видимо-
го теплового расширения ртути в 6—7 раз меньше.
При эксплуатации технических термометров возникает погреш-
ность за счет отличия средней температуры выступающего стол-
бика от температуры при его градуировке. Эту погрешность мож-
но исключить с помощью поправки
— Рв  Л • (^2 —— ^з),
з.?>
где рв—коэффициент видимого теплового расширения термомет-
рической жидкости; tz— температура выступающего столбика при
градуировке, °C; t3— средняя температура выступающего столби-
ка при эксплуатации, °C; п—число градусных делений, соответ-
ствующее высоте выступающего столбика. Эта поправка, а, следо-
вательно, и погрешность для ртутных термометров меньше в 6—7
раз.
При отсчете показаний термометра возможна погрешность из-
за параллакса. Происходит это от того, что плоскость наблюде-
ния неперпендикулярна к капилляру.
Глаз видит отметки прямолинейными, если направление взгля-
да перпендикулярно делениям шкалы, находящимся вблизи ме-
ниска. Если направление взгляда неперпендикулярно, то отметки
кажутся вогнутыми или выпуклыми в зависимости от того, выше или
ниже отсчитываемой отметки находится глаз наблюдателя. От-
счет показаний при этом желательно производить с помощью
лупы.
48
§ 3.2. Термометры манометрические
Термометр, действие которого основано на использовании од-
нозначной зависимости между температурой и давлением термо-
метрического вещества, находящегося в герметично замкнутой
термосистеме, называете^ манометрическим. Термосистема термо-
метра (рис. 3.10) состоит из термобаллона 1, капилляра 2 (со-
Рис. 3.10. Термосистема манометри-
ческого термометра
Рис. 3.11. Зависимости давления на-
сыщенного пара от температуры
у термометрических жидкостей:
1 — метилхлорида; 2 — этилхлорида; 3 —
этилового эфира; 4 — этилового спирта
единительной трубки) и упругого чувствительного элемента 3,
которые совместно образуют герметический объем. Упругий чув-
ствительный элемент может быть выполнен в виде манометриче-
ской пружины, сильфона, мембраны и т. п. Термобаллон погру-
жается в среду, температура которой измеряется. Соединитель-
ный капилляр передает изменение давления на манометрическую
пружину’. Один конец манометрической пружины, соединенный с
капилляром, закреплен в держателе 4. Свободный конец мано-
метрической пружины шарнирно связан поводком 5 с зубчатым
сектором 6, который находится в зацеплении с трибкой 7. На ось
трибки насажена стрелка 8 (указатель). Шкала манометрического
термометра градуирована в единицах температуры.
Основным параметром при оценке точности манометрического
термометра является изменение внутреннего давления в термоси-
4—1973	'	49
стеме при измерении температуры от начальном) (/н) до конеч-
ного значения (tK), которое называется рабочим давлением:
Др==рк — р„,	(3.8)
где рн и рк — давление в термосистеме прй температурах и tK.
В зависимости от термометрического вещества, которым запол-
няется термосистема, манометрические/термометры бывают жид-
костными, конденсационными и газовыми.
Жидкостные манометрические ^термометры. Вся термосистема
манометрического термометра заполнена термометрической жид-
костью. При повышении температуры объем жидкости увеличи-
вается соответственно разности теплового расширения жидкости
и резервуара и приводит к изменению давления. Изменение дав-
ления в термосистеме приводит к изменению положения свобод-
ного конца манометрической пружины, которое соответствует из-
менению температуры среды.
Изменение давления жидкостных манометрических термомет-
ров при изменении температуры от tH до fa определяют по фор-
муле
Др =	-За)-Лт. . (/к_/н),	(3.9)
 v
где рж — коэффициент объемного расширения жидкости; а — ко-
эффициент линейного расширения материала термобаллона; VT —
объем термобаллона; V—-объем жидкости, заполняющей систему.
В качестве упругого чувствительного элемента в жидкостных
манометрических термометрах применяют трубчатые (манометри-
ческие) пружины постоянной чувствительности. Объем термобал-
лона рассчитывают таким образом, чтобы рабочее давление не
вызывало пластических деформаций манометрической пружины.
Шкала жидкостных манометрических термометров практически
равномерна.
При одной и той же манометрической пружине объем термобал-
лона должен изменяться обратно пропорционально диапазону
температур. Влияние температуры окружающей среды на мано-
метрическую пружину и капилляр уменьшается за счет увеличе-
ния объема термобаллона по сравнению с объемами пружины и
капилляра. Термосистему заполняют ртутью, метаксилолом, про-
пиловым алкоголем, толуолом, ксилолом и другими жидкостями.
Эти жидкости должны быть хорошо очищены. Ртуть не должна
содержать даже мелких долей воды, масел, механических загряз-
нений, что может привести к загрязнению капилляра. Систему пе-
ред заполнением тщательно вакуумируют. Для исключения за-
грязнения термометрической жидкости термосистему наполняют
таким образом, чтобы уже в начале шкалы жидкость находилась
под повышенным давлением.
Чувствительный элемент, капиллярную трубку и манометриче-
скую пружину ртутных манометрических термометров изготовля-
ют из стали. Капиллярные трубки ртутных манометрических тер-
50
мометров должны иметь возможно меньший внутренний диаметр,
чтобы уменьшить влияние их на результат измерения температу-
ры. Радиус их изгиба должен быть не менее 50 мм, не допуска-
ются повреждения поверхности капилляра. Для защиты от меха-
нических повреждений капилляры помещают в металлическую
оплетку или стальную трубку. Соединения в термосистеме долж-
ны выполняться тщательно для предотвращения утечки ртути.
У манометрических термометров с органическими жидкостя-
ми термобаллон и соединительный капилляр могут быть изготов-
лены из меди или латуни. Из-за большей вязкости органической
жидкости капилляры этих термометров изготовляют с большим
диаметром. Эти термометры инерционнее, чем ртутные.
В конденсационных манометрических термометрах в отличие
от жидкостных термобаллон только частично заполнен легкоки-
пящей жидкостью. Давление пара жидкости возрастает экспонен-
циально с повышением температуры. Зависимости давления на-
сыщенных паров применяемых жидкостей от температуры пока-
заны на рис. 3.11. Давление зависит только от температуры и не
зависит от количества жидкости в резервуаре. Пока в резервуаре
есть жидкость, пар не может быть перегрет. Давление пара воз-
действует на пружину, деформация которой под действием раз-
ности внутреннего и атмосферного давлений является показате-
лем температуры. Шкала конденсационного манометрического
термометра неравномерна, а расстояние между соседними деле-
ниями шкалы с повышением температуры значительно увеличи-
вается.
Термометры предназначены для измерения температуры в ди-
апазоне от —50 до +300 °C. Термометрические жидкости, которы-
ми заполняют термосистему: пропан, хлористый этил, этиловый
эфир, этиловый спирт, ксилол. Термобаллон заполняется жидко-
стью так, что при нижнем значении диапазона он заполнен не
более 60%, а при верхнем значении температуры жидкость еще
остается.
Форма термобаллона и способ заполнения термосистемы су-
щественно зависят от того, выше или ниже измеряемая темпера-
тура, чем температура окружающей среды. Для случая, когда из-
меряемая температура выше окружающей среды, капиллярная
трубка вводится в термобаллон настолько, что при температуре
нижнего предела шкалы она погружена в жидкость, а соедини-
тельный капилляр и манометрическая пружина при любой тем-
пературе окружающей среды заполнены жидкостью.
Если измеряемая температура ниже температуры окружаю-
щей среды, при больших изменениях температуры термобаллона
или капилляра, в последнем могут образовываться пузырьки па-
ра, которые вызывают скачки давления, наблюдаемые в виде пре-
рывистых нерегулярных колебаний стрелки.
В случае, когда измеряемая температура может превышать
или быть меньше температуры окружающей среды, для исключе-
ния толчков давления в термобаллон с термометрической жидко-
4*
51
стью добавляют несмешивающуюся с ней вспомогательную жид-
кость с большим удельным весом, в которую погружен конец ка-
пилляра. Вспомогательной жидкостью заполняют соединительный
капилляр и манометрическую пружину, так7как она исключает
образование пузырьков пара в соединительном капилляре при
любой температуре окружающей среды. /
Для уменьшения неравномерности /шкалы конденсационные
манометрические термометры делают/либо узкопредельными, ли-
бо используют специальное устройство, выпрямляющее шкалу.
Газовые манометрические термометры. Термосистема газового
манометрического термометра заполнена газом — азотом, реже
гелием. При изменении измеряемой температуры объем термосис-
темы изменяется за счет изменения (увеличения или уменьшения)
объема термобаллона и внутреннего объема манометрической
пружины. Кроме того, температура газа в термобаллоне отлича-
ется от температуры в капилляре и пружине, вследствие чего газ
перемещается из термобаллона (при повышении температуры)
или наоборот из капилляра и манометрической пружины в тер-
мобаллон (при понижении температуры). По этой причине зави-
симость между давлением в термосистеме и измеряемой темпера-
турой отклоняется от линейной. Отклонение это незначительно,
поэтому шкала газового манометрического термометра практиче-
ски равномерна.
Рабочее давление газовых манометрических термометров в ди-
апазоне температур от /н до /к определяют по формуле
Ар = £н_'. 1	~	,	(3 Ю)
1 Н- 7 Он
где рн — начальное давление в термосистеме, соответствующее tn;
у — термический коэффициент давления газа, равный 1/273 или
0,00366 К-1 для идеального газа.
Термосистему газовых манометрических термометров заполня-
ют под значительным начальным давлением, поэтому показания
термометра не зависят от колебаний атмосферного давления и
разности уровней термобаллона и пружины. Объем пружины и
капилляра намного меньше объема термобаллона, что позволяет
пренебречь влиянием колебаний температуры окружающей среды
на показания термометра.
Теплоемкость газа — наполнителя термосистемы — очень мала,
поэтому инерционность газовых манометрических термометров
меньше, чем у других манометрических термометров с одинако-
вым диаметром термобаллона. Газовые манометрические термо-
метры предназначены для измерения температуры от —200 до
+ 600 °C. Измерение температуры в области 600 °C возможно, ес-
ли термобаллон изготовлен из нержавеющей стали.
Манометрические термометры выпускаются различных моди-
фикаций и отличаются конструкцией, исполнением термосистемы
пределами измерения, классом точности, назначением.
Основные технические характеристики и требования к изго-
52
товлению термометров соответствуют нормативно-технической до-
кументации. \
Термометры изготовляются показывающими, самопишущими и
комбинированными (т. е. одновременно показывающими и само-
пишущими). Устройство записи может иметь дисковую или лен-
точную диаграммы, движение привода которых осуществляется
часовым механизмом или электродвигателем в зависимости от
исполнения.
Обозначение типов термометров сведено в табл. 3.2.
ТАБЛИЦА 3.2
Термометр	Обозначение термометра			Вещество, за- полняющее термоснстему
	показываю- щего	самопишу- щего	комбини- рованного	
Газовый	тпг	тег	ткг	Газ
Конденсационный	ТПП	тсп	ткп	Конденсат
Жидкостный	тпж	ТСЖ	ткж	Жидкость
Специальный	тпсс	тсс	ткс	Специальное
Манометрические термометры выпускаются электроконтактные,
с пневматическим изодромным регулирующим устройством и т. д.
Шкалы манометрических термометров бывают двусторонние,
односторонние и безнулевые. Выпускаются бесшкальные термомет-
ры непрерывного преобразования измеряемой температуры.
В зависимости от заполнителя термосистемы область и диапа-
зоны измерения термометров должны соответствовать указанным
в табл. 3.3.
ТАБЛИЦА 3.3
Заполнитель термоснстемы	Область измерений, °C	Диапазон измерений, °C
Газ Жидкость Конденсат Специальный	От —200 до +600 » —150 » +300 » —50	»	+300 » +100 » +1000	100,150,200,250,300,400,600 25,50,100,150,200,2500 50,100,120,150 400,600
Класс точности термометров с газовым, жидким и специаль-
ным заполнителями термосистемы должен быть выбран из ряда
1; 1,5; 2,5. Для термометров с конденсационными заполнителями
термосистемы класс точности должен быть выбран из ряда 1,5;
2,5; 4 и установлен для последних 2/3 температурной шкалы. До-
пускается изготовление термометров классов точности 0,4; 0,5;
0,6 — на любом участке шкалы не более 10 % диапазона измере-
ний, при этом на остальной части шкалы класс точности должен
быть не ниже 4.
53
Глубина погружения термобаллона выбирается из ряда, ука-
занного ниже:	/
Заполнитель термоснстемы	Глубина погружения термобаллона,
/мм
Газ	160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000
Жидкость	80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400
Конденсат	100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630,
800, 1000	/'
Специальный
315, 400, 500
Термобаллоны манометрических термометров изготовляются
из специальной стали, стойкой к воздействию ряда агрессивных
сред, с условным давлением среды не более 6,3 МПа.
Манометрические термометры часто применяются для дистан-
ционной передачи выходного сигнала в системах контроля, регу-
лирования и управления производственными процессами.
Длина соединительного капилляра дистанционных термомет-
ров следующая:
Заполнитель термосистемы
Длина соединительного капилляра,
м
Газ Жидкость Конденсат Специальный	0,6; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 12; 16; 25; 40; 60 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4,6; 10 0,6, Г, 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 12; 16; 25 0,6; 1; 1,6; 2,5; 4
Отклонение длины соединительного капилляра не более +10 %.
В зависимости от формы корпуса выпускаются термометры: пря-
моугольные, круглые, специальные.
Основная погрешность манометрических термометров обуслов-
ливается неточностью градуировки прибора при изготовлении, а
также конструкциями и свойствами манометрических пружин.
Пределы допускаемой погрешности измерения манометриче-
ских термометров существенно зависят от пределов допускаемой
погрешности приборов, измеряющих давление. Пределы допус-
каемой основной погрешности показаний (записи) и выходных
сигналов термометров указаны в табл. 3.4.
ТАБЛИЦА 3 4
Класс точности	Пределы допускаемой ос- новной погрешности, от диапазона измерений, %		Класс точности	Пределы допускаемой ос- новной погрешности, от диапазона измерений, %	
	показаний (записи)	ВЫХОДНОГО сигнала		показаний (записи)	выходного сигнала
0,4	±0,4	±0,5	1	±1,0	±1,5
0,5	±0,5	±0,6	1,5	±1,5	±2,5
0,6	±0,6	±1,0	2,5	±2,5	±4,0
			4	±4,0	±5,0
Вариация показаний (записи) и выходных сигналов термомет-
ров не должна превышать абсолютного значения предела допус-
каемой основной погрешности. Нестабильность показаний и вы-
54
ходных сигналов — разность между показаниями термометра при
многократных поверках в одинаковых условиях при прямом или
-обратном ходе — не должна превышать половины абсолютного
значения предела допускаемой основной погрешности.
Дополнительные погрешности манометрических термометров
•следующие: температурная, барометрическая и гидростатическая.
Дополнительная температурная погрешность возникает при из-
мерении температуры соединительного капилляра и манометриче-
ской пружины и может быть различной в зависимости от конст-
рукции термометра.
Изменение показаний выходных сигналов в процентах от диа-
пазона измерений, вызванное отклонением температуры окружа-
ющего воздуха,
А = -\-(Х -К  Xt),	(3.11)
где X— значение нестабильности; К— температурный коэффици-
ент, %/К, не более:
0,05 —для	термометров с	газовым заполнителем;
0,075 — »	»	с	жидкостным заполнителем;
0,4 — »	»	с	компенсационным заполни-
	телем;	
0,035— »	»	со	специальным заполнителем;
Xt=t2 — ti — абсолютное значение разности температур; tt —
температура окружающего воздуха, равная (20±2) °C — для тер-
мометров классов точности 0,4; 0,5; 0,6 и 1; (20±5) °C— для тер-
мометров классов точности 1,5; 2,5; 4; tz — любое значение темпе-
ратур, в пределах которых может эксплуатироваться термометр.
Для уменьшения дополнительной температурной погрешности
в конструкцию манометрических термометров вводят специаль-
ные компенсирующие устройства: биметаллическую дугообраз-
ную пластинку; встроенную в передаточный механизм маномет-
рической пружины; инварный сердечник, устанавливаемый внут-
ри капилляра; вторую манометрическую пружину, соединенную со
вторым капилляром, но без термобаллона, размещаемую внутри
корпуса термометра.
Рис. 3.12. Биметалличе-
ский компенсатор
Компенсация температурной погрешности с помощью биметал-
лического компенсатора является наиболее распространенной и
показана на рис. 3.12 [1]. Биметаллическая дугообразная пласти-
35
вара.
темпера-
помощью
Рис. 3.13 Компенсация
турной погрешности с
инварного сердечника
температурной погрешности
на встроена в тягу передаточного механизма. /При увеличении
температуры окружающей среды она разгибается. Когда мано-
метрическая пружина распрямляется под действием внутреннего
давления в термосистеме, распрямляется и биметаллическая пла-
стина, увеличивая длину тяги. Вследствие этого стрелка термомет-
ра не меняет своего положения. Компенсация с помощью биме-
таллической пластины эффективна только при условии, что тем-
пература прибора, в который встроена пластина, одинакова с
температурой капилляра. Однако это условие не всегда выполня-
ется, если учесть длины капилляров.
Следующий метод компенсации температурной погрешности
(рис. 3.13)—установка внутри капилляра 1 сердечника 3 из ин-
) расширения инвара в пределах тем-
ператур 0—100 °C очень мал, нм
практически можно пренебречь.
Диаметр инварного сердечника и
капиллярной трубки подбирают так,
чтобы при изменении температуры
капилляра изменение объема веще-
ства в капилляре соответствовало
бы увеличению объема зазора 2
между стенкой капилляра и инвар-
ным сердечником.
Однако и этот метод также не
обеспечивает полную компенсацию
при всех температурах, измеряемых
термометром.
При третьем способе компенсации (рис. 3.14) [10] необходимо
соблюсти условия: вторая термосистема без термобаллона долж-
на быть совершенно аналогична основной, включая длину капил-
ляра. Эта термосистема заполняется тем же веществом, что и ос-
новная, но действие ее противоположно действию основной. При
этом при изменении температуры окружающей среды показания
термометра не изменяются, даже если температуры капилляра и
манометрической пружины будут различны. Но и этот метод, как
и два предыдущих, не обеспечивает полную компенсацию темпе-
ратурной погрешности во всем диапазоне температур.
Барометрическая погрешность возникает при изменении атмо-
сферного давления, которое воздействует на манометрическую пру-
жину и капилляр. В конденсационных манометрических термомет-
рах барометрическая погрешность зависит от разности давлений
(внутри термосистемы и атмосферного), действующих на трубку
и вносящих погрешность в его показания.
Изменение атмосферного давления практически не влияет на
показания газовых и жидкостных манометрических термометров
благодаря высокому начальному давлению.
Однако при измерении температуры объектов с высоким внут-
ренним давлением манометрическими термометрами, термобаллон
которых используется без защитной гильзы, возникает погреш-
56
ность вследствие деформации чувствительного элемента [10].
Причина возникновения гидростатической погрешности в жид-
костных и конденсационных манометрических термометрах — ста-
тическое давление столба'термометрической жидкости в соедини-
тельном капилляре при разности высот между термобаллоном и
манометрической пружиной.
Рис. 3.14. Использование второй тер-
моснстемы для температурной ком-
пенсации
Рис. 3.15. Гидростатическая погреш-
ность
Манометрические термометры обычно градуируют так, что
термобаллон и манометрическая пружина находятся на одном
уровне 1 (рис. 3.15). Если манометрическая пружина расположе-
на выше (уровень 2) или ниже термобаллона (уровень 3) появ-
ляется гидростатическая погрешность. Ее можно рассчитать по
формуле
Af = ^£1 =	,3 12)
S	Дд	'
где \pz=h-Q-a — гидростатическое давление, Па; h — разность
уровней термобаллона и манометрической пружины, м; q — плот-
ность вещества, заполняющего термосистему, кг/м3; Др— рабочее
давление термосистемы при изменении температуры от tK до tn\
а — ускорение свободного падения, м/с2.
§ 3.3. Термометры дилатометрические
Принцип действия дилатометрических термометров основан на
использовании свойства твердого тела изменять свои линейные
размеры при изменении температуры. При небольших темпера-
57
турных диапазонах зависимость длины твердого тела от темпера-
туры линейна
/,=•/„. (1+^),	(3.13)
где h—длина тела при температуре t, м; /0 — длина тела при тем-
пературе О °C, м; а —средний коэффициент линейного расширения
твердого тела от О °C до t, К-1.
Значения средних коэффициентов линейного расширения ма-
териалов приведены в табл. 3.5.
ТАБЛИЦА 3.5
Материал	Интервал темпера- тур. вС	а-10в, к-1
Латунь	0-400	18,3—23,6
Медь красная	0-150	15,3
Хромомолибден	0-100	12,3
Сталь никелевая (20 % никеля)	0-500	20,0
Инвар	0—200	0,9
Плавленый кварц	—	0,55
В дилатометрических термометрах расширения две трубки из
материалов с разными температурными коэффициентами линей-
ного расширения одним концом скреплены друг с другом (рис.
3.16). Свободные концы перемещаются по-разному, что исполь-
5
зуется для измерения температуры. Внеш-
нюю трубку 1 изготовляют из металла (ла-
туни, меди, стали) с большим коэффици-
ентом линейного расширения, внутреннюю
трубку или стержень 2 изготовляют из
кварца, фарфора или инвара. Внешняя
трубка закреплена в штуцере 4, а внутрен-
няя трубка механически связана с контакт-
ным устройством 3 и установочной тка-
ной 5. При повышении температуры среды,
в которую полностью погружается нижняя
часть термометра, внешняя трубка удлиня-
ется больше, чем внутренняя. Разница пере-
мещений подвижных концов пропорцио-
нальна изменению температуры. Переме-
щение внутреннего стержня при изменении
Рис. 3.16. Дилатометрический термометр
температуры от /н до можно рассчитать по формуле
М - 1К — /н
/н (ат ас) • (/к	/с)
1 4~ (ят — “с) ’ С
(3.14)
где /Е, /к — длина внешней трубки при температурах tB и tK, м;
58
ат, ас — коэффициент линейного расширения внешней и внутрен-
ней трубок, К-1.
Из-за небольшой разницы теплового расширения внешней и
внутренней трубок длины их, что очевидно из формулы, должны
быть достаточно большими (300 мм).
Дилатометрические термометры могут развивать большие уси-
лия, поэтому их используют в качестве регулирующих устройств
с электрическими контактами для двухпозиционного регулирова-
ния.
Из-за длинных металлических трубок, идущих от объекта из-
мерения наружу, велик отвод тепла, в результате чего возникает
большая погрешность при измерении температуры. По этой же
причине дилатометрические термометры обладают большой инер-
ционностью, что отрицательно сказывается на регулировании тем-
пературы.
§ 3.4. Термометры биметаллические
Биметалл представляет собой прочное соединение двух плас-
тин металлов или сплавов с разными коэффициентами линейного
теплового расширения. Толщина пластин примерно одинаковая.
При воздействии тепла биметалл изгибается в сторону слоя с
меньшим коэффициентом линейного расширения. Биметалличе-
ская пластина является чувствительным элементом термометра,
изгиб ее при изменении температуры передается на механизм по-
казывающего устройства или на контактную группу, которая за-
мыкается или размыкается.
Перемещение биметаллической пластины, механически закреп-
ленной на одном конце, можно рассчитать по формуле
Д - <Я1-Я2). £!! . (/2 _Z1),	(3.15)
S
где ai, аг — коэффициенты линейного расширения составляющих
биметалла, К-1; L — длина биметаллической пластины, м; з — тол-
щина биметаллической пластины, м; (tz—ti) — разность темпе-
ратур, для которой определяется изгиб А, К.
Перемещение тем больше, чем длиннее и тоньше биметалли-
ческая пластина, но не зависит от ее ширины.
Биметаллы для термометров выполняют чаще всего в виде пло-
ских и цилиндрических спиралей. Это обеспечивает компактность
при большой длине и позволяет линейное перемещение преобра-
зовывать во вращательное движение, удобное для конструкции
показывающих приборов.
При расчетах в этом случае определяют не размер изгиба А,
а угол закручивания <р на 1 К
Ф = — • (Д1~аа) 'L • (G— ^).	(3.16)
Я	S
Для показывающих приборов необходим большой изгиб, поэто-
му пластины делают как можно тоньше. При работе в релейном
59
режиме или для привода релейной пары требуется большое уси-
лие. Для предохранения биметалла от пластических деформаций'
при повышении температуры его перемещение ограничивают упо-
рами.
Линейная зависимость между перемещением биметалла и тем-
пературой свойственна для ограниченного температурного диапа-
зона. Диапазон измеряемых температур биметаллических термо-
метров находится в интервале от —60 до +600 °C и зависит от
материала биметалла.
Рис. 3.17. Биметалличе-
ский термометр с плос-
кой спиралью
Рис. 3.18 Биметалличе-
ский термометр с ци-
линдрической пружиной
Рис. 3 19 Биметалличе-
ское температурное реле
Биметаллические показывающие термометры используются для
измерения температуры в помещениях. В них применены биметал-
лы в виде плоской спирали (рис. 3.17). В промышленности чаще
используют биметаллические термометры с цилиндрической пру-
жиной (рис. 3.18).
Биметалл, свернутый в цилиндрическую спираль, вставляют в
защитную арматуру, соединенную с головкой термометра, в ко-
торой размещен передаточный механизм, стрелка и шкальная
пластина. Тепловой контакт между защитной арматурой и спи-
ралью должен быть как можно лучше для увеличения быстро-
действия термометра.
Биметаллическое температурное реле показано на рис. 3.19.
Биметаллическая пластина 1 под воздействием температуры изги-
бается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного
расширения и при требуемой температуре замыкает контакт 2.
Заданное значение температуры устанавливается регулирующим
винтом 3, закрепленным в пластине из однородного металла. Обе
пластины (однородная и биметаллическая) крепятся к изолятору
5. Для защиты от воздействия окружающей среды, температура
которой регулируется, пластины помещены в корпус 4.
60
ГЛАВА 4
ТЕРМОМЕТРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
§ 4.1.	Общие сведения
Термоэлектрический термометр — это термометр, содержащий тер-
моэлектрический преобразователь, действие которого основано на
использовании зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) *
термопары от температуры, и устройств для измерения ТЭДС.
Термопара или термоэлемент — простейшая термоэлектриче-
ская цепь из двух разнородных электрических проводников — тер-
моэлектродов, концы которых электрически соединены, например,
пайкой или сваркой (рис. 4.1). Термопара обладает свойством
развивать ТЭДС при разности температур в местах соединения
термоэлектродов.
Рис. 4.1. Термоэлектри-
ческая цепь из двух раз-
личных проводников
(6>С)
В современной термометрии термоэлектрические термометры
занимают наибольший удельный вес, составляя около 55 % от об-
щего числа контактных термометров, применяющихся на промыш-
ленных предприятиях и в научных учреждениях. Это связано с
достоинствами термоэлектрических термометров — такими, как
простота в изготовлении и эксплуатации, достаточная для боль-
шинства практических случаев точность измерения (погрешность
в среднем не превышает значений в несколько кельвинов), нали-
чие широкого парка измерительных приборов, рассчитанных на
работу с термоэлектрическими преобразователями, невысокая
стоимость термометров, высокие надежностные характеристики,
взаимозаменяемость, возможность автоматизации процесса изме-
рений.
§ 4.2.	Основы теории термоэлектрических преобразователей
Современная физика объясняет возникновение ТЭДС переме-
щением электронов из одного термоэлектрода в другой и вырав-
ниванием их внутренних потенциалов. В разных материалах плот-
ность свободных электронов (число электронов в единице объема)
* Возникновение ТЭДС впервые наблюдал Т. И. Зеебек (1821 г.), пытав-
шийся использовать этот эффект для прямого преобразования тепловой энер-
гии в электрическую.
61
неодинакова. Поэтому при соприкосновении разнородных термо-
электродов, например, в месте спая, электроны диффундируют из
одного термоэлектрода в другой, выравнивая их внутренние по-
тенциалы. При выравнивании внутренних потенциалов на поверх-
ности соприкосновения термоэлектродов возникает контактная
разность потенциалов, зависящая от свойств соприкасающихся
материалов и их абсолютной температуры.
Результирующая ТЭДС в цепи, составленной из двух разно-
родных термоэлектродов, равна сумме контактных разностей по-
тенциалов
ЕАВ (ti, С) — e.4s(^i) + еВА (^2),	(4.1)
где еАв(Л)—контактная разность потенциалов от термоэлектро-
да Л к термоэлектроду В при температуре 6; еВА(/2)—контакт-
ная разность потенциалов от термоэлектрода В к термоэлектроду
А при температуре t2.
С учетом того, что еВА (fe) = — eAB(t2):
Ддв(^1,	—	—сав^я).	(4.2)
Таким образом, возникающая в цепи термоэлектродов результи-
рующая ТЭДС зависит от температур спаев и t2. Для того, что-
бы ТЭДС была функцией только одной температуры, например Л,
температуру t2 нужно поддерживать постоянной. В случае равен-
ства температур и t2 результирующая ТЭДС равна нулю.
Чтобы измерить ТЭДС термопары, необходим измерительный
прибор, включение которого вызывает появление в цепи термо-
пары третьего проводника С. Если температура в местах соеди-
нения трех термоэлектродов А, В и С одинакова, то, исходя из
закона сохранения энергии, нет никаких оснований ожидать воз-
никновения результирующей ТЭДС. В этом случае
Sab (0 + евс (/) + есл (0 = 0	(4.3)
или
едв(^) = — eBc(t) —есл(Е).
Включить прибор в цепь термопары можно двумя способами: ли-
бо разорвав один из спаев термопары (рис. 4.2,а), либо разорвав
один из термоэлектродов, например, А (рис. 4.2,6).
С
Рис. 4.2. Схемы включения измерительного прибора
в цепь термоэлектрического преобразователя
62
В первом случае температура точек подключения третьего
проводника будет равна температуре концов термоэлектродов, а
во втором—-будет иметь некоторое значение /в.
Чтобы установить, как влияет включение третьего проводника
на результирующую ТЭДС, просуммируем контактные разности
потенциалов приведенных на рис. 4.2 цепей из трех проводников.
Для цепи, приведенной на рис. 4.2, а,
Длвс(^1, Д) — еАВ (Ч) +евс (^2) + ^СА (^2).	(4.4)
Учитывая, что в соответствии с (4.2) ^Bc(t2) + есл(Ь) = —0ав(С),
получим
&АВС (^ 1, 2) = &АВ (^1) АВ (^2) ” ЕАВ (t1, 2) •	(4.5)
Следовательно, подключение третьего термоэлектрода к одному
из концов термопары не вносит искажений в результирующую
ТЭДС.
Для цепи, представленной на рис. 4.2, б,
Eabc (i3, /1, is) = 6ав (ti) + £вс (is) + есв (i3) + евл (t2).	(4.6)
С учетом того, что eBC(ts) + eCB(t3) =0; Sba(72) = —SabCM , полу-
чим
Eabc^s, i±, is)= eAB(i±) — Cab (t2) = Едв (ti, t2).	(4.7)
Таким образом, при включении третьего термоэлектрода в
разрыв одного из термоэлектродов термопары не возникает иска-
жения результирующей ТЭДС термопары.
Необходимо отметить, что при нарушении равенства темпера-
тур концов третьего проводника (£г) образуются паразитные
ТЭДС, искажающие значение ТЭДС основной термопары (см.
рис. 4.2, а).
Предположим, что температура спая 3 термоэлектрода С с тер-
моэлектродом В не равна температуре спая 2 и имеет отличное
от t2 значение 1'2.
В этом случае ТЭДС в цепи АВС
Еавс^1, i2, i2) = ^ав(/1) + eAB(i2) A-eCA(i2). (4.8)
Вычитая из уравнения (4.5) уравнение (4.8), получим EAB(ti, t2) —
— EABc(i[> t2, t'2) —^E—eCB(t'2) +eBA(t2) +eBc(t2).
Воспользовавшись уравнением (4.3), выразим разность ТЭДС А.Е
в форме:
АЕ =ecB(t2) — ecB(i2) = ECB(i2, i2).	. (4.9)
Таким образом, паразитная ЭДС АЕ равна ТЭДС, развиваемой
термопарой СВ с температурой спаев, равной t'2 и t2.
Аналогично предыдущему предположим, что температура точ-
ки подключения 4 термоэлектрода С с термоэлектродом А не рав-
на температуре в точке 1 (см. рис. 4.2, б). В этом случае нетрудно
показать, что значение паразитной ТЭДС равно ТЭДС, развива-
емой термопарой СА с температурой спаев t'$ и is.
63
Поскольку практически определить значение паразитной ТЭДС
достаточно сложно, стремятся обеспечить одинаковую температу-
ру мест присоединения третьего проводника, причем значение этой
температуры может быть любым. По этим же соображениям важ-
но, чтобы материал термоэлектродов был по всей длине однород-
ным по составу. Иначе отдельные неоднородные участки термо-
электродов, которые могут иметь на концах различную темпера-
туру, вызовут трудно определимую погрешность.
Аналогично можно включить в цепь термоэлектродов четвер-
тый, пятый и т. д. термоэлектрод (проводник). Введение нового
термоэлектрода (проводника) не изменяет результирующую
ТЭДС, если концы нового термоэлектрода находятся при одина-
ковой температуре.
Таким образом, по значению результирующей ТЭДС в цепи
термоэлектродов можно определить значение разности темпера-
тур (/1 — /2), вызвавшей эту ТЭДС, а если к тому же одна из тем-
ператур, например, /2, известна, можно определить значение тем-
пературы fi.
Для определения температуры Ц необходимо знать зависимость
ТЭДС от температуры для материалов, из которых изготовлены
термоэлектроды.
Существует много материалов как в чистом виде, так и в виде
сплавов, которые можно использовать в качестве термоэлектро-
дов. Чтобы оценить термоэлектрические свойства того или иного
материала, необходимо срав-
нивать эти свойства со свой-
ствами так называемого нор-
мального термоэлектрода. В
качестве материала для нор-
мального термоэлектрода при-
нята чистая платина, химиче-
ски инертная, имеющая хоро-
шо изученные физические
свойства и обладающая высо-
кой температурой плавления,
виде не представляет боль-
ших технических трудно-
стей.
Все материалы по своим термоэлектрическим свойствам мож-
но подразделить на положительные и отрицательные.
Положительными условно называют материалы, у которых в
паре с платиной ток течет от платины к этому материалу, а отри-
цательными,— у которых ток течет в обратном направлении (рис.
4.3). Если известны термоэлектрические свойства, т. е. зависи-
мость ТЭДС от разности температур Ц и /2 для материала А (до-
пустим положительного) и платины П и для материала В (допу-
стим отрицательного) и платины П, то легко определить термо-
электрические свойства и для термопары из материалов А и В.
Рис 4.3. Схемы соединения нормального
платинового термоэлектрода:
а —с положительным термоэлектродом А;
б — с отрицательным термоэлектродом В\ в —
с термоэлектродами А и В
Получение платины в чистом
64
ТЭДС такой цепи (рис. 4.3,в), где платина играет роль треть-
его проводника с концами при температуре t\, будет равна алге-
браической разности Епа и Евп, т. е.:
Два(Д, ^2) = ^па(^1,	—Двп(Д, /2)1=Дп'(^1, ^2)+Двп	/2). (4.10)
В табл. 4.1 приведены значения ТЭДС для некоторых чистых
металлов, металлических сплавов и других материалов в паре с
платиной при температурах /1=100°C и /2=0°С.
Анализ формулы (4.10) и данных таблицы показывает, что
максимальное значение результирующей ТЭДС в цепи термопары
можно получить,, используя в качестве одного термоэлектрода А —
положительный, а в качестве термоэлектрода В — отрицательный
материал.
ТАБЛИЦА 4.1
Материал	Состав (приблизительно)	ТЭДС, мВ
Железо	Практически чистое	+ 1 ,80
Медь	То же	+0,75
Никель	» »	— 1,49
Кобальт	» »	— 1 ,80
Висмут	» »	-7,30
Олово	» »	+0,43
Золото	» »	+0,75
Серебро	» »	+0,72
Платинородий	90% Pt+10% Rh	+0,64
Константан	60 % Си+ 40 % Ni	—3,35
Копель	56 % Си+ 44 % №	— (3,90-4,18)
Нихром	(75—88) % Ni + (10—20) % Cr +	
	+ (2-5) % Fe	+ (1,6-2,4)
Манганин	84 % Cu+13 % Mn+2 % A1+1 % Fe	+0,80
Алюмель	94,5 % Ni + 2 % Al+ 2 % Mn+1 % Si +	
	+ 0,5 % Co	-(1,14-1,34)
Хромель	90,5 % Ni+9,5 % Cr	+ (2,74—2,96)
Уголь	—<	+0,30
Кремний	—	+44,8
Указанный способ определения ТЭДС различных материалов
находит применение при комплектовании термоэлектрических пре-
образователей из неблагородных термоэлектродных материалов.
Пример. При температуре б = 100°С и /2 = 0°С термоэлектроды хромель
(X) и копель (К) развивают в паре с платиной (П) ТЭДС (усредненные зна-
чения): Е хп (100,0) =2,82 мВ; £кп = —4,08 мВ.
Пользуясь уравнением (4.10), определим значение ТЭДС термоэлектриче-
ского преобразователя типа хромель-копель (ХК): а (100,0) = £х п (100,0) —•
•—Ек п(100,0) =2,82 + 4,08 = 6,90 мВ. Знак плюс указывает на то, что хромель
является положительным термоэлектродом, а копель •— отрицательным.
§ 4.3.	Основные требования, предъявляемые
к термоэлектродным материалам
Термоэлектродные материалы, из которых изготовляются тер-
моэлектрические преобразователи, должны иметь высокую чувст-
вительность, стабильность и воспроизводимость термоэлектриче-
ской характеристики; однозначную, желательно близкую к линей-
5-1973
65
ной, зависимость ТЭДС от температуры, термоэлектрическую од-
нородность, механическую прочность, стабильность и химическую
инертность.
Требование к высокой чувствительности обусловлено тем, что
ТЭДС, развиваемая большинством термоэлектрических преобра-
зователей с металлическими термоэлектродами, невелика (0,01 —
0,07 мВ-К-1). Термопреобразователь, имеющий более высокую
чувствительность, дает возможность использовать менее чувстви-
тельный и более надежный измерительный прибор.
Стабильность и воспроизводимость термоэлектрической харак-
теристики материалов обусловливает точность измерения темпера-
туры и взаимозаменяемость термоэлектрических преобразовате-
лей. Основные источники нестабильности термоэлектрических ма-
териалов— рекристаллизация, преимущественное испарение одно-
го из компонентов сплава, внутрикристаллические изменения, вза-
имодействия с окружающей средой, поведение примесей и др.
Требование однозначной, близкой к линейной зависимости
ТЭДС от температуры вызвано тем, что отсутствие необходимости
в линеаризации указанной зависимости значительно упрощает из-
мерительную схему и выбор измерительного прибора. Наиболее
линейной зависимостью ТЭДС от температуры, обладает, напри-
мер, термоэлектрическая пара хромель-алюмель.
Жаростойкость и механическая прочность в значительной сте-
пени определяют верхние температурные границы применяемости
термоэлектродных материалов. С ростом температуры резко ус-
коряются все процессы, ведущие к разрушению термоэлектродов
нагреваемой части термоэлектрического преобразователя: химиче-
ское взаимодействие термоэлектродов с окружающей средой и
друг с другом, рекристаллизация, возгонка и т. п.
Требование термоэлектрической однородности обусловлено
тем, что наличие участков со значительной неоднородностью при
больших градиентах температуры может вызвать значительную
паразитную ТЭДС, искажающую показания термометра на 10—
25 К и более.
При выборе термоэлектрических материалов большое внима-
ние следует уделить их химической нейтральности. Например, тер-
моэлектрические преобразователи платиновой группы стойки в
нейтральных или окислительных средах и быстро выходят из строя
в восстановительной среде и в вакууме. И наоборот, материалы
на основе вольфрама, молибдена, рения и их сплавов надежно
работают в восстановительных средах и менее надежны в окисли-
тельных.
§ 4.4.	Методы градуировки термоэлектрических преобразователей.
Введение поправки на температуру свободных концов
При градуировке термоэлектрического преобразователя, т. е.
при определении его статической номинальной характеристики
температура свободных концов поддерживается при постоянной
66
температуре, равной О °C. В процессе определения этой характе-
ристики измеряется значение ТЭДС при изменении температуры
рабочего конца термоэлектрического преобразователя.
При измерении температуры в практических условиях темпе-
ратура свободных концов термоэлектрического преобразователя
в большинстве случаев является постоянной, но далеко не всег-
да равной О °C. Это приво-
дит к изменению ТЭДС пре-
образователя, что и вызыва-
ет необходимость введения
поправки на температуру
свободных концов.
Ввиду нелинейности ста-
тической номинальной ха-
рактеристики термоэлектри-
ческого преобразователя по-
правка в результат измере-
ния температуры рабоче-
го конца термоэлектриче-
ского преобразователя не
Рис. 4.4. Схема введения поправки
на температуру свободных концов
термоэлектрического преобразова-
теля
может быть введена простым сложением (или вычитанием) тем-
пературы свободных концов t2 и температуры ti.
Температуру tr при /2#=0°С определяют следующим образом
(рис. 4.4).
1.	Измеряют результирующую ТЭДС: E(tir tz}=E(t'\, 0) —
— E(t2, 0).
2.	Определяют значение поправки E(t2, 0)—ТЭДС, соответст-
вующую температуре t2 свободного конца термоэлектрического
преобразователя.
3.	По суммарной ТЭДС E(t\, O)=E(t'b t2)+E(t2, 0), по гра-
дуировочной кривой (или таблице) определяют температуру ра-
бочего конца термоэлектрического преобразователя.
Пример. При градуировке хромель-копелевого термоэлектрического преоб-
разователя свободные концы имели температуру /2=0°С, а при измерениях
62 = 25°С. Показание потенциометра при измерении ТЭДС термоэлектрическо-
го преобразователя Ei (6, 25) составило 22,88 мВ, что соответствует темпера-
туре 300 °C.
Значение поправки Е (25,0) определяется по ГОСТ 3044—84 и равно
1,64 мВ.
Суммарная ТЭДС Е (t„ 25)+£(25,0) равна 22,88 мВ + 1,64 мВ = 24,52 мВ,
что соответствует температуре рабочего конца 319,4 °C.
Предположение о линейности СНХ привело бы к ошибочному результату
6=300 °C+25 °C=325 °C.
5*
67
§ 4.5. Классификация термоэлектрических преобразователей.
Основные технические и метрологические характеристики
Промышленностью выпускается очень широкая номенклатура
термоэлектрических преобразователей и термометров. Стандарт-
ными термоэлектрическими преобразователями являются преоб-
разователи следующих типов: ТВР — термопреобразователь
вольфрам-рениевый; ТПР — термопреобразователь платинородие-
вый; ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый;
ТХА — термопреобразователь хромель-аюмелевый; ТХК — термо-
преобразователь хромель-копелевый.
Основные технические характеристики стандартных термоэлек-
трических преобразователей приведены в табл. 4.2, а допускае-
мые отклонения ТЭДС от номинального значения — в табл. 4.3.
Термопреобразователи выпускают следующих исполнений:
по способу контакта с измеряемой средой: погружаемые; по-
верхностные;
по условиям эксплуатации: стационарные; переносные; разово-
го, многократного и кратковременного применений;
по защищенности от воздействия окружающей среды: обыкно-
венные; водозащищенные; защищенные от агрессивной среды;
взрывобезопасные (в том числе искробезопасные); защищенные
от других внешних воздействий;
по герметичности к измеряемой среде: герметичные; негерме-
тичные;
по инерционности: малой инерционности—-показатель тепло-
вой инерции не более 10 с; средней инерционности — показатель
тепловой инерции не более 60 с; большой инерционности — пока-
затель тепловой инерции не более 60 с; инерции свыше 60 с; не-
нормированной инерционности (НИ);
по устойчивости к механическим воздействиям: обыкновенные;
виброустойчивые;
по числу термопар для измерения температуры в одной зоне:
одинарные; двойные; тройные;
по числу зон: однозонные; многозонные;
по наличию контакта термопары с металлической частью за-
щитной арматуры: с открытой термопарой; с закрытой изолиро-
ванной термопарой; с закрытой неизолированной термопарой.
Термопреобразователи допускается изготовлять в разных со-
четаниях указанных исполнений.
В зависимости от материалов термоэлектродов различают тер-
мопреобразователи из благородных и неблагородных металлов.-
К термопреобразователям из благородных металлов относятся
термопреобразователи платиновой группы (ТПП, ТПР), к небла-
городным — типа ТВР, ТХА, ТХК и ТМК (из числа стандартных
термопреобразователей).
Термопреобразователи термоэлектрические из благородных ме-
таллов применяются для измерения температуры в диапазоне
300—1600 °C в окислительной и нейтральной средах. Для изме-
68
ТАБЛИЦА 4.2
Тип термо- электриче- ского преоб- разователя	Условное обо- значение номи- нальных стати- ческих характе- ристик преобра- зования	Материал термоэлектрода		Диапазон измеряе- мых температур при длительном применении, °C	Предельная температура при кратко- временном применении, °C
		положительного	отрицательного		
ТВР	ВР (А) = 1 ВР (А) = 2 ВР (А) =3	Сплав вольфрам-рений ВР 5 (95 % W+5 % Re)	Сплав вольфрам-рений ВР 20 (80 % W+20 % Re)	0—2200 0—1800 0—1800	2500
ТПР	ПР (В)	Сплав платинородий ПР-30 (70 % Pt+ 30 % Rh)	Сплав платинородий ПР-6 (94 % Pt+ 6 % Rh)	300—1600	1800
ТПП	ПП (S)	Сплав платинородий ПР-10 (90% Pt+10 % Rh)	Плагина ПлТ (Pt)	0—1300	1600
ТХА	ХА (К)	Сплав хромель ТНХ9.5 (90,5 % Ki+ 9,5 % Cr)	Сплав алюмель НМцАК2-2-1 (94,5% Ni + 5,5% Al, S, Мп, Со)	От —200 до +1000	1300
тхк	ХК (L)	Сплав хромель ТНХ9,5 (90,5 % Ni + 9,5 % Cr)	Сплав копель МНМц 43-0,5 (56 % Си+44 % Ni)	От —200 до +600	800
тмк	МК (М)	Медь М (Си)	Сплав копель МНМц 43-0,5 (56 % Си+44 % Ni)	От —200 до +100	100
Примечания:
1. Под длительным применением термоэлектрического преобразователя понимается его работа в течение нескольких сотен часов, при этом
изменения первоначальной статической номинальной характеристики не должны превышать 1%.
2. Под кратковременным применением термоэлектрического термометра понимается его работа в течение нескольких десятков часов, при
этом изменения его первоначальной СНХ не должны превышать 1%.
рения отрицательных температур термопреобразователи типа ТПП
не применяются, так как их ТЭДС в этой области изменяется не-
монотонно. Платинородий-платиновые термопреобразователи на-
ходятся в числе лучших термоэлектрических преобразователей по
точности и воспроизводимости ТЭДС. Положительным термоэлек-
тродом у них является платинородий (сплав 90 % платины и 10 %
родия), отрицательным — чистая платина.
ТАБЛИЦА 4.3
Тип термо- электриче- ских пре- образова- телей	Условное обозна- чение номинальных статических харак- теристик преобра- зования	Диапазон изме- ряемых темпера- тур, °C	Пределы допускаемых отклонений ТЭДС термопар термоэлектриче- ских преобразователей, A£, мВ
ТВР	ВР (А) = 1	0—1000 1000—1800 1800—2500	0,080 0,080+3,80-10~5 (/ — 1000) 0,110+11,0-Ю-5 (/— 1800)
ТВР	ВР (А) =2 ВР (А)=3	0—1000 1000 — 1800	0,080 0,080 + 3,80-10-5 (/—1000)
ТПР	ПР (В)	300—1800	0,009 + 3,40-10-5 (/ — 300)
ТПП	ПП (S)	0—300 300-1600	0,008 0,008 + 2,69-10-5 (/ — 300)
ТХА	ХП (К)	(—200)—0 0—300 300—1300	0,080 + 0,30-10-3 (/ + 200) 0,140 0,140 + 0,22-Ю-з (/—300)
ТХК	ХК (L)	(-200)—0 0—300 300—800	0,100 + 0,20-Ю-з (/+200) 0,140 + 0,20-Ю-з / 0,200 + 0,52-Ю-з (/ — 300)
тмк	МК (М)	(—200)—0 0-10+	0,026 + 1,45-10-4 (/ + 200) 0,055
Применяемые платинородий-платиновые термоэлектрические
преобразователи в зависимости от их назначения разделяются на
эталонные (ТПП-Э), образцовые (ТПП-0) и рабочие повышенной
точности (ТПП-РПТ), технические (ТПП). Эталонные платино-
родий-платиновые термопреобразователи служат для воспроизве-
дения МПТШ в диапазоне от 630,74 до 1064,43 °C. Платиновый
электрод эталонного термопреобразователя изготовляется из пла-
тиновой проволоки, чистота которой должна быть такой, чтобы от-
носительное сопротивление было не менее 1,3920 (/?1Оо и Ro— со-
противления образца платиновой проволоки, измеряемые соответ-
ственно при температуре 100 и 0°С). Более подробные требова-
70
ния к эталонным термоэлектрическим преобразователям типа ТПП
изложены в ГОСТ 8460—82.
Платиновые электроды образцовых платинородий-платиновых
термопреобразователей 1-го (ТПП-01) и 2-го (ТПП-02) разрядов
изготовляют из платины марки Пл-1 с относительным сопротив-
лением Rioo/Ro^ 1,392, а термопреобразователей 3-го (ТПП-03)
разряда из платины марки Пл-З с относительным сопротивлением
1,3915 (ГОСТ 21007—75).
Рабочие платинородий-платиновые термопреобразователи
(ТПП) применяют в промышленности для высокотемпературных
измерений, например, для измерения температуры расплавлен-
ных металлов, или для измерений в тех случаях, когда термоэлек-
трические преобразователи с термоэлектродами из неблагородных
металлов не удовлетворяют требованиям по точности измерений.
Для электродов термопреобразователей ТПП применяют плати-
нородий марки ПР-10 и платину марки ПлТ с относительным со-
противлением Rioo/Ro^ 1,3910 (ГОСТ 10821—75).
Преобразователи ТПП надежно работают в условиях окисли-
тельной атмосферы. Пары металлов и углерод губительно дейст-
вуют на платину. ‘ Особенно вредна восстановительная среда при
наличии вблизи этих преобразователей металлических окислов и
кремнезема, поэтому их следует изолировать от непосредственно-
го воздействия атмосферы в промышленных условиях.
Недостатки преобразователей ТПП — невысокая чувствитель-
ность и высокая стоимость термоэлектродного материала.
Преобразователи ТПР предназначены для измерения более вы-
соких температур, чем преобразователи ТПП, так как их градуи-
ровочные характеристики в интервале 1200—1800 °C более ста-
бильны. По воспроизводимости статической номинальной харак-
теристики, однородности термоэлектродов и простоте их изготов-
ления преобразователи ТПР градуировки ПР-30/668 аналогичны
преобразователям ТПП.
Статическая номинальная характеристика термопреобразовате-
лей типа ТПР градуировки ПР-30/668 характеризуется двумя важ-
ными особенностями:
. 1. При изменении температуры свободных концов преобразова-
тетгй ТПР в диапазоне от 0 до 100 СС его ТЭДС изменяется только
на 50 мкВ. Это означает, что если не применять никаких мер для
учета влияния нагрева свободных концов в диапазоне 0—100°С,
то это вызовет погрешность измерения, не превышающую 3—5 К-
Поэтому преобразователи ТПР в заводских условиях применяют
без каких-либо компенсационных проводов.
2. При температурах выше 1000 °C статическая номинальная
характеристика близка к линейной.
Как и на термопреобразователи типа ТПП, на стабильность
термопреобразователей типа ТПР оказывает вредное влияние вос-
становительная среда.
Термоэлектрические термопреобразователи с термоэлектрода-
ми из неблагородных металлов применяются для измерения тем-
71
пературы жидкостей, газов, пара, поверхности твердых тел и др.
Эти преобразователи развивают большую ТЭДС, чем термопре-
образователи платиновой группы.
Получить стандартную статическую выходную характеристику
термопреобразователей из неблагородных металлов достаточно
трудно, несмотря на то, что при изготовлении термоэлектродных
проволок уделяется большое значение их составу и термоэлектри-
ческой однородности по всей длине.
Для обеспечения стандартной градуировки, например, термо-
электрических преобразователей из сплавов хромель Т, алюмель
и копель применяют специальный способ комплектования термо-
электродов по ГОСТ 1790—77. Проволоку указанных выше типов
подвергают испытанию в паре с чистой платиной (нормальным
термоэлектродом) в интервале от 100 до 800 или 1200 °C в зави-
симости от состава проволоки.
Полученные в результате измерений данные позволяют разде-
лить термоэлектродную проволоку из сплавов хромель Т, алю-
мель и копель по значению ТЭДС при температуре свободных
концов ^ = 0°С на четыре класса. На рис. 4.5 представлены резуль-
таты измерений ТЭДС в виде кривых В2, Bs, B,t, Cit С2, Cs,
являющихся средними характеристиками
соответственно положительных и отрица-
тельных термоэлектродов В и С из про-
волок в паре с платиной, разделенных
на классы 1, 2, 3, 4.
При изготовлении термоэлектриче-
ских преобразователей из термоэлектрод-
ных проволок В и С их подбирают та-
ким образом, чтобы положительный тер-
моэлектрод, относящийся к классу 1 и
Рис 4 5. Разделение термоэлектродной проволоки
на четыре класса по значению ТЭДС в паре
с платиной
имеющий наиболее низкую ТЭДС в паре с платиной, комплекто-
вался в паре с отрицательным термоэлектродом, также отнесен-
ным к классу 1, но имеющим наибольшую отрицательную ТЭДС
в паре с платиной. Аналогично комплектуются и термоэлектроды
других классов.
При рассмотрении способа комплектования все термоэлектри-
ческие преобразователи с электродами В и С указанных классов
будут иметь практически одинаковые термоэлектрические харак-
теристики с небольшими отклонениями от некоторой средней ха-
рактеристики ВС. Этот способ комплектования применяется при
изготовлении хромель-копелевых и хромель-алюмелевых термопре-
образователей, которые выпускаются со стандартной статической
номинальной характеристикой (ГОСТ 3044—84).
Хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи типа
72
ТХК развивают наиболее высокую ТЭДС по сравнению с други-
ми металлическими термопреобразователями — чувствительность
составляет 70—80 мкВ-К-1. Кривая зависимости ТЭДС от темпе-
ратуры имеет наибольшую кривизну и хорошо описывается трех-
членной квадратичной формулой. Такой вид зависимости приво-
дит к тому, что чувствительность AE/At вблизи 0°С равна
65 мкВ-К-1, а при 600 °C — 90 мкВ-К-1. Термопреобразователи
типа ТХК не обладают высокой жаростойкостью — верхний пре-
дел измерения составляет 600 °C, однако для измерения более низ-
ких температур их применение весьма предпочтительно ввиду
высокой чувствительности.
Термоэлектрические преобразователи хромель-алюмелевые
(ТХА) имеют широкий диапазон измеряемых температур — от
—200 до +1000 °C, а для кратковременных измерений — до
1300°C. Зависимость ТЭДС от температуры у них близка к ли-
нейной, чувствительность составляет в среднем 40 мкВ-К-1-В ди-
апазоне от 600 до 1000 °C — это наиболее распространенные тер-
мопреобразователи. Благодаря высокому содержанию никеля ТХА
окисляется меньше других термопреобразователей, поэтому их
применяют в окислительных средах.
Недостатки преобразователей ТХА — чувствительность к неод-
нородностям и механическим деформациям, возникающим при хо-
лодной обработке, которые приводят к нестабильности. В среде
двуокиси углерода при температуре 800 °C и выше происходит
образование карбида хрома и окислов хрома, значительно снижа-
ющее ТЭДС, что после 1000-часовой работы эквивалентно изме-
нению температуры примерно на 100 °C.
Снижение ТЭДС происходит более интенсивно у термоэлект-
родов малых диаметров (0,2—0,5 мм), следовательно, преобра-
зователям ТХА с термоэлектродами больших диаметров свойст-
венна более высокая стабильность, соответственно увеличивается
и срок их службы.
Термоэлектрическими преобразователями вольфрам-рениевы-
ми (ТВР) измеряют высокие температуры — до 2200°C, а кратко-
временно— до 2500°C. Они наиболее стойки в нейтральной или
восстановительной среде, а также в условиях вакуума. Чувстви-
тельность термопреобразователей типа ТВР при температуре
1500 °C несколько выше, чем у термопреобразователей ТПП. но при
температурах выше 2000°C довольно значительно уменьшается,
составляя при температуре 2400°C 4—8 мкВ-К-1.
В связи с различным содержанием в вольфрам-рениевых спла-
вах рения (допускаемый разброс ±0,5%) для термопреобразова-
телей ТВР существуют три стандартные статические номиналь-
ные характеристики при температуре до 1800°C: BP 5/20-1бв»
ВР 5/20—268 и ВР 5/20—368- Выше 1800 °C принята только одна ста-
тическая номинальная характеристика термопреобразователя ВР
5/20-168. Статическая характеристика термопреобразователя ВР
5/20“*68 является усредненной второй и третьей. Произвольная
комплектация термоэлектродной проволоки ВР5 и ВР20 при из-
73
готовлении термоэлектрических преобразователей типа ТВР мо-
жет дать отклонение от характеристики ВР 5/20-168 до ±100 К
при температуре 1800 °C.
За рубежом распространены термопреобразователи с несколь-
ко иным содержанием рения в термоэлектродах: ВР 3/25, ВР 5/26,
ВР 0/26.
Достоинство термопреобразователей типа ТВР — их невысокая
стоимость.
Представляют большой интерес работы по созданию термоэлек-
трических преобразователей с электродами из монокристаллов
вольфрама, молибдена и рения. Исследования показали, что мо-
нокристаллы этих металлов обладают высокой стабильностью
ТЭДС.
Помимо приведенных выше стандартных термопреобразовате-
лей в практике температурных измерений довольно широко рас-
пространены термопреобразователи с термоэлектродами как из
благородных (золото-платиновые), так и неблагородных метал-
лов (например, медь-константановые, железо-константановые,
вольфрам-молибденовые, вольфрам-иридиевые и др.). К ним от-
носятся:
термоэлектрические преобразователи золото-платиновые — при-
меняются для измерения температур до 700 °C. В них оба термо-
элекгрода выполнены из чистых химически нейтральных метал-
лов, что позволяет существенно снизить термоэлектрическую не-
однородность термоэлектродов по сравнению с той, которая на-
блюдается в термоэлектродах из сплавов. К недостатку следует от-
нести высокую стоимость термопреобразователя;
термоэлектрические преобразователи медь-константановые
предназначены для измерения низких температур в диапазоне
от —200 до +350 °C. Они наиболее точные среди термопреобра-
зователей из неблагородный металлов, главным образом благо-
даря наличию высокочистой, свободной от деформации меди.
Ниже —200 °C их чувствительность резко падает с уменьшением
температуры и становится зависимой даже от небольших приме-
сей железа в меди и от неоднородности константана; выше 250 °C
применение ограничено из-за окисления меди.
Наличие широкой номенклатуры медных и константановых
проводов, серийно выпускаемых промышленностью, в том числе
и очень малых диаметров (до 0,03 мм), обусловило широкое рас-
пространение термопреобразователей типа ТМК в заводских и
лабораторных условиях для измерения температуры, в том числе
малогабаритных изделий — электрорадиоэлементов, изделий элек-
тронной техники.
Термоэлектрические свойства преобразователей типа ТМК мо-
гут значительно отличаться для образцов, изготовленных из раз-
личных партий меди и константана. Например, при температуре
—200 °C отклонение ТЭДС может составлять 6—7 К- Значение
отклонений возрастает с понижением измеряемой температуры.
Для повышения точности измерений необходимо производить
74
индивидуальную градуировку каждого или хотя бы группы тер-
мопреобразователей типа ТМК, изготовленных из одной партии про-
волоки. Стабильность и воспроизводимость термопреобразовате-
лей типа ТМК достаточно высоки, причем стабильность при бо-
лее низких температурах (от —200 до 0°С) значительно выше;
термоэлектрические преобразователи типа железо-константа-
новые (ТЖК) используют для измерения средних температур
(верхний предел не более 750 °C в окислительной или 950 °C в
восстановительной среде). Термоэлектроды преобразователя име-
ют большую механическую прочность, чем, например, у медь-кон-
стантанового, поэтому их применение целесообразно в условиях
значительных внешних механических воздействий, тряски, вибра-
ции и т. д. Разброс термоэлектрической характеристики у термо-
преобразователей типа ТЖК меньше, чем у ТМК;
термоэлектрические преобразователи вольфрам-иридиевые
(ТВИ) имеют высокий и почти постоянный коэффициент ТЭДС
(около 26 мкВ-Iv1). Их стабильность соизмерима со стабильно-
стью термопреобразователей из других тугоплавких металлов,на-
пример, ТВР. Однако из-за иридия верхний предел измерения этих
термопреобразоват'елей ограничивается температурой 2200°C, и
они могут работать только в вакууме или нейтральной среде. Не-
смотря на то, что и вольфрам, и иридий становятся хрупкими,
разрушению подвергается вольфрамовый термоэлектрод. В этом
случае стоимость восстановления термопреобразователя уменьша-
ется, поскольку достаточно заменить более дешевую проволоку
из вольфрама.
Определенный интерес представляют термопреобразователи с
термоэлектродами из неметаллических материалов, например, по-
лупроводниковых веществ, соединений тугоплавких материалов с
графитом и т. п.
Преимущество полупроводниковых материалов — очень высо-
кий коэффициент ТЭДС, составляющий, например, для кремния
(в паре с платиной) свыше 400 мкВ-К-1, для окиси титана —
450 мкВ-К-1, титана бария до 10000 мкВ-K-1- Однако применение
их в качестве чувствительных элементов термопреобразователей
сильно ограничивается большими значениями электрического со-
противления, поэтому они не нашли сколько-нибудь заметного
распространения в практике температурных измерений.
Термоэлектрические термометры с электродами из тугоплав-
ких соединений. Исследования термоэлектродных материалов из
дисилицида молибдена (MoSi2), дисилицида вольфрама (WSi2),
борида циркония (ZrBr), карбида титана (TiC) и графита (С),
проведенные под руководством Г. В. Самсонова, позволили со-
здать три типа термоэлектрических преобразователей:
ТМСВ-340М с термоэлектродами MoSi2 — WSi2 — для измере-
ния температур до 1700 °C газовых агрессивных сред, некоторых
расплавов солей, стекломасс и металлов;
ТГБЦ-350М с термоэлектродами С — ZrBr — для измерения
температур до 1700—1800 °C расплавов стали, чугуна, цветных и
75
некоторых других металлов, а также науглероживающих газовых
сред до 2000°C;
ТГКМ-360М с термоэлектродами С — TiC — для измерения тем-
ператур до 2500 °C восстановительных, инертных, нейтральных га-
зовых сред и в вакууме.
На рис. 4.6 приведены статические номинальные характерис-
тики этих термоэлектрических преобразователей.
Для измерения высоких температур до 3000—3500 °C рекомен-
дуется в качестве перспективных термоэлектрические преобразо-
ватели с электродами ZrC — NbC и NbC — HfC. Имеются также
возможности создания высокотемператур-
ных преобразователей с термоэлектродами
из керамики в комбинации с тугоплавким
сплавом.
Термоэлектрические преобразователи с
электродами из волокнистого углерода мо-
гут применяться для измерения темпера-
тур до 1300 °C в углеродосодержащих сре-
дах. Электроды этих термопреобразовате-
лей, выполненные путем гидролиза вискоз-
ного кордного волокна, содержат 99,4 %
углерода (остальное—бор, водород и дру-
гие примеси). Для получения термоэлект-
родной пары образцы из волокнистого уг-
лерода подвергаются различной термообра-
ботке.
Рис. 4.6. Номинальные статические характеристики
термоэлектрических преобразователей
Согласно ГОСТ 3044—84, стандартная номинальная статиче-
ская характеристика термоэлектрических преобразователей опре-
деляется при температуре свободных концов, равной 0°С. Однако
в практике измерений это требование или неудобно для исполне-
ния, или трудно выполнимо. |В ^производственных условиях сво-
' бодные концы могут нагреваться до температур, достигающих
200°C. Чтобы уменьшить влияние температуры свободных кон-
цов, применяют удлинительные провода. Существуют два спосо-
ба подбора удлинительных проводов. При первом способе подби-
рают провода, идентичные по термоэлектрическим свойствам тер-
моэлектродам (т. е. в паре с соответствующим термоэлектродом
они обеспечивают нулевую ТЭДС — поэлектродную компенсацию).
Этот способ наиболее универсальный, применяется при измере-
ниях с повышенной точностью. Равенство температур мест соеди-
нения удлинительных проводов и свободных концов термоэлектри-
ческих преобразователей не обязательно.
При втором способе подбирается пара удлинительных прово-
дов, у которой номинальная статическая характеристика в задан-
ном интервале температур соответствует номинальной статической
характеристике термоэлектрического преобразователя (суммар-
76
ТАБЛИЦА 4.4
Термопара	Условное обо- значение номи- нальной стати- ческой харак- теристики	Материал удлинительного провода, марка и цвет оплетки		ТЭДС при £=100° С и /о=О° С, мВ	Сопротивление провода длиной 1 м, О'м, сечением, мм2:	
		положительного	отрицательного		1	2,5
Платинородий- платина	пп	Медь П, красный или розовый	Медно-никелевый (99,4 % Си+ 0,6 % Ni), зеленый	0,64+0,03	0,05	0,02
Платинородий- платинородий	ПрЗО/6	—	—	—	0,05	0,02
Хромел ь-алюмель	ХА	Медь М, красный или розовый	Константан (42 % Ni + +58 % Си), коричне- вый	4,10+0,16	0,52	0,21
Хремель-копель	хк	Хромель ХК, фиоле- товый или черный	Копель, желтый, оран- жевый	6,95+0,2	1,15	0,46
Железо-копель	жк	Железо ЖК, белый	То же	5,57	0,60	0,24
Медь-константан	—	Медь МК, красный или белый	Копель, желтый, оран- жевый	4,76	0,50	0,20
Вольфрам-рений	ВР5/20	Медь МК, красный или белый	Медно-никелевый (97,6 % Си+ 2,4 % Ni), синий или голубой	1,33+0,03	0,20	0,08
Вольфрам-рений	ВР10/20	То же	Медно-никелевый (98,8 % Си+1,2 % Ni)	0,97+0,02	0,10	0,04
Вольфрам-молиб- ден	ВМ	>	У1едно-никелевый (99,7 % Си+0,3 % Ni)	0,40+0,03	0,05	0,02
Вольфрам-молиб- ден	ЦНИИЧМ-1	—	—	—	0,05	0,02
ная компенсация). Равенство температур мест соединения удли-
нительных проводов и свободных концов термоэлектрического
преобразователя обязательно.
Стандартные удлинительные провода маркируются. При вклю-
чении этих проводов в цепь термоэлектрического преобразователя
необходимо соблюдать полярность, иначе при измерении возника-
ет погрешность, равная удвоенной погрешности, которую стара-
лись устранить с помощью удлинительных проводов. Промышлен-
ность выпускает удлинительные провода в виде скомплектованно-
го (двухжильного) провода с различным цветом оболочек каж-
дой жилы. Основные сведения об удлинительных проводах
приведены в табл. 4.4.
§ 4.6.	Конструкция и типы термоэлектрических преобразователей
Для защиты от механических повреждений и воздействия сре-
ды, температура которой измеряется, электроды термоэлектриче-
ского преобразователя в изоляции помещаются в специальную за-
щитную арматуру. Защитная арматура выпускаемых серийно тер-
мопреобразователей имеет ряд характерных общих конструктив-
ных элементов.
У рабочих термоэлектрических преобразователей, конструк-
тивная схема которых приведена на рис. 4.7, защитная арматура
состоит из защитной гильзы 1, неподвижного
2 или подвижного штуцера с сальниковым
уплотнением и головки 4, соединенной с не-
подвижным штуцером с помощью трубки 6
или непосредственно с гильзой при подвижном
штуцере. В головке, снабженной крышкой 5
с сальниковым уплотнением, помещена розет-
ка 3 из изоляционного материала с зажим-
ными клеммами 7 для подключения термо-
электродов и термоэлектродных проводов для
подключения термопреобразователя к изме-
рительному прибору. Длина погружаемой
(монтажной) части термопреобразователя в
среду, температура которой измеряется, вы-
полняется различной для каждого конкретно-
го типа термопреобразователя. Существуют и
специфические конструкции термопреобразо-
вателей, применяющихся для конкретных объ-
ектов измерений.
Рис. 4.7. Конструктивная схема термоэлектрического
преобразователя
Прежде чем рассмотреть различные конструктивные формы
термоэлектрических преобразователей, целесообразно установить
общие требования, которым должна удовлетворять изоляция тер-
78
моэлектродов, защитная арматура и конструкция термопреобра-
зователей для обеспечения надежной их работы. Эти требования
в основном сводятся к следующему.
1.	Должно быть обеспечено изготовление надежного спая ра-
бочего конца термопреобразователя.
2.	Необходимо обеспечить надежную электрическую изоляцию
термоэлектродов преобразователя.
3.	Защитную арматуру, придающую термоэлектрическому пре-
образователю механическую стойкость, следует выбирать с уче-
том параметров среды, ее свойств и условий измерения темпера-
туры. Защитная гильза должна быть газонепроницаемой, нечув-
ствительной к воздействию термоударов. Материал защитной
гильзы не должен загрязнять термоэлектроды преобразователя в
интервале измеряемых температур.
4.	Конструкция арматуры термоэлектрического преобразовате-
ля должна быть такой, чтобы его электроды не находились в ме-
ханически напряженном состоянии, так как при этих условиях
они быстрее изменяют первоначальные термоэлектрические свой-
ства.
5.	Конструкция термоэлектрических преобразователей для из-
мерения средних й высоких температур различных сред должна
обеспечивать возможность в условиях эксплуатации свободно из-
влекать электрически изолированные термоэлектроды из защит-
ной гильзы для их поверки, а в случае необходимости — осуще-
ствлять и их замену.
6.	Конструкция гильзы термоэлектрических преобразователей
для измерения низких температур должна обеспечивать ее гер-
метичность.
7.	Конструкция термоэлектрических преобразователей повы-
шенной точности должна обеспечивать возможность термостати-
рования свободных концов.
8.	Необходимо, чтобы материал защитной гильзы обладал хо-
рошей теплопроводностью в зоне крепления спая чувствительно-
го элемента (термопары), конструкция термоэлектрического тер-
мопреобразователя должна быть компактной, иметь минималь-
ную массу.
9.	Зазоры между рабочей частью термоэлектродов и изоляци-
ей, а также между изоляцией и защитной гильзой должны быть
минимальными. Спай рабочего конца должен иметь хороший теп-
ловой контакт с защитной гильзой. Это обстоятельство определя-
ет инерционность термопреобразователя.
Рабочий конец термоэлектрического преобразователя можно
выполнять методом сварки, пайки или скрутки. Пайку применя-
ют в специальных случаях, например, при изготовлении малога-
баритных термопреобразователей (диаметр термоэлектродов
0,05—0,2 мм) для получения рабочего конца плоской формы,
обеспечивающего надежный тепловой контакт с объектом измере-
ния. Скрутку рабочего конца часто применяют для термоэлект-
рических преобразователей вольфрамрениевой и вольфраммолиб-
деновой групп.
Наибольшее распространение получил способ изготовления
спая с помощью сварки. Сварку термоэлектродов производят как
с предварительной скруткой термоэлектродов, так и без нее. Не
рекомендуется делать скрутку более двух оборотов, так как при
большом числе оборотов спай термопары может фактически на-
ходиться не в месте сварки, а в том месте скрутки, где термоелек-
троды расходятся. Это может привести к значительным погреш-
ностям, не поддающимся учету при измерении температуры.
Существуют конструктивные варианты, при которых рабочий
спай изготовляется с помощью приварки электродов к защитной
гильзе термопреобразователя, что позволяет уменьшить инерци-
онность термопреобразователя, но не обеспечивает возможность
замены, в случае необходимости, термоэлектродов преобразова-
теля. Это является недостатком, поскольку, как правило, арма-
тура термопреобразователя имеет значительно больший срок
службы, чем его те_рмоэлектроды.
Для электрической изоляции электродов термоэлектрических
преобразователей, предназначенных для измерения температур
до 1300 °C, применяют одноканальные и двухканальные бусы или
трубки из специального фарфора. Для термоэлектрических пре-
образователей в диапазоне 1300—1900 °C используют бусы или
трубки из окиси алюминия (АЮ3) и другие керамические изоля-
торы. Наиболее перспективна окись бериллия, так как она не
теряет массу при работе в вакууме до температуры 2000°C, не
взаимодействует с водородом, азотом и окисью углерода и наибо-
лее стабильна при работе в воздухе при высокой температуре.
Однако применение окиси бериллия в термометрии ограничива-
ется ее токсичностью.
Как было указано в § 4.5, термопреобразователи, изготовлен-
ные из тугоплавких металлов и сплавов, не предназначены для
работы в агрессивных средах, в особенности содержащих кисло-
род и углерод. Для устранения этого недостатка применяют с од-
новременным обеспечением электрической изоляции различные
способы защиты термоэлектродов: плотное герметичное соедине-
ние термоэлектродов с защитной арматурой путем вплавления
термопары в высокоогнеупорный материал, в частности, кварце-
вое стекло, а также покрытие термоэлектродов тугоплавкими со-
единениями, например, нитридом алюминия.
Следует отметить, что обеспечение электрической изоляции при
высоких температурах очень сложный процесс. Так, в настоящее
время считается, что нет ни одного материала, пригодного для
изготовления электроизоляторов при температуре выше 2400°C.
В качестве защитной гильзы при высоких температурах ис-
пользуются трубки из тугоплавких металлов и их сплавов или
чехлы из тугоплавких окисей (карбитов, боридов, нитридов). Наи-
большее распространение получили трубки из вольфрама и его
сплавов с рением, молибденом, танталом, а также чехлы из окиси
алюминия, фарфора, кварца.
S9
До температуры 1300°C успешно используется защитная ар-
матура из сплава ХН45Ю.
Защитные гильзы термопреобразователей, предназначенных
для измерения температуры в диапазоне от —50 до 600°C изго-
товляют из стали марок ОХ13, Х18Н10Т и других, а при повыше-
нии температурного диапазона до 900°С — из стали марки
ОХ20Н14С2.
Перспективна технология изготовления термопреобразовате-
лей в виде термопарного кабеля, так называемых бронированных
Рис. 4.8, Конструкция кабельного термоэлектрического преобразователя:
а, б — с изолированным и неизолированным рабочими спаями; в — выводы термоэлектродов
для кабельных преобразователей диаметрами 1,0 и 1,5 мм
или кабельных термопреобразователей (рис. 4.8). В СССР серий-
но выпускаются термоэлектродные кабели типа КТМС в стальной
оболочке с термоэлектродными жилами из хромеля, копеля и алю-
меля со статическими характеристиками типа ХА68 и ХКев, при-
меняющиеся для изготовления термопреобразователей по ГОСТ
23847—79.
Были изготовлены опытные вольфрамрениевые термопреобра-
зователи кабельного типа в молибденовой оболочке с изоляцией
из окиси магния и нитрида бора, которые показали хорошие стой-
кость и стабильность при температуре 1800°C в вакууме и инерт-
ной среде. Конструкция термоэлектрического преобразователя в
большей степени определяется способом его контакта со средой,
температура которой измеряется. По способу контакта термопре-
образователи разделяются на погружаемые и для измерения тем-
пературы поверхности.
6-1973
81
» ТАБЛИЦА 4.5
Тип преобразо- вателя	Назначение	Градуировка
ТПР-0679-1	Измерение температуры воздуха и инертных га- зов	пп68
ТПЙ-Ш5	Измерение температу- ры окислительных и ней- тральных сред	пп68
ТПР-0679	То же	ПР30/668
ТПР-0779	Измерение температу- ры водорода, окиси уг- лерода, паров воды	ПР30/668
ТПР-14ММ	Измерение температу- ры расплавленного ме- талла	ПР30/668
ТВР-251	Кратковременное изме- рение температуры в водородных электро- печах	вр-о/го-'е, ВР-5/20-268 ВР-5;20-36=
ТХА-0279-01	Измерение температу- ры газообразных и жид- ких неагрессивных сред	ха68
ТХА-2174	Измерение циклически меняющейся	(нагрев- охлаждение) и стацио- нарной температуры в газо- и паротурбинных установках	ХАбз
	Пределы измере- ния, °C	Показатель тепловой инерции, с	Максималь- ное условное Давление, МПа	Исполнение по ус- тойчивости к меха- ническим воздей- ствиям по ГОСТ 17167—71
	0—1300	5	Не нормиро- вано	Исполнение 1
	0 1300	40	То же	То же
	300—1600	40	»	
	300—1600	180		»
	1300—1800	5	»	—
	100—1800	40	—	Исполнение 1
	от —50 до +1000	Не норми- ровано	—	Исполнение 1
	0—600	3; 15	0,4;32	Исполнение 3
	0—900	3; 15	16; 64	То же
съ »	ПРОДОЛЖЕНИЕ		
	Тип преобразо- вателя	Назначение	Градуировка
	ТХА-0515	Измерения температу- ры газообразных и жид- ких неагрессивных сред	ха68
	ТХА-410	Измерение температу- ры выхлопных газов в двигателях внутренне- го сгорания	ха68
	ТХА-1449	Измерение температу- ры жидких, твердых и газообразных сред в энер- гетических установках	ха68
	ТХК-0379-04	Для измерения темпера- туры батонов, колбас и других пищевых изделий в камерах обжарки	ХК.68
	ТХК-0579	Для измерения темпера- туры нефтепродуктов	ХК.68
0® Со			
Пределы измере- ния, °C	Показатель тепловой инерции, с	Максималь- ное условное давление, МПа	Исполнение по ус- тойчивости к меха- ническим воздей- ствиям по ГОСТ 17167—71
от —50 до +600	10; 20; 40	6,4	Виброустойчивый
0—800	60	10	ВС, ВП ударо- прочный
0—800	5	0,4	—
От —50 до +200	5	0,6	Исполнении 1, 2
От —50 до +520	180	—	То же
Погружаемые термопреобразователи предназначены для изме-
рения температуры жидких и газообразных сред. В табл. 4.5 при-
ведены характеристики некоторых основных типов погружаемых
термопреобразователей, серийно выпускаемых промышленно-
стью. Конструктивные формы погружаемых термопреобразовате-
лей разнообразны.
Для измерения температуры поверхности применяют перенос-
ные и стационарные термопреобразователи из медных, железных,
копелевых и константановых термоэлектродов в форме ленты.
Стационарные термоэлектрические преобразователи для изме-
рения температуры поверхности очень часто в целях повышения
надежности изготовляют в металлических чехлах.
В настоящее время выпускаются серийно термоэлектрические
преобразователи для измерения температуры поверхностей пяти
типов (табл. 4.6).
На рис. 4.9 приведена конструкция поверхностного термоэлек-
трического преобразователя типа ТХА-1479. Чувствительный эле-
мент 5 изготовлен из термоэлектродов диаметром 1,2 мм, изоли-
рованных друг от друга по всей длине керамическими изоляторами.
Свободное пространство между защитной арматурой и изо-
ляторами заполнено порошком безводной окиси алюминия. Сво-
бодные концы подсоединены к контактам, причем хромелевый тер-
моэлектрод присоединен к контакту, обозначенному знаком « + ».
Для предохранения от механических повреждений и загрязнений
термоэлектроды помещены в защитную арматуру, состоящую из
ТАБЛИЦА 4.6
Тип преобразова- теля	Назначение	Градуи- ровна	Преде- лы изме- рения, °C	Пока- затель теп- ловой инер- ции, с	Устой- чивость к меха- ническим воздейст- виям по ГОСТ 17167—71
ТХА-1479	Измерение температу- ры поверхностей	ХАбв	0—400; 0-750	60	Исполне- ние 1
ТХК-1479	То же	ХКб8	0—400; 0—600	60	То же
ТХК-582	Измерение температу- ры предельной машины и нагревателя утюга ма- шины горячей вытяжки	ХК88	0—300	5	
ТП-1	Измерение температу- ры металлических по- верхностей	ХКб8	50—400	5	»
тхкп-xvm	Измерение температу- ры поверхности твердых тел в промышленных ус- ловиях	ХКб8	0—400	40	Исполне- ние 2
84
стальной трубы (сталь марки 12Х18Н10Т) с приваренной на кон-
це втулкой. Во втулку вварен рабочий конец термопреобразовате-
ля. Торцевая поверхность втулки с вваренным рабочим концом
термопреобразователя с помощью штуцера крепления 4, пружины
и кольца крепится к поверхности объекта измерений. На проти-
воположном конце защитной трубы имеется втулка корпуса го-
Рис. 4.9. Конструкция поверхностного термоэлектрического пре-
образователя типа ТХА-1479
ловки, в которую запрессованы контакты. К контактам подсоеди-
нены компенсационные или удлинительные провода, выведенные
наружу аз головки термопреобразователя <3 с крышкой 2 через
сальниковое уплотнение со штуцером 1.
Для измерения температуры вращающихся поверхностей при-
меняют термопреобразователи ДТВ, прин-
цип работы которых основан на измере-
нии температуры пограничного слоя воз-
духа на близком расстоянии (~0,2 мм)
около нагретой поверхности вращающегося
тела.
В НПО «Термоприбор» для измерения
температуры рабочих валков прокатных
станов диаметром 400 и более мм разрабо-
тан термопреобразователь ДТВ-074 (рис.
4.10). Приемной поверхностью, разогрева-
емой воздухом до температуры движущих-
ся валков, является тонкостенная чашка 1,
запрессованная в изоляционную плату. У
внутренней поверхности чашки припаяна
хромель-копелевая термопара 3 из прово-
локи диаметром 0,2 мм. Приемная поверх-
ность окружена двумя тепловыми экранами
2. Для уменьшения погрешности теплоот-
вода применяют регулируемый электриче-
Рис. 4.10. Схема термо-
электрического поверх-
ностного преобразовате-
ля типа ДТВ-074
85
ский нагрев защитного корпуса до температуры, близкой к тем-
пературе объекта измерений.
Диапазон измерения температур 30—150°C при линейной ско-
рости вращения поверхности валков до 35 м-с-1.
Для измерения температуры неподвижных поверхностей при-
меняют также пятачковые, штыковые и лучковые термопреобра-
зователи.
§ 4.7.	Измерение ТЭДС термопреобразователя
с помощью милливольтметров
Для измерения ТЭДС термоэлектрических преобразователей
широко применяют милливольтметры, в частности, магнитоэлек-
трического типа. Принцип действия магнитоэлектрических милли-
вольтметров основан на взаимодействии магнитного поля посто-
янного магнита и подвижной катушки (рамки) при протекании в
ней постоянного тока,
6
обусловленного ТЭДС преобразователя.
Основными элементами милливольтмет-
ра (рис. 4.11) являются постоянный маг-
нит 4, неподвижный железный сердеч-
ник 3 и подвижная рамка 1 в форме пря-
моугольника, выполненная из нескольких
десятков или сотен витков тонкой изо-
лированной медной проволоки. Рам-
ка укрепляется по центру сердечни-
ка на кернах и жестко связана со
стрелкой 2, конец которой перемещает-
ся по шкале 6 прибора. Вся подвижная
система прибора (рамка, стрелка и др.)
Рис. 4 11. Схема магнитоэлектрического милли-
вольтметра
балансируется с помощью противовесов 5 так, чтобы центр тяже-
сти ее совпадал с геометрической осью вращения. Рамка под-
ключается к электрической цепи, в которой измеряется ТЭДС, с
помощью спиральных пружинок или растяжек. Растяжки или пру-
жины создают упругий момент вращения, противодействующий
моменту вращения, возникающему при взаимодействии магнит-
ного поля постоянного магнита и рамки с током. Известно, что в
этом случае угол поворота рамки tp определяется уравнением:
Ф--=С0«,	(4.11)
где Со — постоянный коэффициент пропорциональности для дан-
ной конструкции прибора; i — сила тока, протекающего по рам-
ке, А.
Чтобы определить ТЭДС, развиваемую термоэлектрическим
преобразователем, необходимо знать общее сопротивление изме-
8б
рительной цепи, состоящее из сопротивлений милливольтметра
/?г и сопротивления внешней цепи /?вн-
Тогда сила тока
(4.12)
/== £(/i, М
Rr Г I
Таким образом, угол поворота рамки милливольтметра ср яв-
ляется функцией ТЭДС Е (Е, /2) термопреобразователя.
В общем случае зависимость угла поворота рамки можно вы-
разить как функцию нескольких величин:
ср = ж, ЯВ1, Е).	(4.13)
В реальных условиях сопротивление милливольтметра Rr и
внешней цепи 7?ВГ1 могут значительно изменяться при изменении
их температуры. Эти изменения могут явиться причиной откло-
нений показаний прибора от действительных значений. Для умень-
шения изменений показаний прибора, вызываемого отклонением
температуры окружающей среды от нормальной (25±10)°С, по-
следовательно с медной обмоткой рамки Rp измерительного ме-
ханизма (ИМ) включают добавочное сопротивление 7?д из манга-
нина. Температурный коэффициент манганина очень мал (0,6Х
Х10~5 К-1)- Таким образом, значение сопротивления практически
не будет изменяться при изменении температуры, а температур-
ный коэффициент милливольтметра значительно уменьшится.
Измерительные механизмы милливольтметров. Наиболее рас-
пространены измерительные механизмы с внешним магнитом, в
зазоре между полюсами которого установлена подвижная рамка,
снабженная легкой алюминиевой стрелкой для отсчета показа-
ний. Подвижная часть измерительного механизма может быть ус-
тановлена на кернах или на растяжках.
Милливольтметры с подвижной частью на кернах разделяются
на £ве подгруппы: с вертикальной и горизонтальной осью. Они
конструктивно оформляются в виде приборов показывающего ти-
па. Чаще всего используются приборы с вертикальной осью. Мил-
ливольтметры с подвижной частью на растяжках конструктивно
оформляются в виде показывающих и самопишущих приборов.
В зависимости от назначения милливольтметры подразделя-
ются на стационарные и переносные.
Переносные милливольтметры, предназначенные для работы с
термоэлектрическими преобразователями, градуированы либо
только в милливольтах, либо в единицах температуры и милли-
вольтах.
Стационарные, показывающие и самопишущие милливольтмет-
ры, предназначенные для работы со стандартными термоэлектри-
ческими преобразователями, изготовляются с одной шкалой, от-
градуированной в единицах температуры для данной градуировки
термопреобразователя. Пределы измерений этих приборов долж-
ны соответствовать ГОСТ 9736—80.
Самопишущие милливольтметры применяются для измерения
87
и записи температуры в одной или в нескольких точках (2—6).
Одноточечные самопишущие милливольтметры могут быть выпол-
нены с двух- или трехпозиционным регулирующим устройством,
которое может быть использовано также и для сигнализации тем-
пературы.
мо учитывать
Отечественной промышленностью выпускается ряд самопишу-
щих милливольтметров (Н3009, Н399 и др.), класс точности ко-
торых 1,5.
При измерении ТЭДС с помощью милливольтметра необходи-
собственное потребление мощности прибором. На
рис. 4.12 приведена электрическая схема милли-
вольтметра с подключенным к нему термоэлектри-
ческим преобразователем. Как следует из схемы,
ток, протекающий в измерительной цепи
/=	(4.14)
Рм И- /?тп Т Rt 4~ Ry
где EAB(ti, tz) —ТЭДС, развиваемая термоэлектри-
ческим преобразователем, В; /?м— внутреннее
сопротивление милливольтметра при температуре
20 °C, Ом; /?тп — сопротивление удлиняющих тер-
моэлектродных проводов при температуре 20°C,
Ом; 7?т — сопротивление термоэлектрического пре-
образователя при температуре 20 °C, Ом; —
значение подгоночного манганинового сопротивле-
ния, Ом.
Рис. 4.12. Электрическая схема милливольтметра с подллю-
ченным термоэлектрическим преобразователем
Сопротивление внешней электрической цепи милливольтметра
в данном случае
R-вл — R? + Rrn + Ry + Rn,
где Ru — сопротивление медных проводов при 20°C, Ом.
Напряжение на зажимах милливольтметра
uM = !Rn.
Подставив в формулу (4.14) значение тока / из (4.12) и с уче-
том (4.13) получаем:
(4.15)
Rm 4- Rb.i
откуда
= Q-U^RJRm^Eab^, t2)-IRBB. (4.16)
Таким образом, напряжение на зажимах милливольтметра
всегда меньше, чем ТЭДС, развиваемая термоэлектрическим пре-
образователем, на значение, равное падению напряжения во
88
внешней цепи. Падение напряжения тем меньше, чем больше внут-
реннее сопротивление милливольтметра по сравнению с его внеш-
ним сопротивлением, т. е. чем меньше отношение RBh/Rm- Поэтому
внутреннее сопротивление милливольтметра делается достаточно
большим.
Пользуясь формулой (4.16), можно рассчитать погрешность
измерения ТЭДС с помощью милливольтметра, обусловленную
потреблением милливольтметром мощности при протекании в из-
мерительной цепи тока /.
§ 4.8.	Измерение ТЭДС компенсационным методом
Как было указано в § 4.7, измерение ТЭДС термопреобразо-
вателя непосредственно милливольтметром по силе тока в цепи
постоянного сопротивления имеет ряд недостатков, снижающих
точность измерения.
Более точными являются компенсационные методы измерения,
заключающиеся в уравновешивании (компенсации) измеряемой
ЭДС известным напряжением, получаемом от строго определен-
ного тока, называемым обычно рабочим, на сопротивлении с из-
вестным значением.
На рис. 4.13 приведена принципиальная схема компенсацион-
ного измерения ТЭДС. ЭДС термопреобразователя, равная
Д(Д/2), в этой схеме сравнивается с падением напряжения иаъ
на участке ab цепи от постороннего источника напряжения — галь-
ванического элемента (ГЭ)—эта цепь называется компенсацион-
ной. ТЭДС и падение напряжения иаь включены навстречу друг
другу.
Рис. 4.14. Упрощенная схема
потенциометра с постоянной
силой рабочего тока
Рис. 4.13. Принципиальная схема компенсаци-
онного измерения ТЭДС
Значение иаъ можно изменять двумя методами: поддерживая
постоянной силу рабочего тока /р в компенсационной цепи и из-
меняя значение R'K переменного сопротивления RK на участке ab\
89
сохраняя сопротивление постоянным и изменяя силу тока /р в
компенсационной цепи.
Рабочий ток /р измеряется миллиамперметром mA и изменя-
ется сопротивлением /?р. Значение компенсационного сопротивле-
ния R'K определяется по положению подвижного движка или ру-
кояток магазина сопротивлений.
Если E(ti,t2), развиваемая термоэлектрическим преобразова-
телем, не равна падению напряжения иаъ, то в цепи термопреоб-
разователя возникает ток, обнаруживаемый по отклонению стрел-
ки гальванометра G. Изменяя сопротивление RK или рабочий ток
/Р, добиваются равенства £(7Ъ/2) и иаь. В случае компенсации
(уравновешивания) этих напряжений тока в цепи термопреобра-
зователя не будет, и стрелка гальванометра установится на нуле.
Значение ТЭДС в этом случае определяется по зависимости:
W.	(4.17)
В большинстве практических случаев обычно принимают по-
стоянным рабочий ток /р, тогда ТЭДС пропорциональна одной
величине — электрическому сопротивлению R'K.
Рассмотренный компенсационный метод измерения ТЭДС по-
ложен в основу принципа действия приборов, называемых потен-
циометром с постоянной силой рабочего тока. Сила тока в ком-
пенсационной цепи (контуре) потенциометра пропорциональна
напряжению Е гальванического элемента, которое, как известно,
с течением времени уменьшается. Поэтому для поддержания по-
стоянной силы рабочего тока /р необходимо периодически конт-
ролировать его значение с помощью стандартной меры электро-
движущей силы — нормального элемента. В последние годы вме-
сто гальванических источников питания получили широкое рас-
пространение стабилизированные электронные источники пита-
ния (напряжения или тока).
Основное преимущество компенсационного метода измерения
ТЭДС, по сравнению с непосредственным, например, с помощью
милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в
цепи термопары равен нулю. Это означает, что сопротивление
внешней цепи не влияет на погрешность измерения: никакой под-
гонки сопротивления внешней цепи производить не надо и нет
необходимости учитывать влияние температуры окружающей сре-
ды на сопротивление внешней цепи.
Нормальные элементы (НЭ), применяемые в качестве меры
электродвижущей силы, характеризуются большим постоянством
(стабильностью) развиваемой ими ЭДС. Изготовляют два типа
нормальных элементов — насыщенные (более высокой точности)
и ненасыщенные.
Основные технические характеристики НЭ, изготовляемых по
ГОСТ 1954—75, приведены в табл. 4.7. Следует отметить, что НЭ
очень чувствительны к перегрузкам. Так, насыщенные НЭ нельзя
даже кратковременно, в течение 1 мин, нагружать током более
1 мкА, а ненасыщенные — более 10 мкА.
90
Потенциометры переносные и лабораторные с постоянной си-
лой рабочего тока широко применяются в практике температур-
ных измерений. В компенсационную цепь схемы (рис. 4.14) вклю-
чены Др— регулировочное сопротивление; ИП — источник пита-
ния (гальванический элемент, батарея или стабилизированный
источник питания); RK— регулируемое компенсационное сопро-
тивление (магазин сопротивлений); Ri — контрольное сопротив-
ление для установки рабочего тока /р.
ТАБЛИЦА 4 7
Тип НЭ	Класс	Значение ЭДС 20°	при температуре С, В	Нестабильность ЭДС. ие бол-ее, мкВ		Рабо- чая тем-
	точно- сти	при выпуске из производства	при эксплуа- тации	за 1 год	за 3 го- да	пература, °C
Насыщен- ный	0,0005 0,001 0,002 0,005	От 1,018590 до 1,018700	От 1,018540 до 1,018730	5,0 10,0 20,0 50,0	1,0 2,0 4,0 10,0	19-21 18-22 18—24 10-40
Ненасыщен- ный	0,002 0,005 0,01 0,02	От 1,019000 до 1,019600	От 1,018800 до 1,019600	20,0 50,0 100,0 200,0	4,0 10,0 20,0 40,0	10—40 10—40 5—40 5—40
Переключателем П можно нулевой прибор (гальванометр) НП
включать в цепь НЭ или в цепь термоэлектрического преобразо-
вателя £ (ДДг). В реальных схемах потенциометров для предох-
ранения их от случайных перегрузок большим током включают
последовательно с ним балластное сопротивление (на рисунке
не показано).
Для установления определенного значения рабочего тока /р
переключатель П устанавливают в положение К. При этом НЭ
вместе* с последовательно подключенным нулевым прибором НП
оказывается переключенным к зажимам а и b контрольного со-
противления R]
Ток /р в компенсационной цепи (контуре) регулируется резис-
тором Rv до тех пор, пока падение напряжения на сопротивлении
Ri не станет равным ЭДС нормального элемента £нэ.
При выполнении этого условия указатель нулевого прибора
установится на нулевой отметке шкалы, и имеет место равенство:
£нэ = Д/?/,	(4.18)
при этом	/р£н(4.19)
После установки рабочего тока /р переключатель П возвра-
щают в среднее положение, а значение сопротивления RK уста-
навливают в положение, приблизительно соответствующее изме-
91
ряемому значению ТЭДС. Затем переключатель П переводят в
положение И, при котором термоэлектрический преобразователь
включается в цепь с компенсационным сопротивлением RK и ну-
левым прибором НП. Регулируя сопротивление R'K, добиваются
равенства значений ТЭДС преобразователя E(ti,tz) и компенси-
рующего напряжения на части R'K сопротивления RK. При этом
показание прибора ИП равно нулю.
Таким образом,
E(tlt t2) = IpRK'_	(4 20)
С учетом формулы (4.19), получаем:
•/?/=-(4 21)
«г	*1
где m=R'K/RK.
Компенсационное измерение ТЭДС имеет следующие основные
преимущества: отсутствие в момент измерения тока в цепи термо-
преобразователя, т. е. ТЭДС не искажается; отсутствие тока че-
рез измерительный прибор. Это обстоятельство обусловливает
только необходимость высокой чувствительности по напряжению
Си нулевого прибора НП (а не его точности). Действительно, в
момент компенсации стрелка прибора не отклоняется, при этом
\Е=Е —IvmRi^Cu. Значение определяет погрешность
измерения ТЭДС Е (Ц, tz).
Точность отсчета компенсирующего устройства зависит от точ-
ности установки рабочего тока /р и точности отсчета компенсаци-
онного сопротивления mRK.
Для измерения ТЭДС в лабораторных условиях в зависимо-
сти от предъявляемых требований к точности применяются по-
тенциометры классов точности 0,005; 0,015; 0,02 и 0,05 по ГОСТ
9245—79. К таким потенциометрам относятся потенциометры, на-
пример, типа Р-363 (класс точности 0,001—0,005 в зависимости
от модификации), Р-368 (класс точности 0,02), ПП-63 (классточ-
ности 0,05).
Автоматические потенциометры от лабораторных и перенос-
ных отличаются тем, что операции регулирования компенсирую-
щего напряжения и, следовательно, уравновешивания измеряемой
ТЭДС производятся не вручную, а автоматически перемещени-
ем движка по калиброванному реохорду с помощью непрерывно
действующего следящего устройства.
Блок-схема автоматического потенциометра приведена на рис.
4.15. В случае равенства ТЭДС преобразователя E(ti,tz), ком-
пенсирующему напряжению UK, механизм следящей системы по-
тенциометра находится в покое. При наличии разности между эти-
ми значениями на усилительное устройство потенциометра пода-
ется сигнал разбаланса. Сигнал усиливается, преобразуется в
электрический сигнал переменного тока и поступает на реверсив-
ный двигатель, который устанавливает движок реохорда в поло-
92
жение, соответствующее полной компенсации ТЭДС термопреоб-
разователя. Положение движка, эквивалентное значению изме-
ряемой температуры, фиксируется при этом указателем-кареткой
на шкале потенциометра или на диаграммной ленте Д (указа-
тель-каретка связан с движком реохорда). Привод механизма
движения диаграммной ленты осуществляется синхронным двига-
телем, а в многоточечных приборах
этот двигатель, кроме того, приво-
дит в действие печатающее устрой-
ство каретки.
Автоматические потенциомет-
ры— это технические общепромыш-
ленные приборы высокой (класс
0,25)средней (класс 0,5; 1,0) и Рнс 415 Блок
-схема автоматиче-
низкои точности (класс 1,5 и ни- ского потенциометра
же).
Потенциометры с ленточной диаграммой выпускаются как од-
ноточечными, так и многоточечными для измерения и записи тем-
пературы в нескольких (двух, трех, шести и двенадцати) точках.
Многоточечные приборы снабжаются кареткой с печатающим ме-
ханизмом для многоцветной или одноцветной записи и двухпо-
люсным переключателем, автоматически подключающим к изме-
рительной схеме поочередно все подключенные к потенциометру
термопреобразователи.
Динамические характеристики (быстродействие) определяют-
ся временем прохождения указателем всей шкалы. По этой харак-
теристике потенциометры классифицируются как быстродейству-
ющие (время прохождения 0,15 и 0,25—0,5с), среднего (время
прохождения 1; 2,5; 5; Юс) и низкого быстродействия (время
прохождения более 10 с).
В зависимости от назначения автоматические потенциометры
градуированы в градусах Цельсия или в единицах напряжения,,
обычно в милливольтах. При применении потенциометров с тем-
пературной шкалой необходимо иметь в виду, что их шкала дей-
ствительна только для указанной на шкале градуировки (ХА,
ХК и т. п.), а следовательно, и для определенного термоэлектри-
ческого преобразователя.
Принципиальные схемы автоматических потенциометров. Вы-
пускаемая отечественной промышленностью широкая номенкла-
тура автоматических потенциометров соответствует требованиям
ГОСТ 7164—78, а их принципиальные схемы имеют много общих,
в т. ч. унифицированных узлов.
Принципиальная электрическая схема многоканального элект-
ронного автоматического потенциометра приведена на рис. 4.16.
На схеме Rp— сопротивление реохорда, уравновешивающего из-
мерительную схему, a Rm— шунт реохорда, служащий для под-
гонки его сопротивления до заданного нормированного значе-
ния RpH-
93-
Сопротивление Rs определяет нижний предел измерения или
начало шкалы; Rn—верхний предел измерения или конец шкалы.
Сопротивления гв и гп— подгоночные; выполнены в виде спиралей
и представляют собой части сопротивлений /?н и Rn, намотанных
на каркасы катушек, как и все сопротивления измерительной
схемы.
Рнс. 4.16 Схема принципиальная электрическая автоматического многоканаль-
ного потенциометра КСП4
При изменении температуры свободных концов термоэлектри-
ческого преобразователя на значение &t ТЭДС изменяется назна-
чение ДД что вносит погрешность в показания прибора. Для ав-
томатической компенсации влияния изменения температуры сво-
бодных концов введено сопротивление RM, выполненное из мед-
ной проволоки. Сопротивление Ra введено для ограничения тока
в измерительной схеме; Rc является плечом моста компенсацион-
ной схемы и одновременно служит для проверки наличия тока в
схеме; /?рт ограничивает ток в цепи источника питания. Перемен-
ное сопротивление R'pt служит для установки значения рабочего
тока в измерительной схеме.
94
Питание измерительной схемы стабилизированное, осуществ-
ляется от источника ИПС, который питается от обмоток транс-
форматора усилителя У напряжением 6,3 В и дает стабилизиро-
ванное напряжение 5 В при токе 5 мА.
Термоэлектрические преобразователи присоединяются к изме-
рительной схеме потенциометра через многоточечный двухполюс-
ный переключатель П, с помощью которого осуществляется по-
очередное периодическое подключение преобразователей к точ-
кам с и f и через RC-фильтры к точкам a, b, с, d компенсацион-
ной измерительной схемы, составленной из сопротивлений Rr„ Rmt
Rn, Rn, rn, Ra, Rm, RPt, R'pr и входов 1—3 усилителя У.
Автоматический потенциометр работает следующим образом.
Изменение сигнала термопреобразователя, т. е. его ТЭДС, вызы-
вает подачу этого сигнала в измерительную схему и на вход уси-
лителя У, от которого выходное напряжение подается на обмотку
управления (клемма 3—5) исполнительного двигателя Ml типа
РД-09. Обмотка возбуждения двигателя питается от сети пере-
менного тока напряжением 220 В через предохранитель Пр, вы-
ключатель К1 и фазосдвигающие конденсаторы С1 и С2 емко-
стью 0,5 мкФ. Ротор реверсивного двигателя вращается в ту или
другую сторону и перемещает движок реохорда до наступления
равновесия в компенсационной измерительной схеме.
Для проверки в схеме постоянства рабочего тока к зажимам
1, 2 клеммной панели внешнего подключения нормального эле-
мента (НЭ) необходимо подключить образцовый потенциометр I
или II класса. Если напряжение на этих зажимах выходит за
пределы 1,019 В±0,3 мВ, то следует установить рабочий ток с по-
мощью переменного сопротивления R'pt.
В потенциометрах КСП4 для уменьшения электрических по-
мех в цепи термопреобразователей на входе прибора включены
многозвенные Г- или Т-образные фильтры. Синхронный двигатель
М2 тиц$ СД-54 питается от сети переменного тока напряжением
220 В через конденсаторы СЗ, С4 и включается с помощью пере-
ключателя К2. Одноточечные потенциометры КСП4 снабжены схе-
мой дистанционной передачи показаний и позиционным регули-
рующим устройством.
Кроме рассмотренного автоматического потенциометра типа
КСП4 с широкой диаграммной лентой (длина шкалы и ширина
поля записи соответственно 280 и 250 мм) в промышленности на-
шли применение малогабаритные автоматические потенциометры
(с длиной шкалы и шириной поля записи 210 и 150 мм). К ним от-
носятся, в частности, малогабаритные отечественные приборы ти-
па КСП2, габаритные размеры которых почти в 2 раза меньше,,
чем у потенциометров К.СПЗ при высоких метрологических харак-
теристиках (основная погрешность по показаниям не превыша-
ет ±0,5 %, а по записи ±1 %).
Основные сведения об источниках стабилизированного питания
(ИПС). ИПС используются в современных моделях автоматиче-
ских потенциометров вместо ранее применявшихся сухих элемен-
95
тов с ограниченным сроком годности. Применение стабилизиро-
ванного источника питания исключает необходимость в нормаль-
ном элементе и механизме установки рабочего тока. Это значи-
тельно упрощает кинематику механизма и повышает надежность
эксплуатации прибора.
На рис. 4.17 приведена электрическая принципиальная схема
источника питания ИПС, применяемого в автоматических потен-
циометрах типа КСП, КПП и др. Он состоит из трансформатора
Тр\ мостового выпрямителя Д1 — Д4; Г-образного фильтра (С1,
С2, R1); стабилитрона Д5 типа Д814; медного резистора R2 и со-
противлений R3, R4 и R5.
Рнс. 4.17. Принци-
пиальная электри-
ческая схема ис-
точника питания
стабилизнрованно-
ного (ИПС)
Первичная обмотка трансформатора Тр питается переменным
током частотой 50 Гц, напряжением 6,3 В. Для уменьшения по-
мех из сети обмотки трансформатора экранированы. Напряжение
6,3 В повышается трансформатором, выпрямляется и стабилизи-
руется стабилитроном Д5. Поскольку рабочая характеристика ста-
билитрона зависит от температуры окружающей среды, то для
температурной компенсации его параметров используется медный
резистор R2, каркасом для которого служит корпус стабилитрона.
Делитель, состоящий из сопротивлений R4 и R5, предназначен
для увеличения коэффициента стабилизации. Сопротивление R5
служит для согласования выхода ИПС с нагрузкой, сопротивле-
ние которой Rn равно 1000 Ом. Выходное напряжение источника
питания 5 В при нагрузке 1000 Ом. Коэффициент стабилизации по
напряжению при токе нагрузки 5 мА не менее 500, что обеспечи-
вает стабильность рабочего тока в измерительной схеме с допус-
каемой погрешностью.
Основные сведения об усилителях потенциометров. В совре-
менных автоматических потенциометрах наиболее широко исполь-
зуются полупроводниковые усилители. В автоматических потен-
циометрах типа КСП применяются электронные типа УЭД или по-
лупроводниковые усилители типа УПД. В настоящее время рас-
пространены автоматические потенциометры с транзисторными
усилителями серии У1, У2 и УЗ, построенными на микроэлектрон-
ной базе.
Основные модели усилителей должны удовлетворять следую-
щим требованиям: порог чувствительности усилителей 0,1; 0,5; 1;
10 или 100 мкВ; входное сопротивление усилителей 500, 15000 или
-96
25000 Ом; выходная мощность 1,5 Вт (допускается до 10 Вт);
средний уровень шумов на выходе не более 10 % от максималь-
ного сигнала. Усилители проектируются для работы с реверсны-
ми двигателями.
Усилители серии У1 предназначены для усиления сигналов
рассогласования постоянного тока; усилители У2 и УЗ — для уси-
ления сигналов рассогласования переменного тока. Усилители
имеют агрегатно-блочное исполнение и состоят из следующих уни-
фицированных блоков: предварительного усилителя УП, оконеч-
ного усилителя УО и трансформатора Тр. Блок УП представляет
собой печатную плату с размещенными на ней элементами элек-
Рнс. 4.18. Принципиальная электрическая схема уси-
лителя предварительного УП
трической схемы. Усилитель УО выполнен на двух печатных пла-
тах. Усилители У1Т, У2Т и УЗТ изготовляются в тропическом ис-
полнении.
На рис. 4.18 приведена принципиальная электрическая схема
УП. Отличительная особенность усилителя — применение бескон-
тактного модулятора Э1. В связи с этим отпадает необходимость
в контактных вибропреобразователях ВПМ2-02, а надежность
усилителей повышается в 2 раза. Входное сопротивление усили-
телей увеличено с 500 до 1000 Ом. Электрические схемы усилите-
лей выполнены с применением микросхем и кремниевых транзи-
7—1973
97
сторов и состоят из унифицированных блоков, что обеспечивает
простое получение различных моделей и модификаций усилите-
лей. Конструкция — блочно модульного принципа.
В табл. 4.8 приведены модификации усилителей У1, применя-
ющихся в потенциометрах постоянного тока.
ТАБЛИЦА 4.8
Модификация усилителя	Коэффициент передачи на напряжения, не менее	Смещение нуля, мкВ, не более	Входное сопро- тивление, Ом, не менее	Выходное напря* жеиие при пере- рузке, мВ, ие более
У1-01 У1-017 У1-02 У1-02Т	2,2-105	5	ю8	6,8
У1-03 У1-03Г	1,0-Ю3	1000	10е	1000
Основные источники погрешностей электронных потенциомет-
ров. Погрешность электронных потенциометров, складывающаяся
из погрешности измерения и записи, подразделяются на два ви-
да — основную и дополнительную. Основная погрешность имеет
место при нормальных условиях работы потенциометра. Дополни-
тельные погрешности возникают под влиянием внешних факто-
ров при отклонении условий работы прибора от нормальных. Ис-
точниками дополнительных погрешностей, например, являются:
отклонение температуры окружающей среды от нормальной,
что приводит к изменению параметров электрической цепи прибо-
ра и механических подвижных частей;
отклонение потенциометра от его рабочего положения в ка-
ком-либо направлении;
влияние внешнего электрического или магнитного поля, нару-
шающего работу измерительной схемы, следящего устройства
и т. п.;
изменение частоты питающей сети.
Нормируемые метрологические характеристики погрешностей
измерений и записи автоматических потенциометров определя-
ются ГОСТ 7164—78 и ГОСТ 8.009—84.
Погрешность измерений А потенциометров разделяется на си-
стематическую Ас и случайную Д погрешности.
Погрешности А автоматических потенциометров характеризу-
ются: пределом Ад допускаемого значения погрешности автомати-
ческого потенциометра, математическим ожиданием М[А] и сред-
ним квадратическим отклонением о[А] погрешности автоматиче-
ского потенциометра.
Оценка основной погрешности А для автоматических потен-
циометров на практике выбирается в виде предела Ад допускаемо-
98
го значения погрешности или среднего квадратического отклоне-
ния ст[А] погрешности автоматического прибора.
Основная погрешность (в %) автоматических потенциометров
с температурной компенсацией свободных концов термопреобра-
зователя определяется по формуле
Дд = (Е - е - Ео) • 100/СЕк - Е„),	(4.22)
где Е — значение ТЭДС термопреобразователя, соответствующее
данной числовой отметке, мВ; Ео — отсчет по образцовому потен-
циометру, мВ; Ек, Еп — значения ТЭДС, соответствующие концу и
началу шкалы, мВ; е — значение ТЭДС термопреобразователя, со-
ответствующее температуре его свободных концов, мВ.
Источники основной погрешности потенциометров:
погрешность измерительных схем, в том числе: погрешность
вследствие неравномерности намотки реохордов, неодинаковых
диаметра и сопротивления по всей длине проволоки; эта погреш-
ность достигает в ряде случаев 0,13—0,15 % сопротивления рео-
хордного устройства; погрешность, вызываемая нестабильностью
элементов измерительной схемы (реохорда, катушек, сопротив-
лений и т. п.); погрешность, обусловленная неточной установкой
рабочего тока в измерительной схеме; погрешность из-за вибра-
ции деталей и элементов, особенно в цепях входных трансформа-
торов и других узлах;
погрешность отсчета и записи показаний, в том числе, погреш-
ность изготовления шкал, установки шкалы, погрешность откло-
нения стрелки потенциометра от необходимой формы и т. д.; по-
грешность записи, обусловленная несовпадением отметок шкалы
с соответствующими делениями сетки диаграммной лампы; изме-
нением размеров бумаги при изменении влажности окружающего
воздуха; неточностью механизма перемещения бумаги; запазды-
ванием записывающего устройства, вызываемым инерцией следя-
щей системы потенциометра.
§ 4.9,	Основные метрологические характеристики
термоэлектрических термометров
Погрешность термоэлектрических термометров складывается
из погрешности термоэлектрических преобразователей и погреш-
ности измерительных приборов.
Погрешность термопреобразователей состоит из: погрешности
градуировки термоэлектрического преобразователя; погрешности,
вызванной термоэлектрической неоднородностью преобразовате-
ля; погрешности вследствие отклонения градуировочной характе-
ристики стандартных рабочих термопреобразователей от стан-
дартной статистической номинальной характеристики; погрешно-
сти, обусловленной изменением температуры свободных концов
термоэлектрических преобразователей; погрешности, возникающей
из-за временной нестабильности термоэлектродов; погрешности,
обусловленной условиями измерения, например, теплоотводом по
7*
99
термопреобразователю, изменением условий теплообмена при ус-
тановке термоэлектрического преобразователя на объект измере-
ния за счет отличия коэффициентов черноты и т. п.
Погрешность градуировки (определение статической номиналь-
ной характеристики) термоэлектрического преобразователя опре-
деляется погрешностью средств поверки, например, термостата;
образцового термометра, контролирующего температуру в термо-
стате; потенциометра, применяющегося при поверке.
Кроме того, к погрешности градуировки следует отнести по-
грешность интерполяции результатов определения статистической
номинальной характеристики, значения нестабильности номиналь-
ной статической характеристики в период между поверками тер-
моэлектрического преобразователя. В этом случае абсолютную по-
грешность градуировки можно определить по формуле
Лгр = V Д2т + Д21р + Д2п + Д2н + Д„ ,	(4.23)
где Дт — погрешность термостата или печи, в которой осуществ-
ляется поверка термопреобразователя, К; ДТр'—погрешность об-
разцового термопреобразователя, применяющегося для определе-
ния температуры в термостате, К; Дп — погрешность потенциомет-
ра, регистрирующего показания поверяемого термопреобразова-
теля, К; Ди — погрешность интерполяции градуировочной кривой
(номинальной статической характеристики), К; Дн — неста-
бильность градуировочной кривой в период между поверками, К.
Термоэлектрическая неоднородность преобразователя обуслов-
лена непостоянством химического состава термоэлектродов по
длине. Это приводит к изменению значения ТЭДС и к дополни-
тельной погрешности при различной глубине погружения термо-
преобразователей в объект измерений. Значение погрешности, обу-
словленной термоэлектрической неоднородностью, может состав-
лять от десятых долей до нескольких единиц Кельвина и даже
более.
Особенно значительно влияние неоднородности на показания
низкотемпературных электрических преобразователей, поскольку
при низких температурах чувствительность преобразователя умень-
шается, а доля паразитной ТЭДС, вызванной неоднородностью,
растет. Электроды таких термопреобразователей проверяют на
неоднородность методом различного погружения по методике, из-
ложенной в ГОСТ 14894—69.
Спаи термопреобразователя с длиной термоэлектродов не бо-
лее 1 м погружают в ванну с жидким азотом или кислородом.
Глубина погружения должна соответствовать эксплуатационной.
Изменяя глубину погружения через 50 мм поочередно для каж-
дого спая по всей длине рабочей части, наблюдают за изменени-
ем ТЭДС. Развиваемая ТЭДС не должна превышать 2 мкВ для
образцовых термопреобразователей и 10 мкВ для промышленных.
Погрешность, обусловленная изменением температуры свобод-
ных концов термоэлектрического преобразователя. В § 4.4 было
отмечено, что в большинстве практических случаев температура
1С0
свободных концов термоэлектрического преобразователя если и
постоянна, то далеко не всегда равна О °C. В связи с этим необ-
ходимо вводить поправку на температуру свободных концов тер-
мопреобразователя. С целью автоматического введения поправки
в результат измерений созданы специальные устройства компен-
сации КТ. Принципиальная электрическая схема устройства КТ,
включенная в цепь термоэлектрического преобразователя, приве-
дена на рис. 4.19. Схема представляет собой равноплечий мост,
образованный сопротивлениями Rl, R2, R3 и R4, причем сопро-
тивление R1 выполнено из меди, а остальные — из манганина, т. е.
температуронезависимые. Мост питается от источника стабили-
зированного напряжения.
Рис. 4.19. Принципиальная электри-
ческая схема устройства КТ
ТАБЛИЦА 4.9
Измеряе- мая темпе- ратура, °C	Пределы основной до- пускаемой погрешности преобразователей, К	
	ТХА	ТХК
400	*3,9	*2,4
500	*4,7	*3,7
800	*1,5	*5,8
При температуре О °C мост уравновешен, напряжение на за-
жимах а и b равно нулю, а ТЭДС термоэлектрического преобра-
зователя соответствует значению по номинальной статической
характеристике E(t,tv). При изменении температуры свободных
концов термопреобразователя медное сопротивление также изме-
няет свое значение. Это приводит к нарушению равновесия мос-
та, и на зажимах а и b возникает напряжение иаъ, которое ком-
пенсирует изменение ТЭДС термоэлектрического преобразователя,
вызванное изменением температуры свободных концов.
В настоящее время изготовлено несколько модификаций уст-
ройств КТ, отличающихся как температурой, при которой схема
моста находится в равновесии, а именно температуры 0 и 20°C,
так и температурными характеристиками компенсирующего на-
пряжения, предназначенными для корректировки ТЭДС различ-
ных типов термопреобразователей, в частности, ТПП, ТХА и ТХК.
Выпускаемые в настоящее время устройства КТ обеспечивают
компенсацию при изменении температуры свободных концов тер-
мопреобразователей от 0 до 50°C для термометров типов ТПП,
ТХА и ТХК с погрешностью, не превышающей ±3 К.
Отклонения номинальной статической характеристики тер-
моэлектрического преобразователя от стандартных значений рег-
ламентированы ГОСТ 3044—84.
В табл. 4.9 приведены пределы основной допускаемой погреш-
ности термоэлектрических преобразователей типов ТХА и ТХК,
101
обусловленные допускаемыми отклонениями ТЭДС от номиналь-
ной статистической характеристики. В табл. 4.10 приведены пре-
делы основной допускаемой погрешности термопреобразователей
типа ТПП, обусловленной допускаемыми отклонениями ТЭДС от
номинальной статической характеристики.
Как видно из приведенных в таблицах данных, погрешность
отклонения ТЭДС от стандартной номинальной характеристики
может составлять значение в несколько кельвинов. Поэтому в слу-
чае повышенных требований к точности измерений производят ин-
дивидуальную градуировку термопреобразователей с погрешно-
стью 0,2—0,5 К.
ТАБЛИЦА 4.10
Измеряе- мая темпе- ратура, *С	Пределы основной допус- каемой погрешности		Измеряе- мая темпе- ратура, °C	Пределы основной допус- каемой погрешности	
	мВ	К		мВ	К
0-300	0,010	1,23	1000	0,028	2,39
400	0,013	1,30	1200	0,033	2,71
500	0,015	1,53	1500	0,040	3,36
800	0,023	2,06	1600	0,043	3,66
ТАБЛИЦА 4.11
Темпера- т>ра, ®С	Отклонение номинальной статиче- ской харктеристики, К, при вре- мени эксплуатации, ч					Диаметр термо- электродиой прово- локи, мм
	2000	4000	6000	8000	10000	
До 300	4,0	6,0	8,4	10,8	12,0	
» 400	8,0	10,5	12,0	14,0	15,0	3,2
» 500	П,5	14,0	16,0	18,5	19,0	
» 600	13,8	16,8	18,0	20,5	23,0	
До 300	5,0	7,0	9,5	12,0	13,0	
» 400	9,0	И,5	14,0	15,0	16,2	1,2-1,5
» 500	12,5	14,0	17,0	19,0	20,5	
» 600	14,5	17,0	19,5	20,5	24,0	
До 300	6,0	8,4	10,8	13,0	14,5	
» 400	10,5	12,0	15,0	16,2	17,5	0,5-0,7
> 500	14,0	16,0	18,5	20,5	23,0	
> 600	16,0	18,0	20,5	23,0	25,0	
Значения допускаемой погрешности, обусловленной временной
нестабильностью термоэлектрических преобразователей, указаны
в ГОСТ 3044—84. В качестве примера в табл. 4.11 приведены от-
клонения номинальной статической характеристики хромель-ко-
пелевых термоэлектрических преобразователей от их начальных
значений в зависимости от температуры и времени эксплуатации.
102
Как видно из таблицы временная нестабильность характери-
стики термопреобразователей может достигать больших значе-
ний. Однако, исследования показали, что временная нестабиль-
ность резко сокращается при рабочих температурах ниже 300°C.
Так, нестабильность термоэлектрических преобразователей типа
хромель-копель при рабочих температурах до 200 °C не превыша-
ет ±0,5 К за год.
Суммарная погрешность измерения температуры с помощью
термоэлектрических термометров складывается из погрешности
термопреобразователя, методической погрешности и погрешности
измерительного прибора по ГОСТ 8.207—76.
ГЛАВА 5
ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ
§ 5.1.	Общие сведения
Термометр сопротивления — это термометр, содержащий термо-
преобразователь сопротивления, действие которого основано на за-
висимости электрического сопротивления чувствительного элемен-
та от температуры.
Чувствительный элемент изготовляют из чистых металлов,
сплавов и полупроводников. Подавляющее большинство металлов
имеет положительный температурный коэффициент электрическо-
го сопротивления, составляющий 0,004—0,006 К-1 для чистых ме-
таллов, а это означает, что сопротивление с ростом температуры
увеличивается. В полупроводниках с ростом температуры сопро-
тивление уменьшается обычно по экспоненциальному закону. При
этом температурный коэффициент сопротивления полупроводни-
ков в 5—10 раз выше, чем у чистых металлов.
Диапазон измерения температуры термопреобразователями со-
противления от —260 до ± 1100 °C.
Термометры просты в изготовлении и эксплуатации, обеспе-
чивают высокую точность измерения температуры — погрешность
термометров отдельных типов не превышает сотых долей кельви-
на. Наличие большого парка измерительных приборов для рабо-
ты с термопреобразователями сопротивления, невысокая стои-
мость, высокие надежностные характеристики, высокая стабиль-
ность (до 0,01 К в год) ряда термопреобразователей, возможность
автоматизации процесса измерений — все эти качества обеспечи-
вают широкое применение термопреобразователей сопротивления
в практике температурных измерений.
Дальнейшее расширение области применения термопреобра-
зователей сопротивления обусловливают проводимые работы по
103
повышению верхнего предела измеряемых температур до 1300 °C,
повышению ресурса работы до 50-103ч и выше, миниатюризации
термопреобразователей на базе использования микроэлектронной
техники.
§ 5.2.	Требования к материалам, применяемым для изготовления
преобразователей сопротивления
Как указывалось выше, чувствительные элементы преобразо-
вателей сопротивления изготовляют из чистых металлов, сплавов
и полупроводниковых материалов. Чистые металлы не должны
окисляться в рабочем диапазоне температур, иметь высокую вос-
производимость значений электрического сопротивления. Значе-
ние температурного коэффициента сопротивления а должно быть
возможно большим, а зависимость сопротивления от температу-
ры должна быть монотонной.
Коэффициент а (в К-1) принято определять в диапазоне тем-
ператур от 0 до 100°C:
_	_ /?Ю0 Ro	(С 1 \
(5'1)
где /?10в, Ro— электрическое сопротивление при температуре 100 и
0 °C соответственно, Ом;
Известно, что сплавы имеют меньший температурный коэффи-
циент сопротивления, чем чистые металлы. Однако они обладают
тем преимуществом, что у них значение температурного коэффи-
циента сопротивления слабо зависит от концентрации компонен-
тов, что делает сплавы незаменимыми для некоторых специаль-
ных термопреобразователей.
Значение температурного коэффициента сопротивления для чи-
стых металлов растет по мере увеличения степени их чистоты, и,
кроме того, повышается воспроизводимость термометрических ха-
рактеристик. Поэтому чистые металлы нормируются по значению
чистоты и, как следствие, по значению температурного коэффици-
ента сопротивления ao-ioo.
Значения отношения RiooIRo и ao-ioo — общепринятые показате-
ли степени чистоты данного металла и наличия в нем механиче-
ских напряжений. Для снятия механических напряжений приме-
няют специальные режимы отжига.
Указанным выше требованиям к металлам для изготовления
чувствительных элементов термопреобразователей сопротивления
удовлетворяют в широком интервале температур платина, а в бо-
лее узком — медь и никель.
Платиновые термопреобразователи сопротивления имеют пре-
делы измеряемой температуры от —260 до +1100°C; медные от
—200 до +200°С, никелевые от —10 до +180°C.
Что касается полупроводниковых материалов, то при измере-
нии низких температур (от единиц до десятков кельвинов) в ка-
честве чувствительного элемента применяют германий. При изме-
ни
ТАБЛИЦА 5.1
Тип ТС	Номи- нальное значение сопротив- ления Я0, Ом при еС	Условное обо- значение но- минальной статической характери- стики преоб- разования (НСХ)		Класс допу- ска	Номиналь- ное значение отношения сопротивле- ний	Диапазон измеряемых температур. °C
		в СССР	меж- дуна- род- иое			
Платиновый (ТСП) Медный (ТСМ)	1	ш	Ptl	в	1,3910 1,3850	От 0 до 1100 От 0 до 850
	10 50	юп 50П	PtlO Pt50	A	1,3910	От —200 до +750
					I,3850	От —200 до +650
				В	1,3910	От -—50 до +1000
					1,3850	От —50 до +850
				A	1,3910	От —260 до +750
					I,3850	От —200 до +650
				В	1,3910	От —200 до +1000
					1,3850	От —100 до +850
	100	100П	PtlOO	A	1,3910	От —260 до +750
					1,3850	От —200 до +650
				В	1 3910	От —200 до +1000
					1,3850	От —200 до +650
	500	500П	Pt500	A	1,3910	От —260 до +300
					1,3850	От —200 до +300
				В	1,3910	От —200 до +300
					1,3850	От —200 до +300
	10	ЮМ	CulO	в, с	1,4280 1,4260	От —50 до +200
	50	50М	Cu50	в, с	1,4280 1,4260	От —50 до +200
	100	100М	Cui 00	В, С	1,4280	От —200 до +200
					1,4260	От —50 до +200
Примечание. Основные значения VP'ioo Для Платиновых ТС 1,3910; для медных
ТС 1,4280. ТС со значениями IFioo-1,3850 и Wo-1.4260 допускается изготовлять по требова-
нию потребителя и по заказу-наряду внешнеторговой организации.
105
рениях более высоких температур используют смеси различных
полупроводниковых веществ, например, смеси окислов меди и
марганца, смеси окислов кобальта и марганца, смеси двуокиси
титана с окислами магния и др. При изменении концентрации
компонентов, составляющих материал, изменяются значения его
электропроводности и температурного коэффициента электриче-
ского сопротивления.
§ 5.3.	Классификация термопреобразоватепей сопротивления
и их основные параметры
Параметры термопреобразователей сопротивления в значи-
тельной степени определяются параметрами их чувствительных
элементов. В зависимости от материала чувствительного элемента
различают металлические и полупроводниковые термопреобразо-
ватели сопротивления.
Металлические термопреобразователи сопротивления, серийно
выпускаемые в СССР, подразделяются на платиновые (ТСП) и
медные (ТСМ). Каждый из видов термопреобразователей имеет
свои номинальные статические характеристики (градуировки), ко-
торым соответствуют определенные значения сопротивления при
температуре О °C (Ро) и диапазон измеряемых температур (табл.
5.1).
Зависимость сопротивления ТСП и ТСМ от температуры близ-
ка к линейной.
ТС подразделяются:
по инерционности — малоинерционные (МИ), средней инерци-
онности (СИ) и большой инерционности (БИ).
Показатель тепловой инерции термопреобразователей сопро-
тивления должен составлять:
для термопреобразователей МИ —не более 10 с;
»	»	СИ	—	» 60 с;
»	»	БИ	— более 60 с.
Допускаемое отклонение значения сопротивления Ро при °C
от номинального не должно превышать значений, указанных в
табл. 5.2.
ТАБЛИЦА 5.2
Тип ТС	Допускаемое отклонение номинального значения сопротивления Ro, % при 0° С для класса допуска		
	А	в	с
Платиновый (ТСП) Медный (ТСМ)	*0,05	Н 1+ О о	см см 0*0 +1+1
106
Отношение сопротивления термопреобразователей при 100 °C
к сопротивлению при 0°С (W^oo) должно соответствовать значе-
ниям, указанным в табл. 5.3.
ТАБЛИЦА 5.3
Гип термопреобразователя	Класс допуска	Номинальное зна- чение	Наименьшее допускаемое значение ДОЧот
	А	1,3850 1,3910	1,3845 1,3905
Платиновый (ТСП)	В	1,3850 1,3910	1,3840 1,3900
	С	1,3850 1,3910	1,3835 1,3895
Медный (ТСМ)	В	I,4260 - • 1,4280	1,4250 1,4260
	с	1,4260 1,4280	1,4240 1,4260
Номинальные статические характеристики преобразования ТС
должны соответствовать уравнению Rt = WfRo,
где Rt — сопротивление ТС, Ом, при температуре t\
Wt — значение отношения сопротивлений при температуре t к
сопротивлению при 0°С.
Допускаемые отклонения сопротивления ТС от НСХ, выражен-
ные в °C, должны соответствовать приведенным в табл. 5.4.
ТАБЛИЦА 6.4
Тип тс	Класс допуска	Диапазон измеряемых температур, °C	Допускаемые отклонения температуры А/, *С
Платиновый (ТСП)	А	От —260 до —250 Свыше —250 до —200 Свыше —200 до +750	±3,0 ±1,0 ±[0,15 — 0,002 (01
	В	От —200 до +1100	±[0,30 — 0,005 «)]
	С	От —100 до +1100	±[0,60+0,008 (/)]
Медный (ТСМ)	В	От —200 до +200	±[0,25+0,0035 (()]
	С	От —200 до +200	±[0,50+0,0065 (/)]
107
Отклонения сопротивления ARt, соответствующие значениям
А/, определяются из уравнения ARt = At-dRJdt,
где dRt/dt — чувствительность термопреобразователя, рассчитыва-
емая для значения температуры t, по уравнениям, приведенным
ниже:
1.	Уравнение для определения чувствительности платиновых
ТС:
для диапазона температур от —200 до 0°С dRt/dt^=R0[A+]
+ 2Bt + 4Ct2(t — 75)];
для диапазона температур от 0 до 1100 °C dRt/dt = R0 (Л + 2Bt).
2.	Уравнение для определения чувствительности медных ТС с
Ц7100= 1,4280;
для диапазона температур от —200 до —185°С dRt/dt = ARo\
для диапазона температур от —185 до —100°С dRt/dt— (a+i
+ 2Bt— 10B + 3Ct2)R0;
для диапазона температур от —100 до —10°С dRt/dt = (а +
+ 2Bt— 10В) Ro1,
для диапазона температур от —10 до +200°C dRt/di=aRo.
3.	Уравнение для определения чувствительности медных ТС с
U7100= 1,4260: dRt/dt = nR0.
Значения коэффициентов А, В, С, а устанавливаются на осно-
вании приложения 4.
Значения ARf могут быть определены упрощенным способом
по уравнению ARt = A/-АЯ/А/ц где AR— приращение сопротивле-
ния в окрестности температурной точки Air—размах окрестно-
сти.
Для расчета номинальной статической характеристики ТС в
ГОСТ 6651—78 приведены интерполяционные уравнения.
Интерполяционные уравнения для ТС.
1.	Интерполяционное уравнение для платинового ТС с 1Г100=
= 1,3910;
для диапазона температур от —200 до 0°С: Wt=l+At4-f}t2+
+ C(t — 100) /3;
для диапазона температур от 0 до 600°С: Wt = 1 + At+Bt2-, где
А = 3,96847• 10-3°C-1; В= -5,847- 10~7°С-2; С=-4,3558-10~12°C-4;
для диапазона температур от 600 до 1100°С Wt = 1 +At+Bt2,
где В= -5,898- 10-7°С-2.
2.	Интерполяционное уравнение для платинового ТС с И^юо =
= 1,3850;
для диапазона температур от —200 до 0°С Wt = 1 + At + Bt2+
+ C(t— 100)^3, где Л = 3,90802-IO-3°C-1; В= —5,802- 10-7°С-2; С=
= -4,27350-10-12 °C-4;
для диапазона температур от 0 до 850°C: Wt= 1 + At + Bt2.
3.	Интерполяционное уравнение для медного ТС с №100= 1,4280:
для диапазона температур от —200 до —185°C Wt=l+A(t—
— 13,7);
для диапазона температур от —185 до —100°С И^=1+(а/‘+
+Bt (t — 10) +С/з, где а=4,28-10-з°с-1; Л=4,11 • lO"3^-1; В =
=-5,0-10-7°C-2; С= 1,15- 10~9ОС-3;
108
для диапазона температур от —100 до —10°С IFt=l+a£+
+Bt(t— 10);
для диапазона температур от —10 до +200°С IF(7) = l + a/.
4.	Интерполяционное уравнение для медного ТС с IFioo= 1,4260:
для диапазона температур от минус 50 до 200°С 1Г\=1 + с^,
где а=4,26-10-3 °C-1.
Вероятность безотказной работы для ТС с верхним значени-
ем рабочего диапазона температур до 200°C должно быть не ме-
нее 0,96 за 4000 ч и не менее 0,95 за 2000 ч для ТС с верхним зна-
чением рабочего диапазона температур до 650 °C.
Полный средний срок службы ТС (кроме ТС с естественно ог-
раниченным сроком службы) должен быть не менее 8 лет. Крите-
риями отказа ТС являются: разрушение защитной арматуры, об-
рыв или короткое замыкание электрической цепи, несоответствие
требованиям стандарта по допускаемому отклонению значений
Ro, ^юо, основной погрешности ТС Дд, энергии электрического со-
противления между цепью чувствительного элемента и защитной
арматурой, которое при температуре (25+ 10) °C должно быть не
менее 20 МОм.
Платиновые термопреобразователи сопротивления выпускают
двух модификаций: одинарные и двойные. В одинарный ТСП вмон-
тирован один чувствительный элемент; в двойном — два чувстви-
тельных элемента (в общей арматуре), не связанные между со-
бой электрически. Каждый чувствительный элемент имеет свою
пару зажимов в головке ТСП.
Медные термопреобразователи сопротивления выпускаются
только одинарными.
Кроме металлических термопреобразователей сопротивления
широко применяются полупроводниковые термопреобразователи
сопротивления: германиевые; индиевые; графитовые и угольные;
композиционные.
Германиевые, индиевые, графитовые и угольные термопреобра-
зователи сопротивления применяются для измерения низких (до
4 К) температур, а композиционные — для измерения температур
от—100 до +300°C.
ТАБЛИЦА 5.5
Преобразова- тель	Пределы измере- ния, вС	Удельное электри- ческое сопротив- ление, Ом-м	Температурный ко- эффициент сопро- тивления, Ом-	Воспро- изводи- мость, °C
Индиевые	От —270 до + 27	84 при 0°С; 0,0252 при —258°С	0,004 при 0°С 0,0007 при 260°С	0,0015
Германиевые	От —270 до + 263	89 при 0°С	1,0 при —269°С —2,8 при 271°С	0,001
Угольные	От —273 до + 190	25—63 при 0°С	—0,1 при —263°С —1,9 при —270°С	
109
Основные характеристики низкотемпературных термопреобра-
зователей сопротивления приведены в табл. 5.5.
Германиевые термопреобразователи сопротивления в зависи-
мости от их назначения разделяются на эталонные, образцовые и
рабочие. Эталонный воспроизводит единицу температуры и тем-
пературную шкалу ТШГТС в диапазоне от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ
8.157—75). По данным ВНИИФТРИ, стабильность эталонных
германиевых термопреобразователей сопротивления лежит в пре-
делах ±0,001 к.
Для технических измерений выпускаются германиевые термо-
преобразователи сопротивления типа ТСГ-ЗК для температур от
30 до 90 К- Пределы допускаемых погрешностей этих термопре-
образователей составляют ±0,05 и ±0,1 К. Кроме указанных тер-
мопреобразователей изготовляются пленочные термопреобразова-
тели сопротивления для измерения температур в диапазонах от 4,2
до 300 К и от 1,3 до 100 К-
Индиевые термопреобразователи сопротивления могут быть
использованы для измерений температур от —270 до ±27 °C. По
всем основным показателям (точности, воспроизводимости, нали-
чию точно рассчитанных таблиц значений статической номиналь-
ной характеристики) они уступают, например, платиновым тер-
мопреобразователям сопротивления, однако, вполне пригодны для
изменения гелиевых температур.
Графитовые и угольные термопреобразователи сопротивления
с полупроводниковым характером проводимости и отрицатель-
ным температурным коэффициентом сопротивления в простейшем
виде представляют тонкую пленку графита или сажи, нанесен-
ную на полоску изоляционного материала.
Угольные термопреобразователи сопротивления применяют для
измерения температур вплоть до десятых долей кельвина (ниже
—273°C). Они малочувствительны к изменению магнитного поля
в диапазоне от нуля до нескольких тысяч эрстед.
Недостатки угольных термопреобразователей — необходимость
индивидуальной градуировки, невысокая точность, невоспроизво-
димость статической номинальной характеристики (градуировки)
при повторном нагреве термопреобразователей от низких темпе-
ратур до комнатных.
Композиционные полупроводниковые термопреобразователи со-
противления (ПТС), изготовленные из различных полупроводни-
ковых соединений и композиций: окислов, шпинелей и других,
применяются при измерении температуры от —100 до +300°С.
Для выпускаемых ПТС зависимость сопротивления от темпе-
ратуры в интервалах, не превышающих 100 К, определяется вы-
ражением
В (293—Т)
Rr = Roe 293	,	(5.2)
где R?, Ro — сопротивление полупроводникового термопреобразо-
вателя сопротивления при температуре Т и 293 К соответственно,
НО
Ом; Т — температура, К; В — постоянный коэффициент, опреде-
ляемый в процессе градуировки.
Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления ма-
лоинерционны; их номинальное сопротивление составляет едини-
цы и сотни килоом, что позволяет при измерении температуры не
учитывать сопротивление подводящих проводов.
Недостатки ПТС — отсутствие взаимозаменяемости изготовлен-
ных в настоящее время РТС, большой разброс номинальных зна-
чений сопротивлений и температурных коэффициентов даже для
ПТС одного и того же типа; нелинейный характер зависимости
электрического сопротивления от температуры; малая допускае-
мая мощность рассеяния при прохождении измерительного тока.
§ 5.4.	Конструкции и типы металлических и полупроводниковых
термопреобразователей сопротивления
Современное развитие термометрии во всем мире направлено
на изыскание новых конструктивных решений чувствительных эле-
ментов термопреобразователей сопротивления, расширение пре-
Рис. 5.1. Схема слюдяного
чувствительного элемента
термопреобразователя
сопротивления
делов измерений с одновременным повышением точности и на-
дежности.
В эксплуатации находятся слюдяные чувствительные элементы
(рис. 5.1), представляющие собой слюдяную пластинку (100Х
X 10 мм) 6 с зубчатыми краями и бифилярно намотанной на нее
проволокой 5 из платины. С обеих сторон пластинка прикрыта
двумя слюдяными пластинками 4 для изоляции и механической
прочности. Пластинки скреплены в пакет дюралюминиевой лен-
той 3. К концам платиновой проволоки приварены серебряные вы-
воды 1 диаметром 1 мм, изолированные фарфоровыми изолятора-
ми 2. Слюдяные чувствительные элементы невиброустойчивы и об-
ладают большой тепловой инерцией.
Для замены слюдяных чувствительных элементов разработа-
на конструкция (рис. 5.2), в которой платиновые спирали распо-
ложены в капиллярных керамических трубках 4 и дополнительно
заполнены порошком безводной окиси алюминия, служащей изо-
лятором и создающей эффект подпружинивания спиралей. Такой
элемент надежен в условиях вибраций и высоких температур. Он
состоит из двух или четырех соединенных последовательно плати-
новых спиралей 3, к которым припаяны выводы 1. Спирали ивы-
воды закреплены в корпусе глазурью 2. Спирали размещены в ка-
налах 4 двух- или четырехканального керамического каркаса. Зна-
111
чение сопротивления при О °C подгоняется отрезанией спирали в
точке 5. Конструкция чувствительного элемента — герметична.
Чувствительные элементы медных термопреобразователей со-
противления представляют собой бескаркасную безындукцион-
ную обмотку из медной проволоки диаметром 0,07—0,08 мм. Об-
мотку элемента покрывают фторопластовой пленкой, помещают в
тонкостенную металлическую гильзу, засыпают керамическим по-
рошком и герметизируют.
ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ
mjuuuLSWJimwuuuLiiJi
Рис. 5.2. Конструкция керамического чувствительного эле-
мента термопреобразователя сопротивления
В настоящее время промышленность ряда стран выпускает
термопреобразователи сопротивления со стандартным чувстви-
тельным элементом, однако полностью удовлетворить всем требо-
Рис. 5.3. Термопреобразователь сопротивления погружаемый
ваниям температурных измерений в промышленности они не мо-
гут. Поэтому наряду со стандартными выпускается большое ко-
личество нестандартных чувствительных элементов с повышен-
ными техническими характеристиками.
Погружаемые термометры сопротивления (рис. 5.3, а) предна-
значены для измерения температуры газообразных или жидких
химически агрессивных или неагрессивных сред, не разрушающих
защитную арматуру. Основными элементами термометра являют-
ся: чувствительный элемент 5, защитная арматура 4, головка 3 с
112
1973
00 ТАБЛИЦА 5.S
Тип термопреобра- зователя	Измеряемая среда	Пределы измерения, *С
ТСП-5071	Жидкая и газообразная	От —200 до +500 » —200 » +600 » —50 » +600
ТСП-0879-01	То же	» —50 » +150
ТСП-8012	Воздух в помещениях	»	0 » +50
ТСП-037К	Жидкая и газообразная	» —220 » +120
ТСП-591	Для измерения темпе- ратуры в трубопроводах	» —200 » +40
ТСП-5081	Жидкость — скорость до 3 м-с-1; газ — скорость до 40 м-с-1	» —50 » +200
ТСМ-5071	Жидкад и газообразная	» —50 » +150
ТСМ-6097	То же	» —50 » +150
ТСМ-8034М	Торф, зерно, уголь и другие сыпучие продук-1 ты	» —50 » +100
Градуи- ровка	Показа- тель теп- ловой инерции, с	Макси- мальное условное давление, МПа	Исполнение по устойчивости к механическим воздействиям	Масса, кг, не более
100 П или гр. 21	20; 40	0,4; 6,4	2 по ГОСТ 17167—71	0,8
50П; 100П	—	0,4	2 по ГОСТ 17167—71	—
100П	240	—	Обыкновенное	0,2
100П	9	25	ВУ	0,5
100П	80	—	—	—
100П или Гр. 21	9	32	3 по ГОСТ 17167—71	1,4
100П или гр. 23	40	0,4; 6,4	2 по ГОСТ 17167—71	—
100М или гр. 23	20	—	То же	—
Гр. 23	60		•—	1,7;-3,;
контактами и крышкой 2 и сальниковый ввод 1 для внешних под-
ключений. На рис. 5.3, б приведены способы крепления термопре-
образователя: с неподвижным штуцером (I), с накидной гайкой
(II), с подвижным штуцером (III), с фланцем (IV).
Типы и основные технические характеристики погружаемых
платиновых и медных термопреобразователей сопротивления при-
ведены в табл. 5.6.
Для серийно выпускаемых медных и платиновых термопреоб-
разователей сопротивления используется стандартная защитная
арматура. Конструкция термопреобразователя сопротивления ти-
па ТСП 5071, ТСП-0879 и ТСМ 5071 приведена на рис. 5.4.
Чувствительный элемент ТСМ представляет собой изолиро-
ванную медную проволоку диаметром 0,08 мм, бифилярно намо-
танную в виде шпули на изолированные медные выводы диамет-
ром 0,5 мм. Собранный таким об-
разом элемент помещен в защит-
ную арматуру, засыпан безвод-
ной окисью алюминия и гермети-
зирован эпоксидным компаун-
дом. Конструкция, приведенная
на рис. 5.4, может быть уком-
плектована одним из трех раз-
Рис. 5.4. Конструкция защитной арма-
туры инифицированных преобразовате-
лей ТСП-5071, ТСМ-5071 и ТСП-0879:
а —исполнение I; б —- исполнение II, в —
исполнение III
личных монтажных узлов для установки термопреобразователя
на объекте.
Для измерения температуры среды с низкими давлениями
{ру = 0,25 МПа) термопреобразователи исполнения I выпускают
Рис. 5.5. Детали крепления термопреобразователей сопротивления
а—передвижной штуцер; б — защитная монтажная гильза
в комплекте с передвижным штуцером * (рис. 5.5, а). Для измере-
ния температуры среды с высоким давлением термопреобразова-
тели выпускают в комплекте с защитной (монтажной) гильзой
(рис. 5.5, б).
Для измерения во взрывоопасных помещениях всех классов
применяют преобразователи ТСП-0879, снабженные кабельным
выводом 1 (рис. 5.6). Чувствительный элемент 3 помещен в за-
щитную арматуру 2 и засыпан керамическим порошком. Верхняя
часть защитной арматуры герметизирована эпоксидным компа-
ундом.
На рис. 5.7 в качестве примера приведена конструкция термо-
преобразователя ТСП-0879-01 для монтажа бронированным или
экранированным кабелем. Конструкция отличается наличием
сальниковых выводов 1 и 8 с герметизирующими прокладками 2
и 3. Головка ТС состоит из корпуса 5 и крышки 4, которая уплот-
няется резиновой прокладкой 3. Чувствительный элемент 7 поме-
щен в защитную арматуру 6.
Рис. 5.6. Термопреобразователь сопротивления типа ТСП-9879
(ТСП-5081)
Рис. 5.7. Унифицированный термопреобразователь сопротивления с кабельным
выводом ТСП-0879-01 (ТСП-5081)
Термопреобразователи сопротивления для измерения темпера-
туры поверхности предназначены для измерения температуры по-
верхностей различных геометрических форм, неподвижных и вра-
щающихся тел, электропроводных материалов и изоляторов, тел
с различной теплопроводностью и т. д.
8*
115
Многообразие условий измерений вызвало множество конст-
рукций термопреобразователей. Унифицированная конструкция
чувствительного элемента представляет собой плоскую намотку из
платинового провода 1 (рис. 5.8) диаметром 0,05 мм, покрытую
Рис. 5.8. Унифицированная конструкция чувствительного элемен-
та поверхностного термопреобразователя сопротивления
винифлексовым лаком с прокладками 2, колодкой 3 и выводами
4. Чувствительный элемент установлен в непосредственной близо-
сти от дна защитной гильзы. Недостаток указанной конструкции —
Рис. 5.9. Конструкция чувствительного элемен-
та поверхностио-погружаемого термопреобра-
зователя сопротивления
Рис. 5.10. Схема термопреобразователя сопро-
тивления типа ДТВ-038
низкий предел измерения температуры
(не выше 150 °C) вследствие возмож-
ного загрязнения платины эмалью, а
также низкая теплопроводность, в ре-
зультате чего велик перегрев измери-
тельным током.
В связи с этим разработана конст-
рукция поверхностио-погружаемого
термопреобразователя, исключающая
отмеченные недостатки (рис. 5.9). В
огнеупорном керамическом каркасе 3
диаметром 6 мм уложена в спираль
платиновая проволока 4 диаметром
0,03 мм. Выводы 2 чувствительного элемента расположены в от-
верстиях плоского торца керамического каркаса, находящегося в
защитной арматуре 1.
116
Типы и основные технические характеристики термопреобра-
зователей сопротивления для измерения температуры поверхно-
сти приведены в табл. 5.7.
Температуру поверхности вращающихся объектов измеряют
термопреобразователями сопротивления типа ДТВ-038. Чувстви-
тельный элемент термопреобразователя изготовлен из медной про-
волоки ПЭТВ-Р диаметром 0,05 мм, номинальное сопротивление
53 0м при О °C. Температура поверхности вращающихся сушиль-
ных цилиндров бумагоделательных машин или других аналогич-
ных объектов измеряется бесконтактным способом, который сво-
дится к измерению температуры прилегающего к измеряемой по-
верхности пограничного слоя воздуха. Зазор между преобразова-
телем и объектом измерения составляет 0,2—0,4 мм; суммарный
нагрев чувствительного элемента в процессе измерения темпера-
туры происходит за счет конвективного теплообмена, теплопро-
водности воздуха и поглощения инфракрасного излучения изме-
ряемой поверхности.
ТАБЛИЦА 5.7
Тип термо- преобразо- вателя	Объем измерения	Пределы из- мерений, °C	Градуи- ровка	Пока- затель тепло- вой инер- ции. с	Устойчивость к ме- ханическим воздей- ствиям	Мас- са, кг
ТС П-0979	Малогаба- ритные под- шипники	От —10 до + 100	50П	9	2 по ГОСТ 17167—71	
ТСП-085	Подшипни- ки	От 0 до 100	Гр. 21	9	ВУ	
ТСП-783	То же	От —50 до + 100	Гр. 21	80	ВУ	
ТСМ-0979	»	От —40 до + 120	50М	9	3 по ГОСТ 17167—71	
ТСМ-0095	Подшипни- ки, корпуса насосов	От 0 до —120 От —40 до + 120	50М Гр. 23	9 МИ	2, 3 по ГОСТ 17167—71	
ДТВ-038	Поверхность сушильных цилиндров бумагодела- тельных ма- шин	От 30 до 150	Гр. 23	30	1 по ГОСТ 17167—71	0,25
Термопреобразователь ДТВ-038 (рис. 5.10) состоит из узла
чувствительного элемента 1, защитного корпуса 2 с трубчатой
осью 3, механизма регулировки зазора и крепления на штанге 4,
пружины 6 и кабеля 5.
Приемником тепловой энергии объекта измерения является
тонкостенная чашка, обладающая высокой теплопроводностью.
Защитный корпус 2 предохраняет узел чувствительного элемента
от внешних механических воздействий и, кроме того, уменьшает
его конвективный теплообмен с окружающей средой.
117
Погрешность преобразователя при измерении температуры
гладкой поверхности вращающихся цилиндров диаметром не ме-
нее 1200 мм с зазором 0,2—0,4 мм между цилиндром и поверхно-
стью теплоприемника не превышает ±1,5 К в диапазоне темпера-
тур 100—150 °C.
Конструкция эталонного германиевого термопреобразователя
сопротивления, разработанного ВНИИФТРИ, приведена на рис.
5.11. Чувствительный элемент 1 термопреобразователя выполнен
из монокристаллического германия, легированного сурьмой. К раз-
двоенным концам элемента припаяны четыре золотых проводни-
ка, к которым приварены выводы 2 из платиновой проволоки.
30
Рис. 5.11. Конструкция германиевого
термопреобразователя сопротивления
Чувствительный элемент помещен в защитную гильзу 3 со стек-
лянной головкой 4, в которую впаяны платиновые выводы. Внут-
ренняя стенка защитной гильзы покрыта электроизоляционной
пленкой 5. Гильза термопреобразователя герметична и заполнена
газообразным гелием под небольшим давлением.
Рис. 5.12. Конструкция полупроводниковых термопреобразователей сопротивле-
ния (терморезисторов)
Для технических измерений служат германиевые термопреоб-
разователи сопротивления пленочной конструкции.
В качестве чувствительных элементов полупроводниковых тер-
мопреобразователей используют смеси различных полупроводни-
ковых веществ. Формы и виды изготовляемых чувствительных
элементов очень разнообразны. Наиболее распространены цилин-
дрические, бусинковые и шайбовые элементы.
Для предохранения от возможных механических повреждений,
климатических воздействий и воздействий измеряемой среды, чув-
ствительный элемент, в зависимости от его назначения, покрыва-
118
ют эмалью, помещают в защитный чехол и снабжают другими
защитными устройствами.
На рис. 5.12, а, б приведена конструкция полупроводниковых
термопреобразователей сопротивления цилиндрической формы ти-
пов КМТ-1, ММТ-1, КМ.Т-4, ММТ-4 по ГОСТ 10688—75.
На рис. 5.12, в показана конструкция терморезисторов диско-
вой формы типов ММТ-9, М.МТ-13 по ГОСТ 10688—75.
Миниатюрные полупроводниковые термо преобразователи ти-
пов СТ1-18, СТЗ-18, СТ1-19, СТЗ-19 показаны на рис. 5.13.
Рис. 5.13. Конструк-
ция бусинковых тер-
морезисторов
а —типа	б —
типа СП,3-19
В табл. 5.8 приведены основные технические характеристики
некоторых типов серийно выпускаемых полупроводниковых тер-
мопреобразователей сопротивления (терморезисторов).
§ 5.5.	Компенсанционный метод измерения сопротивления
термопреобрвзователей
Компенсационный метод широко распространен для определе-
ния градуировочной характеристики и при точных измерениях в
лабораторной практике.
119
— ТАБЛИЦА 5.8
Тип термо- резистора	Диапазон измеряе- мых температур. °C	Пределы номинальных сопротивлений
КМТ4	От —60 до +180	22 кОм — 1 МОм
ММТ-1	» —60 » +125	1—220 кОм
КМТ-4	» —60 » +125	22 кОм — 1 МОм
ММТ-4	» —60 » +125	1—220 кОм
КМТ-8	» —45 » +70	100 Ом — 10 кОм
ММТ-8	» —45 » +70	1 Ом — 1 кОм
ММТ-9	» —60 » +125	10 Ом — 4,7 кОм
ММТ-1 з	» —60 » +125	10 Ом — 2,2 кОм 1,5 кОм — 2,2 МОм
СТ1-18	» —60 » +300	при 150 °C
СТЗ-18	» —90 » +125	680 Ом — 2,2 кОм
СТ1-19	» —60 » +300	3,4 кОм — 2,2 МОм при 150 °C
СТЗ-19	» —90 » +125	2,2; 10; 15 кОм
КМТ-14	» —10 » +300	0,51 кОм —7,5 МОм
Пределы допус- каемых откло- нений, %	Темпера- турный ко- эффициент сопротив- лений при 20° С	Постоянная в, к	Пока- затель тепло- вой инер- ции, с	Макси- маль- ная мощ- ность рассея- ния, Вт	Нара- ботка на отказ» ч	Масса, не более, г
±-20	4,2-8,4	3600-7200	85	1.0	5000	о,6
±20	2,4-5,0	2060—4300	85	0.6	5000	0,6
±20	4,2—8,4	3600-7200	115	0,65	10000	2,5
±20	2,4-5,0	2060-4300	115	0,56	10000	2,5
±20	4,2-8,4	3600-7200	—	0,6	5000	20
±10; ±20	2,4-4,0	2060—3430	—	0.6	5000	20
± 1 о» ±20	2,4—5,0	2060—4300	—	—	10000	3,4
±20	2,4-5,0 2,25-5,0	2060-4300	—	—	10000	1
	при 150 °C	4050—9000	1	0,045	3000	0,003 (без травер- сы)
±20	2,60—4,1	2250-3520	1	0,015	3000	
±20	2,35-4,0 при 150 °C	4230-7800	3	0,060	3000	0,3
±,20	3,4-4,5	2900-3850	3	0,045	3000	0,3
±20	2,1-4,3 при 150 °C	3690-7700	10;60	0,1	3000	4
Схема измерения компенсационным методом приведена на рис.
5.14. В соответствии со схемой, термопреобразователь сопротив-
ления RT включен последовательно с образцовым сопротивлени-
ем RN в цепь источника постоянного тока. В качестве сопротив-
ления RN обычно применяется образцовая катушка сопротивле-
ния класса 0,01. В некоторых случаях, например, при измерении
сопротивления полупроводниковых тер-
мопреобразователей, сопротивление ко-
торых изменяется в зависимости от тем-
пературы в очень широких пределах (в
несколько раз и более), в качестве образ-
цового сопротивления RN примененяется
магазин сопротивления.
Измерительный ток в схеме устанав-
ливается с помощью регулировочного со-
противления Ri, а контролируется с по-
мощью потенциометра по значению паде-
ния напряжения на образцовом со-
противлении Rn.
Необходимое значение измерительно-
го тока выбирается таким, чтобы он не
вызывал заметного нагрева чувствитель-
ного элемента термопреобразователя со-
Рис. 5.14. Схема измерения
сопротивления компенса-
ционным методом
противления.
Потенциальные проводники от термопреобразователя сопро-
тивления и образцовой катушки сопротивления подсоединяются к
переключателю, с помощью которого потенциометр может быть
подключен поочередно для измерения падения напряжения на об-
разцовой катушке сопротивления RN и на чувствительном эле-
менте термопреобразователя сопротивления Пт.
Если ток в цепи обозначить через I, то Un = IRn, a UT — IRT.
Отсюда формула для определения значения RT имеет вид
Rt — ~гг~ Rn.
uN
(5.3)
Измерительный ток, проходящий через термопреобразователь,
равен 0,1—2 мА, a UT и UN не превышают нескольких десятков
милливольт. Поэтому для измерения значений UT и UN применя-
ют потенциометры класса 0,005—0,02, например, Р-363.
Погрешность измерения сопротивления термопреобразователя
зависит от погрешности применяемых средств и условий измере-
ния. Так, при особо точных измерениях, например, при измерени-
ях в процессе изготовления шунтов к измерительным приборам,
образцовых катушек сопротивлений и т. д. образцовую катушку
сопротивления термостатируют, помещая в масляный термостат,
а температуру в помещении, где проводят измерение, поддержи-
вают в пределах (20±0,5) °C.
121
§ 5.6.	Измерение сопротивления термопреобразователей
мостовым методом
Простейшая схема уравновешенного моста приведена на рис.
5.15, а. Термометр сопротивления и расположенные последова-
тельно с ним сопротивления соединительных линий включа-
ются в плечо СВ мостовой схемы. В диагональ ДВ моста подает-
ся напряжение от источника питания.
Изменением сопротивления R3 добиваются равенства напря-
жения в точках А и С, что фиксируется отсутствием тока в диа-
гонали АС с помощью гальванометра Г.
Рис. 5.15. Схемы измерения сопротивления мосто-
вым методом
Такое положение соответствует равенству отношений падения
напряжения на плечах обеих ветвей моста, т. е.
(54)
^АВ исв
или Ri/R3=R2l(/?т + 27?л),
откуда Rt = R2/Ri-R3— 27?л.
Сопротивления Ri и R2 постоянны и выполнены из манганина.
В качестве сопротивления R3 применяют магазин сопротивлений.
На практике сопротивления соединительных линий (проводов)
делают либо очень малыми по сравнению с RT (в сотни раз), либо
с помощью подгоночной катушки устанавливаются постоянными
и вычитаются из результата измерений в соответствии с форму-
лой (5.4).
Схема, представленная на рис. 5.15, а, характеризуется доста-
точно высокой точностью измерений, практически не зависящей от
напряжения источника питания моста.
Схема уравновешенного моста применяется для измерения со-
противлений в очень широком диапазоне от 0,5 до 107 Ом. При
измерении сопротивлений малых значений — от единицы ома и ме-
122
нее — особенно существенной оказывается погрешность, обуслов-
ленная контактным сопротивлением движка (/?д) переменного со-
противления R3 (или щеток и ламелей переключателей магазина
сопротивлений). Кроме того, на результат измерения влияет изме-
нение сопротивления соединительных проводов Ял.
Чтобы устранить влияние контактного сопротивления R3 и со-
противлений соединительных проводов Rn, применяется схема с
трехпроводным включением термопреобразователя сопротивле-
ния (рис. 5.15,6).
В трехпроводной схеме одна из точек подключения источника
питания (например, точка В) перенесена непосредственно к тер-
мопреобразователю сопротивления. Влияние контактного сопро-
тивления 7?д устраняется тем, что оно включает в диагональ мос-
та СА, сопротивление которой в момент отсчета (когда ток в ди-
агонали равен нулю) практически не имеет значения.
Равновесие указанного моста обеспечивается при выполнении
условия
ЕХ + Г з"   Еа
гз' + Ел Ет + Ел ’
откуда
RT =
Е2
Ех + г3"
_е2
Ei + г8"
(5.5)

где г'з, г"3 — части сопротивления R3 в момент равновесия моста,
Ом.
Очевидно, что если Рг/(Р1 + г"з) = 1, то сопротивление 7?тнеза-
висит от /?л. Такое положение, строго говоря, будет соответство-
вать лишь одному положению движка сопротивления R3, так как
сопротивление г"3 переменно. При другом положении движка из-
менения сопротивления линии /?л будут вносить погрешность в ре-
зультат измерения сопротивления термопреобразователя 7?т, од-
нако эта погрешность в схеме с трехпроводным включением Ri
будет значительно меньше. Например, если значения сопротивле-
ний Ri и R2 будут в несколько раз больше сопротивления г"3, то
влияние изменения сопротивления линии Ел будет в десять и бо-
лее раз меньше, чем в двухпроводной схеме.
Недостаток схемы уравновешенного моста — необходимость
выполнения операций по уравновешиванию при каждом измере-
нии— устраняется в схемах неуравновешенных мостов (рис.
5.15, в).
Эта схема отличается от схемы, приведенной на рис. 5.15,6,
тем, что в диагональ моста СА вместо нуль-индикатора Г вклю-
чается миллиамперметр МА, а сопротивление R3— постоянно. На-
пряжение питания моста в диагонали ВД (Ubd) должно при этом
поддерживаться постоянным.
Контроль напряжения Ubd осуществляется с помощью конт-
рольного сопротивления RK при установке переключателя П в по-
ложение 2, а значение Ubt> регулируется сопротивлением Rp.
123
При установленном постоянном значении' напряжения Ubt> и
постоянных значениях сопротивлений Ri, R2, R3 и RK ток в диаго-
нали СА будет иметь определенное значение 7Д.
Измерение сопротивления термопреобразователя производят
при установлении переключателя Z7 в положение 1. В этом случае
значение тока в диагонали СА (/д) зависит от значения сопротив-
ления термопреобразователя RT следующим образом:
1Д = UBD	(5 6)
где D — 7?вн(/?г+7?т) • (7?i+/?з)(7?г+7?т)+/?г7?т (-^1 + 7?з), Ом3;
7?вн — внутреннее сопротивление милливольтметра, Ом.
Достоинства схемы уравновешенного моста—высокая точ-
ность, устранение влияния сопротивления 7?д, подсоединительных
проводов Rj! и другие) — используются в автоматических мостах,
широко применяющихся в различных отраслях промышленности
для записи и регистрации температуры в комплекте с термопре-
образователями сопротивления.
Мостовая уравновешенная измерительная трехпроводная схе-
ма автоматических мостов типа КСМ1, КСМ2 и КСМ4 приведена
на рис. 5.16.
Для равновесного и равноплечего моста при среднем значении
измеряемой температуры и расположения движка реохорда в се-
редине шкалы изменение сопро-
тивления присоединительных про-
водов Rn не выводит схему из
состояния равновесия, и трехпро-
водная линия обеспечивает уст-
ранение температурной погреш-
ности.
Для исключения соединитель-
ных проводов движок выполнен
двухконтактным: один контакт
перемещается по спирали рео-
хорда, а другой — по голой мед-
ной проволоке. Сопротивление R?
Рис. 5.16. Схема мостовая уравновешен-
ная измерительная мостов автоматиче-
ских типов КСМ1, КСМ2 и КСМ4
является сопротивлением спирали реохорда, Rm — шунт для его
подгонки. Сопротивления Rn и подгоночное сопротивление, намо-
танное в виде спирали гп, определяют пределы измерения прибора.
Сопротивления RH и гн определяют начало шкалы. Сопротивления
Rl, R2 и R3 — это плечи моста.
Сопротивление Re включено в цепь питания и служит для ог-
раничения тока в плечах измерительной схемы с целью обеспече-
ния минимального нагрева термопреобразователя сопротивления
измерительным телом. Сопротивления 7?л предназначены для под-
124
гонки сопротивления соединительных проводов линии к некоторо-
му определенному значению. В указанных выше автоматических
мостах сопротивление соединительных проводов и катушек равно
5 Ом, сопротивление одной линии — 2,5 Ом.
Так как ^сопротивление термопреобразователя RT меняется с
изменением температуры, то для равновесия моста необходимо
изменять сопротивления в плечах моста. Это достигается приме-
нением специального калиброванного сопротивления 7?р (реохор-
да), движок которого служит вершиной измерительной диагонали
моста. По положению движка на реохорде судят о значении из-
меряемой температуры.
Рис. 5.17. Принципиальная электрическая схема автоматического многоканаль-
ного уравновешенного моста типа КСМ4
Градуировка схем автоматических уравновешенных мостов
осуществляется с помощью сопротивления /?д, определяющего на-
чало шкалы, и сопротивления /?п, определяющего верхнее предель-
ное значение шкалы.
Автоматические уравновешенные мосты модели КСМ4 (рис.
5.17) выпускаются в одно- и многоканальном исполнении и рас-
считаны на измерение, запись и регулирование с помощью термо-
преобразователей сопротивления, изготовляемых по ГОСТ
6651—78.
125
Для измерения температуры термопреобразователями сопро-
тивления RT (всего до двенадцати) в приборе используется трех-
проводная схема уравновешенного моста, составленная из сопро-
тивлений Rfl, Rm, Rn, Гд, Re, Ri, R2, Rs и входов R't и R'2 усилите-
ля У. В одну диагональ моста включен источник питания измери-
тельной схемы переменным током частотой 50 Гц и напряжением
6,3 В от обмотки силового трансформатора электронного усилите-
ля, а в другую диагональ моста — усилитель У. При изменении
измеряемой температуры изменяется электрическое сопротивле-
ние термопреобразователей сопротивления RiT — Riz-r, что нару-
шает равновесие измерительной схемы моста. На вход усилителя
У подается сигнал рассогласования, от которого выходное напря-
жение поступает на обмотку управления (клеммы 3, 5) исполни-
тельного двигателя Ml. Обмотка возбуждения двигателя питает-
ся от сети напряжением 220 В через предохранитель Пр, выключа-
тель К1 и фазосдвигающие конденсаторы С1 и С2. Ротор ревер-
сивного двигателя вращается в ту или иную сторону и перемещает
движок реохорда Rfl до наступления равновесия в мостовой из-
мерительной схеме.
Классификация и типы выпускаемых автоматических мостов.
В зависимости от формы представления информации автома-
тическим мостам присвоены следующие шифры: КСМ— с записью
на ленточной диаграмме; КПМ — показывающие с плоской шка-
лой; КВМ—показывающие с вращающейся шкалой; КСУ, КПУ
и КВУ — приборы для измерения унифицированных сигналов из-
мерительных преобразователей государственной системы прибо-
ров (ГСП); КСД, КПД, КВД — приборы с дифференциально-
трансформаторной измерительной схемой.
В приборах всех типов предусмотрены устройства, предназна-
ченные для регулирования технологических процессов.
В зависимости от габаритных размеров приборы разделяют на
следующие группы:
миниатюрные типов КСМ1, КСД1, КСУ1—ширина поля запи-
си и длины шкалы 100 мм, габаритные размеры 160X200X500 мм;
малогабаритные типов КСМ2, КСД2, КСЦ2 — ширина поля
записи и длина шкалы 160 мм, габаритные размеры 240Х320Х
Х492 мм;
нормальногабаритные типов КСМ4, КСУ4 — ширина поля за-
писи и длина шкалы 250 мм, габаритные размеры 400Х400Х
Х367 мм;
показывающие приборы с вращающейся шкалой типов КВМ1,
КВД1, КВЧ1—длина шкалы 500 мм, габаритные размеры 160Х
X200X470 мм;
показывающие приборы с плоской шкалой типов КПМ1.КПД1,
КПЧ1—-длина шкалы 195 мм, габаритные размеры 160Х200Х
Х520 мм;
приборы с дисковой диафрагмой типов КСМЗ, КСДЗ, КСУЗ —
длина шкалы 600 мм, габаритные размеры 320x320X400 мм.
Разграничение назначения приборов позволило создать прибо-
126
ры различных классов точности в соответствии с длиной шкалы:
миниатюрные класса 1; малогабаритные класса 0,5; нормально-
габаритные класса 0,25.
Время пробега кареткой (указателем) всей шкалы составляет
1; 2,5; Юс.
Конструктивное исполнение приборов базируется на блочно-
модульном принципе. Блоки расположены на выдвижных и пово-
ротных кронштейнах, что обеспечивает доступ к блокам, повыша-
ет их ремонтоспособность. Электрические блоки соединены меж-
ду собой с помощью штепсельных разъемов.
Тип градуировки и пределы измерений автоматических мос-
тов приведены в табл. 5.9, основные технические характеристи-
ки — в табл. 5.10.
ТАБЛИЦА 5.9
Тип термо- преобразо- вателя	Градуи- ровка	Пределы измере- ний, вС		Тип термо- преобразо- вателя	Гра- дуи- ровка	Пределы изме-, рений, °C		
ТСП, сопро- тивление /?<,= 10 Ом при t = 0 °C ТСП, сопро- тивление .Ro = 46 Ом при t=0 °C	юп Гр. 21	0—300 0—400 0—500 0—650 300—650 От —200 » —120 » —70 0—100 0—150 0—200 0—300 0—500 200—500 50—100 50—150	до —70 » +30 » +180	ТСП, сопро- тивление Ro= ЮО Ом при t= °C	100П	От —260 » —200 » —120 » —90 » —25 0—50 0—100 0—150 0—200 0—300 0—400 0—500 200—500	дс » » »	+ 50 +20 +30 +50 +25
ТСМ, сопро- тивление 7?о = 53 Ом при f=0 °C	Го. 23	От —50 до +0 » —50 » +50 » —50 » +100 0—50 0—100 0—150 0—180 50—100		ТСМ, сопро- тивление Яо= ЮО Ом при f=0 °C	юом	От —50 до » —50 » » —50 » » —50 » » —25 » » —25 » 0—25 0—50 0—100 0—150 0—180 50—100		0 + 501 4-100- + 100 + 100 + 25
Автоматические цифровые мосты. Цифровая форма представ-
ления результатов измерения непосредственно в виде числа в де-
сятичной системе счисления или в виде цифрового кода позволя-
ет практически полностью устранить ограничения, накладывае-
мые на точность приборов размерами их отсчетных устройств,
127
повышает, помехоустойчивость приборов и позволяет автоматизи-
ровать процесс измерения и регистрации данных, в том числе, ав-
томатический выбор пределов измерения.
ТАБЛИЦА 5 10
Тип моста	Класс точ- ности	Пог- реш- ность запи- си, %	Скорость перемеще- ния диаг- раммной лен- ты, ММ*Ч~1	Длина шка- лы, мм	Время пробега шкалы, С	Напря- жение пита- ния, В	По- треб- ляе- мая мощ- ность В-А	Мас- са, кг, не более	Коли- чест- во то- чек изме- рения
киш	1	—	—	100	2,5; 5		16	12,5	1
КСМ.1	1	±1	10; 20; 40; 60; 120	100	2,5; 5		16	12,5	1;3;6
К.СМ.2	0,5	±1	20—24000	160	2,5; 10		30	17;21	1 ;3; 6; 12
ксмз	0,5	±1	Время обо- рота диа- граммы 24 ч	600	5; 16		60	19	1
КСМ.4	0,25	±0,5	20—18000	250	1;2,5;10	220 В; 50 Гц	55	25	1;3; 6; 12
КВМ1	0,5	—	—	500	2,5;10		20	12,5	1;6;12
МФС	0,5	±1	10—120	100	5; 16		35	20	1
МФП	0,5	—	—	270	5; 16		35	20	1
Измерительная схема цифровых автоматических мостов приве
дена на рис. 5.18. Это четырехплечий мост, в одно из плеч которо
го, например, в первое включен термопреобразователь сопротив
ления Кт. оторое и третье пле-
чо являются плечами отноше-
ния и служат для автоматиче-
ского выбора диапазона изме-
рения сопротивления. Сопро-
тивления указанных плечей
моста изменяются с помощью
комбинации включения состав-
ляющих сопротивлений — со-
ответственно #21, /?22, • • • , Rim и
#31, Яз2,---,Язп, которая осу-
ществляется автоматически с
помощью управляющего уст-
ройства УУ. Мост приводится
в равновесное состояние путем
регулирования сопротивления
четвертого плеча, состоящего и
соотношение между которыми
Рис. 5.18. Измерительная схема цифро-
вых автоматических мостов
магазина проводимостей Gi... Gn,
эчно соответствует числам цифро-
128
ТАБЛИЦА 6.11
Тип цифро- вого моста •	Диапазон изме- ряемых сопро- тивлений	Поддиапазоны изме- рений, Ом
Р380	От 0,001 Ом до 10 МОм	0,001—99,999 Ом 100—999,0 Ом 1 -9,9999 кОм 10—999,99 кОм 1—9,9999 МОм
Р382	От 0,01 Ом до 10 МОм	0,01—99,99 Ом 100 Ом — 999,9 кОм 1-9,999 МОм
Р383	От 0,01 до IO10 Ом	0,01—999,99 Ом 1—1000 кОм 1—100 МОм 10—10000 МОм
Щ34	От 10-3 до 109 Ом	0,001 Ом — 1 кОм 1 —100 кОм
Погрешность измере ния, % от измеряе- мого сопротивления	Мощность, рассеивае мая на из меряемом сопротив- лении, Вт, нс более	Наработка на отказ и довери- тельная вероят- ность	Масса, кг	Габаритные размеры, мм
10 ± (0,003 + 0,07^-) до 10 Ом ±0,05 от 10 до 100 Ом ±0,05 ±0,05 ±0,05 ±0,2	0,03	500 ч при Р = 0,8	22	500X250X500
± (0,2 + 0,3-^- ) до 10 Ом ±0,5 от 10 до 100 Ом	0,03	500 ч при Р = 0,8	22	250X500X500
0,05 0,05				
± (0,15+0,05.12.) X до 100 Ом ±0,2 ±0,5 ±1,0	0,03	500 ч при Р = 0,8	22	250X500X500
0,1 ±0,01 — 0,02+0,005 — Rx	0,03		15	500X400X200
вого кода. Проводимости для уравновешивания моста также вы-
бираются автоматически с помощью устройства управления УУ.
Технические характеристики мостов, регламентируемые ГОСТ
25242—82, приведены в табл. 5.11.
§ 5.7.	Измерение сопротивления термопреобразователей
логометрическим методом
Измерение сопротивления термопреобразователя может осуще-
ствляться с помощью логометров, построенных на принципе вза-
имодействия магнитных полей токов в цепях термопреобразова-
теля сопротивления /?т и постоянного сопротивления R (рис. 5.19).
Основной элемент логометра — подвижная система, состоящая из
двух жестко скрепленных скрещенных рамок 1 и 2, выполненных
из тонкого медного изолированного провода. Рамки имеют одну
общую ось вращения и находятся в зазоре
постоянного магнита 3. Ток от источника
питания при замкнутой цепи разветвляется
в точке А на две параллельных ветви /1 и
/г- В одну ветвь включена рамка 1 и термо-
преобразователь сопротивления 7?т, в дру-
гую— рамка 2 и постоянное сопротивление
R. В электрическую цепь рамки включены
таким образом, что токи Ц и /2 текут на-
встречу друг другу и создают в рамках
противоположные моменты вращения. В слу-
чае равенства токов Ц и /2 моменты, созда-
ваемые в рамках при взаимодействии с по-
Рис. 5.19. Схема логометра
лем постоянного магнита, равны, и рамки расположены симмет-
рично относительно магнита.
При изменении сопротивления термопреобразователя 7?т под
воздействием, например, повышения температуры, отношение то-
ков Ц и /2 изменяется, так как ток Д уменьшается с увеличением
R?, соответственно изменяются и моменты и М2, создаваемые
в рамках, что вызывает поворот всей подвижной системы. Воздуш-
ный зазор между полюсами магнита N и S и сердечником 4 сде-
лан неравномерным, и магнитная индукция в зазоре непостоянна.
Поэтому при повороте всей подвижной системы с жестко скреп-
ленными рамками одна из рамок, например 1, попадает в более
сильное магнитное поле, а рамка 2 — в более слабое. В этих ус-
ловиях моменты вращения рамок Mi и М2 вновь уравновесятся, а
по шкале заранее проградуированного прибора можно отсчитать
температуру термопреобразователя.
Напряжение источника питания в логометре теоретически не
влияет на угол поворота рамок, который определяется только от-
130
ношением токов Л и /г- Практически изменение напряжения вы-
зывают ощутимую погрешность лишь при отклонении напряжения
источника питания ИП на значение, превышающее ±20 % от но-
минального.
ТАБЛИЦА 5.12
Тип логометра
Класс
точ-
ности
Вариа-
ция
пока-
заний,
0/л
Сопро-
тивле-
ние
линий,
Ом
Пределы измерений,
°C
Мас-
са,
кг
Габаритные
размеры, мм
UI69001
Ш69002
Л64
Л64И
ЛР-64-02
2	3	15	От —260 до +750	3	120X120X220
2	3	15	» —260 » +750		
1,5	1,5	5; 15	» —260 » +750	2,5	200X100X233
1,5	1,5	5; 15	» —260 » +750	3,0	200ХЮ0Х275
1,5	1,5	5; 15	» —260 » +750	4,0	200X100X275
Примечание. Градуировка логометров по ГОСТ 6651—78.
Типы и технические характеристики логометров регламентиру-
ются ГОСТ 9736—80 (см. табл. 5.12).
§ 5.8.	Основные метрологические характеристики
термометров сопротивления
Основные источники погрешности измерения температуры с по-
мощью термометров сопротивления следующие:
погрешности градуировки термопреобразователей сопротивле-
ния и подгонки соединительной линии;
погрешности, обусловленные основной и дополнительной по-
грешностями измерительного прибора;
методические погрешности, зависящие от условий применения
термопреобразователей, в частности, от условий теплообмена с ок-
ружающей средой и т. п.
Погрешность градуировки термопреобразователей сопротивле-
ния. При поверке в процессе производства промышленных термо-
преобразователей сопротивления определяют отклонение от зна-
чения стандартизованных номинальных статических характерис-
тик.
Допускаемые отклонения номинальных статических характе-
ристик регламентируются путем установления допускаемых от-
клонений номинального значения сопротивления при 0°С и от-
клонения значения отношения сопротивления термопреобразова-
телей Ц7100 при 100 °C к сопротивлению при 0°С.
Суммарное отклонение номинальной статической характерис-
тики Д2 определяется по формуле
Ах — Ar -ф Дуг + А/,	(5.7)
где Ан — погрешность, обусловленная отклонением сопротивления
при 0 °C от номинального значения, К; Aw— погрешность, обус-
9'
131
ловленная отклонением отношения сопротивления термопреобра-
зователя при 100 °C к сопротивлению при 0°С от номинального
значения, К; А/ — погрешность, обусловленная нагревом термопре-
образователя измерительным током, К;
Рис. 5.20. Допускаемые отклонения для платиновых ТС:
а — IVjoo — 1,3910, б — ^100= 1,3850, 1 — класса С (°C), 2 — класса С (Ом); 3 — класса В (°C);
4 — класса В (Ом), 5 — класса А (°C), 6 — класса А (О'м)
Погрешность, обусловленная нагревом термопреобразователя
измерительным током Ат, для платиновых и медных термопреоб-
разователей всех классов установлена равной 0,1 % при темпера-
туре 0 °C. Это соответ-
ствует 0,25 К для пла-
тиновых и 0,24 К для
медных. Допускаемые
отклонения от номи-
нальной статической
характеристики преоб-
разования ТС с номи-
нальным значением со-
противления /?о=ЮО
при 0 °C приведены на
рис. 5.20, а медных
(ТСМ) — на рис. 5.21.
Основные источни-
ки погрешности авто-
матических мостов. По-
грешность автоматиче-
ских мостов складыва-
ющаяся из погрешно-
Рис. 5.21. Допускаемые
отклонения для медных
ТС:
й — Wюо= 1,4280, б — IV 1оо=»
1,4260, / — класса С (°C);
2 —класса С (Ом),	3 —
класса В (°C);	4 — клас-
са В (Ом)
Z32
сги измерения и записи, подразделяется на основную и дополни-
тельную.
Основная погрешность имеет место при нормальных условиях
работы моста. Дополнительные погрешности вызваны влиянием
внешних факторов при отклонении условий работы прибора от
нормальных.
Источниками дополнительных погрешностей мостов, например,
являются- отклонение температуры окружающей среды от нор-
мальной, приводящее к изменению параметров электрической це-
пи моста и механических повреждений подвижных частей; откло-
нение моста от его рабочего положения в каком-либо направле-
нии; влияние внешнего электрического или магнитного поля, на-
рушающего работу измерительной схемы, следящего устройства
и т. д.; изменение частоты питающей сети и напряжения питания.
Нормируемые метрологические характеристики погрешностей
измерения и записи автоматических мостов определяются ГОСТ
7164—78 и ГОСТ 8.009—84.
Погрешность измерений А мостов разделяется на систематиче-
скую Ас и случайную А0 погрешности.
Погрешности А автоматических мостов характеризуются пре-
делом Ак допускаемого значения погрешности автоматического
моста; пределом допускаемого значения; математическим ожида-
нием Л4[А] и средним квадратическим отклонением о (А) погреш-
ности автоматического моста.
Основная погрешность Д для автоматических мостов на прак-
тике оценивается пределом Ад допускаемого значения погрешно-
сти или средним квадратическим отклонением о (А) погрешности
автоматического моста.
Основную погрешность уравновешенных мостов находят по
формуле
& =	(5 8)
R, R ’
где Rr— значение номинальной статической характеристики тер-
мопреобразователя сопротивления для поверяемой отметки шка-
лы, Ом; Ro — сопротивление на контрольном магазине сопротив-
лений, соответствующее поверяемой отметке шкалы, Ом; RK и
/?н — табличные значения сопротивления, соответствующие концу
и началу шкалы, Ом.
Допускаемая основная погрешность автоматических уравнове-
шенных мостов нормируется ГОСТ 7164—78, согласно которому
приборы подразделяются на классы точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5 с
соответствующей им основной погрешностью на всех отметках
шкалы ±0,25%; ±0,5%; ±1,0% и ±1,5%. Дополнительные по-
1 решности также нормируются ГОСТ 7164—78.
Дополнительная погрешность при изменении температуры ок-
ружающего воздуха на ±5 °C от 20 °C до любой температуры в
пределах 5—50 °C на каждые 10 °C не должна превышать для ав-
юматических уравновешенных мостов классов 0,25 и 0,5 с диапа-
зоном измерений 10Ом и более 0,1 %, а для уравновешенных мо-
133
стов классов 1,0 и 1,5 — 0,15 %. Дополнительная погрешность, обу-
словленная влиянием внешнего электромагнитного поля напря-
женностью 400 А-м-1, образованного переменным током частотой
50 Гц, при самой неблагоприятной фазе и направлении поля не
должна превышать 0,5 %.
Источниками основной погрешности автоматических мостов
являются:
погрешность измерительных схем, в том числе: погрешность
из-за неравномерности намотки реохордов, неодинаковых диамет-
ров и сопротивления по всей длине проволоки; эта погрешность
достигает в ряде случаев 0,13—0,15% сопротивления реохордно-
го устройства; погрешность, вызываемая нестабильностью элемен-
тов измерительной схемы (реохорда, катушек, сопротивлений
и т. д.); погрешность из-за вибрации деталей и элементов моста,
•особенно во входных трансформаторах;
погрешности отсчета и записи показаний, в том числе, погреш-
ность изготовления шкал, установки шкалы; погрешность откло-
нения указателя моста от необходимой формы и т. п.; погрешность
записи, обусловленная несовпадением отметок шкалы с соответ-
ствующими делениями сетки диаграммной ленты; изменением раз-
меров бумаги при изменении влажности окружающего воздуха;
неточностью механизма перемещения бумаги; запаздыванием за-
писывающего устройства, вызываемым инерцией следящей систе-
мы потенциометра.
Вариация показаний автоматических мостов — наибольшая раз-
ность показаний при прямом и обратном перемещениях показыва-
ющего и записывающего устройства при одном и том же значении
измеряемой величины и постоянных окружающих условиях.
Вариацию показаний Дв определяют как разность отсчетов из-
меряемой величины при возрастающих и убывающих значениях
по формуле
Дв =	(5.9)
— Ки
где Ri, /?2 — сопротивление на образцовом магазине при возраста-
ющем и убывающем значениях измеряемой величины, Ом; RH,
RK — табличные значения сопротивления, соответствующие нача-
лу и концу шкалы моста, Ом.
Вариация показаний выражается в процентах от пределов из-
мерений прибора и не должна превышать 0,2 % для приборов
класса 0,25 и половины абсолютного значения допускаемой основ-
ной погрешности — для приборов остальных классов.
Суммарная инструментальная погрешность термометров сопро-
тивления слагается из погрешности термопреобразователя сопро-
тивления и измерительного прибора
Д2 = / Д2гр + А2/ + Д2“	(5.10)
где Дгр — погрешность градуировки термопреобразователя сопро-
тивления, К; Д;— погрешность нагрева термопреобразователя из-
134
мерительным током, К; Дм — погрешность автоматического мос-
та, К.
Пример. Требуется оценить погрешность измерения температуры термомет-
ром сопротивления, состоящим из термопреобразователя сопротивления типа
ТСП класса В и автоматического уравновешенного моста типа КСМ.-2 класса
0,5 с пределами измерений 0—500 °C. Допускаемая погрешность градуировки
Дгр составляет 0,30 К вблизи 0 °C и 2,80 К вблизи 500 °C. Предел избыточно-
го нагрева измерительным током А/ составляет 0,25 К.
Погрешность вторичного прибора равна 2,3 К для начала шкалы и 2,7 К
для конца шкалы. Тогда, по формуле (5.10), суммарная погрешность термомет-
ра сопротивления
(0,30)2 + (0,25)2 -р (2,3)2 = 2,3Д для начала шкалы;
=	(2,80)2 + (0,25)2 + (2,7)2 = 4,0 7С для конца шкалы.
Аналогичным путем можно рассчитать погрешность измерения для других
шкал и классов точности термопреобразователей сопротивления и измеритель-
ных приборов.
ГЛАВА 6
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ
§ 6.1.	Полупроводниковые термометры
Наряду с термочувствительными преобразователями из металлов
в термометрах используют преобразователи из полупроводников.
Термочувствительными свойствами полупроводников являются
электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила, сила
тока в прямом и обратном направлении в диодах и напряжение
на коллекторе транзистора.
Полупроводниковые термометры сопротивления. Температурный
коэффициент сопротивления полупроводников значительно боль-
ше в сравнении с металлами, что привело к широкому примене-
нию полупроводниковых термометров сопротивления в автомати-
ке, электротехнике, термометрии.
Полупроводники, изменяющие сопротивление в зависимости от
температуры, называют терморезисторами. Если терморезистор
имеет отрицательный коэффициент сопротивления, то его называ-
ют термистором, положительный — позистором.
Механизм проводимости электронов в полупроводнике состоит
в том, что электроны, находящиеся в определенном энергетиче-
ском состоянии, могут перейти в другое состояние через запре-
щенную зону, если им сообщить энергию. При повышении темпе-
ратуры большее число электронов в термисторе переходит в бо-
135
лее высокое энергетическое состояние, электропроводность увели-
чивается, а сопротивление падает. Для позисторов наблюдается
увеличение сопротивления с повышением температуры.
Зависимость сопротивления 2? от температуры Т для терми-
стора следует закону
R = А ехр(ДТ),	(6.1)
где А и В — постоянные.
Из выражения (6.1) можно найти температурный коэффици-
ент a^\IR-dRldT= —В]Т2.
Постоянная В для различных материалов колеблется в преде-
лах 2000—6000 К при / = 25°С, а а в пределах 0,02—0,06 К"1.
Как правило, термисторы и позисторы используют в диапазо-
не от —60 до +(300 °C, но известны полупроводники, используе-
мые до 1000 °C.
Для создания резисторов применяют различные полупровод-
никовые материалы — это смесь окислов Мп, Со, Ni, Си, Al, Be,
Mg; закись — окись железа Fe3O4 (FeO-Fe2O4) с добавками MgOx
ХСг2О3 или 2ZnO-TiO2; окись железа Fe2O3, легированная дву-
окисью титана TiO2; окисли никеля NiO или кобальта СоО с до-
бавками окиси лития LiO. Для позисторов используют полупро-
водниковые поликрисгаллические соединения типа керамик (ти-
танат бария BaTiO3, соединения с Sr, Sn, Zr или Pb).
В области низких температур широкое применение нашли гер-
маниевые термометры сопротивления, легированные мышьяком,
галлием и сурьмой. Зависимость сопротивления от температуры
может быть представлена в виде R = 2 (1gТ)п, где п = 5—12.
Температурный диапазон применения германиевых термомет-
ров составляет 1,5—100 К, воспроизводимость 0,5—1,0 мК.
В диапазоне 20—400 К были выполнены исследования анизо-
тропных кристаллов антимонида кадмия — полупроводника, для
которого установлена экспоненциальная зависимость отношения
сопротивлений в двух разных направлениях (главных кристалло-
графических осей) в функции температуры.
Полупроводниковые термоэлектрические термометры. Для из-
готовления чувствительных элементов термометров используют
различные термопары.
Термопара молибден — силицид молибдена (Мо — MoSiO2)
применяется при измерениях на воздухе и в кислороде до 1700 °C,
в восстановительной среде до 1850°C. ТЭДС равна 24 мВ при
1800 °C, выше 200 °C изменяется линейно.
Термопара вольфрам — окись тория (2%) —n-карбид кремния
имеет ТЭДС около 500 мВ при 2000 °C. Разброс по температуре
для различных партий составляет ±1 %.
Термопара из карбида кремния (nSiC — pSiC), легированная
примесями, применяется в окислительных средах при кратковре-
менном действии до 2000 °C. ТЭДС при 1700 °C составляет
100 мВ.
136
ТЭДС графитвольфрамовой термопары в неокислительной сре-
де равна 45 мВ при температуре 2100°С. Разброс для разных тер-
мопар составляет ±5%. Отклонения в процессе эксплуатации со-
ставляют ± 10 К.
Термопара графит — графит — бор (1%) при 2000°С имеет
ТЭДС 90 мВ, погрешность ЮК, разброс для разных термопар до-
стигает ±35 К, используется в нейтральной и восстановительной
атмосфере до 2600 °C.
ТЭДС термопары графит —карбид кремния (С — SiC) равна
500 мВ при 1700 °C, может применяться до 2700°C, погрешность
составляет 10 К.
Термопара карбид ниобия — карбид циркония (NBC — ZrC)
применяется при температурах 3000—3500 °C.
Нижний предел применения полупроводниковых термопар раз-
личен, он колеблется в диапазоне от 200 до 1000 °C.
Термопарами измеряют температуру жидких металлов, спла-
вов, тугоплавких огнеупорных материалов, стекол и солей.
В СССР полупроводниковые термоэлектрические термометры
не стандартизованы.
Диодные и транзисторные термометры применяются для изме-
рения низких температур. Термочувствительным элементом в них
служат диоды с р — «-переходами из германия, кремния и арсе-
нида кремния. Термометрическим свойствам, используемым в тер-
мометре, является температурная зависимость падения напряже-
ния на р — «-переходе. В диапазоне 2—300 К для арсенида гал-
лия эта зависимость почти линейна. При 4,2 К чувствительность
термометра составляет 1,5 мВ/К.
В диапазоне 100—200 °C применяют кремниевые и германие-
вые транзисторные термометры. Термоэлектрическим свойством
является зависимость от температуры прямого напряжения на
р — «-переходе при постоянном токе эмиттера. Может быть ис-
пользована также зависимость от температуры тока коллектора
при постоянстве напряжения эмиттер — база. Стабильность пока-
заний транзисторных германиевых термометров характеризуется
изменением показаний в течение года до 0,2 К при азотных тем-
пературах (—196°С) и 0,04К при комнатных (20°С). Стабиль-
ность показаний кремниевых термометров составляет в год 0,1 К.
Развитие термометрии на основе диодов и транзисторов про-
исходит вследствие их высокой чувствительности, вибростойкости,
малых габаритных размеров и низких значений тепловой инерции.
Для многих целей погрешность порядка сотых долей кельвина яв-
ляется удовлетворительной.
§ 6.2.	Акустические термометры
Акустические термометры построены по зависимости скорости
распространения звука в среде от значения термодинамической
температуры.
Если создать термочувствительный элемент термометра в ви-
137
де резонатора с газом, то для такой системы будет справедливо
уравнение
ау2 = —(6 2)
т cv
где w — скорость распространения звука; /? — универсальная га-
зовая постоянная; Т — термодинамическая температура; т —
масса одного моля газа; ср, cv — удельная теплоемкость газа со-
ответственно при постоянных давлении и объеме.
Для реальных газов уравнение (6.2) преобразуется к виду
w — Wp^o (1 4- В (Т) р + С (Т) р2 -L . . .) (	(6.3)
где wp-+o — скорость звука при давлении р->0; В(Т), С(Т) —вто-
рой и третий вириальные коэффициенты газа.
Из уравнения (6.2) следует, что если не учитывать темпера-
турную зависимость отношения удельных теплоемкостей и поправ-
ки на неидеальность газа, то уравнение температурной шкалы бу-
дет иметь вид
7'=^о(—V,	(6.4)
где То — термодинамическая температура тройной точки воды;
w0 — скорость распространения звука при То.
Рис. 6.1. Блок-схема акустического термометра
Если в качестве термометрического вещества применять жид-
кость, то отношение теплоемкостей будет близко к единице и от
температуры почти не зависеть. Акустические термометры созда-
ют 1акже на основе использования температурной зависимости
скорости ультразвуковых волн в твердых телах.
На рис. 6.1 приведена блок-схема акустического термометра.
В качестве первичного преобразователя ПП использован резона-
138
тор, наполненный газом, жидкостью или представляющий собой
твердое тело, в котором распространяется звуковая волна w(T).
В схеме с опорным первичным преобразователем ОПП резонатор
помещается в среду с известной температурой То. С помощью
акустического интерферометра АИ измеряется расстояние L меж-
ду пучностями звукового давления при заданной частоте генера-
тора / и вычисляется скорость звука; w=fL.
Промежуточные преобразователи ПрП выполняют функции
вычислений скоростей w(T) и их отношений w(T)lw(To). Значе-
ние термодинамической температуры Т, определенное по форму-
ле (6.4), фиксируется на регистрирующих устройствах АЦП. Та-
ким образом, реализуется метод акустических стоячих волн.
Импульсный метод состоит в том, что пьезоэлектрический из-
лучатель посылает ультразвуковые импульсы, которые принима-
ются приемником такого же типа. Частота импульсов стабилизи-
руется. Если измерить время запаздывания сигнала и знать дли-
ну чувствительного элемента L, то скорость звука w при темпера-
туре Ti можно определить по формуле
= —(6.5)
"1 - "О
где то— момент времени испускания импульса.
Используя выражения (6.4) и (6.5), для искомой температу-
ры Тг можно получить уравнение
Т2 = 7\ (^^°У,	(6.6)
^2—0/
где т2 — время фиксации импульса на приемнике при температу-
ре Т2.
Фазовый метод измерения основан на температурной зависи-
мости разности фаз звуковой волны испускаемого и принимаемо-
го сигналов.
Погрешности измерений с помощью акустического термометра
в метрологической практике при реализации на резонаторе с гел-
лием составляют 0,001—0,01 К в диапазоне 4,2—300 К; для тер-
мометра с резонатором из кварца, молибдена, вольфрама или сап-
фира для промышленного использования погрешность находится
в пределах от десятых долей кельвина до 1 % при температурах
300—3000 к. При измерениях в ядерных реакторах под интенсив-
ным воздействием облучения воспроизводимость показаний при
3000 К достигала 30 К.
В НПО «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» был создан и иссле-
дован акустический термометр для воспроизведения единицы тем-
пературы по ТТШ в диапазоне 2—273,15 К. В качестве термомет-
рического газа был использован гелий. Термометр имел различ-
ные модификации с одним и двумя резонаторами. Измерения тер-
модинамической температуры точки кипения кислорода были
выполнены с большой точностью: Тп. = (90,18 ±0,01) К.
139
Ультразвуковой диапазон частот используется для акустиче-
ских термометров в диапазоне температур 1000—2000 К с чувст-
вительными элементами из вольфрама и другими высокотемпера-
турными металлами.
§ 6.3.	Кварцевые термометры
Кварцевый термометр основан на температурной зависимости
собственной резонансной частоты кварцевого пьезоэлемента. Ча-
стота f пьезоэлектрического кристалла кварца обладает высокой
стабильностью. Температурная зависимость частоты имеет следу-
ющий вид: f(t)=fo(l+at + bt2-\~ct3), где t — температура кварца;
fo — частота при 0°С; а, Ь, с — константы, определяемые из экс-
перимента при различных температурах.
Если осуществить такой срез кварцевого кристалла, при кото-
ром в уравнении (6.6) можно пренебречь членами высоких поряд-
ков, т. е. 6 = 0 и с = 0, то получается линейная зависимость резо-
нансной частоты от температуры	+ В этом случае
кварцевый термометр может быть легко преобразован в цифро-
вой прибор.
В СССР и за рубежом созданы различные кварцевые термо-
метры. Основной диапазон применения термометров составляет
от —80 до 250 °C, разрешение достигает 10 ° К, частотный диапа-
зон 5—30 МГц. Для кварцевого термометра наблюдается гисте-
резис, достигающий 0,05 К-
Кварцевый термометр не может применяться для точных из-
мерений температуры из-за гистерезиса. Однако, обладая не-
большим временным дрейфом, до 0,005 К в месяц, термометр мо-
жет использоваться для относительных измерений с высокой точ-
ностью, что определяется его высокой разрешающей способно-
стью по температуре. Кроме того, в связи с наличием частотного
выхода, термометр имеет преимущество перед другими прибора-
ми при его применении в автоматических схемах регулирования
тепловых режимов различных объектов.
§ 6.4.	Квадрупопьные ядерные термометры
Квадрупольный ядерный термометр (КЯТ) основан на термо-
метрическом свойстве вещества — температурной зависимости ча-
стоты ядерного квадрупольного резонанса. Ядро элемента, входя-
щего в состав молекулы и обладающее квадрупольным моментом,
может иметь электростатическое взаимодействие с градиентом
электрического поля молекулы. Это взаимодействие приводит к
появлению спектра квантованных значений энергии, образуя
сверхтонкую квадрупольную структуру вращательного спектра
молекулы. Если на исследуемое вещество наложить высокочас-
тотное электрическое поле с частотой v, при которой возникает
резонансное поглощение, то можно обнаружить расщепление вра-
щательных уровней молекулы.
140
Изменение резонансной частоты вызывается температурной за-
висимостью амплитуд крутильных колебаний молекул в кристал-
лической решетке, что, в свою очередь, изменяет градиент элект-
рического поля. Учет этого эффекта и получение соответствующей
аналитической зависимости v=v(T) позволили согласовать экс-
периментальные и теоретические данные в диапазоне температур
4—100 К- Для диапазона 60—300 К получена аналитическая за-
висимость резонансной частоты с учетом теплового расширения
термометрического вещества.
Используя полученную зависимость, можно по эксперимен-
тальным данным построить зависимость с погрешностью 0,005 К.
Температурную зависимость резонансной частоты можно пред-
ставить в следующем виде
exp (Av./feT) — 1
где Т — термодинамическая температура; vo — резонансная часто-
та для неподвижной молекулы; S — сумма решетчатых колебаний;
h — постоянная Планка; Л — инерционный параметр; vi — часто-
та решетчатых колебаний.
Состояние теории квадрупольного резонанса не позволяет с до-
статочной точностью описать экспериментальную зависимость v(T),
однако по этим зависимостям можно строить практические темпе-
ратурные шкалы для различных термометрических веществ.
Достаточно тщательно изучена зависимость v(T) для хлората
калия КС1О3 в диапазоне 10—590 К. Хлорат калия обладает боль-
шим квадрупольным моментом ядра хлора — 35, что определяет
значительную чувствитель-
ность термометра. Воспро-
изводимость резонансной
частоты обусловлена высо-
кой стабильностью пара-
метров ядра. Погрешность
измерений составляет 0,001 —
0,01 К- Для диапазона 4,2—
870 К в качестве термомет-
рического вещества исполь-
Рис. 6.2. Блок-схема квадрупольного ядер-
ного термометра
зовали кристаллы закиси
меди Сп2О. Погрешность измерений импульсными КЯТ составля-
ет 0,02—0,10 К.
Принципиальная схема КЯТ изображена на рис. 6.2. Первич-
ным преобразователем ПП является образец с веществом, кото-
рый помещают в радиочастотное поле, создаваемое катушкой. Ка-
тушка входит в колебательный контур генератора-детектора ГД,
который может реализовываться по регенеративной или сверх-
регенеративной схемам. При прохождении частоты генератора че-
рез резонансное поглощение энергии электромагнитного поля в
веществе ПП фиксируется резонансная частота v(T) при данной
температуре Т.
U!
С выхода ГД сигнал поглощения попадает на промежуточный1
преобразователь ПрГГ. вначале на широкополосный усилитель и
фазовый детектор, после чего напряжение усиливается усилите-
лем постоянного тока и по цепи обратной связи с ГД управляет
системой слежения за резонансной частотой поглощения v(T’),
как это реализовано в ГД по схеме сверхгенератора. В качестве
регистрирующих устройств РУ применяют ЦПУ, осциллографы
и др.
§ 6.S.	Магнитные термометры
В гл. 1 упоминалось, что в соответствии с ГОСТ 8.157—75 мо-
жно построить практическую температурную шкалу на основе
температурной зависимости магнитной восприимчивости парамаг-
нитных веществ в диапазоне 0,01—0,8 К- Магнитные термометры
создают для этого диапазона на основе церий-магниевого нитра-
та. Путем адиабатического размагничивания парамагнитных со-
лей можно достичь температуры порядка 0,001 К.
Уравнение, связывающее термодинамическую температуру с
физическими величинами, определяющими свойства термометри-
ческого вещества, имеет более сложный вид, чем выражение, при-
веденное в гл. 1. Для точного определения термодинамической
температуры следует учитывать квантово-механическое взаимо-
действие парамагнитных ионов термометрического вещества и от-
клонения от закона Кюри.
В 1976 г. была принята Временная температурная шкала
1976 г. в диапазоне 0,5—30 К на основе магнитного термометра с
использованием парамагнитных веществ. Практически измерения
выполнялись с применением в качестве термометрического пара-
магнитного вещества метафосфата гадолиния, этилсульфата нео-
дима и других.
§ 6.6.	Шумовые термометры
Принцип измерения термодинамической температуры с помо-
щью шумовых термометров (ШТ) основан на формуле Найквис-
та, устанавливающей зависимость между термодинамической тем-
пературой Т, спектральной плотностью шумового напряжения U
и активным сопротивлением R
U = 4kTR	(6.7)
где k — постоянная Больцмана.
Шумовое напряжение U обусловлено хаотическим тепловым
движением носителей электрических зарядов (электронов, ионов)
в электропроводной среде и возникает на сопротивлении R, вклю-
ченном в замкнутую электрическую цепь.
Для среднего квадрата шумового напряжения в полосе частот
А/ справедлива формула
U2 = 4kTRhf.	(6.8)
142
Формулы (6.7) и (6.8) проверяли экспериментально при раз-
личных частотах для термочувствительных преобразователей из
металла, сплавов, графита, электролитов, полупроводников. Шу-
мовые термометры использовались для измерений температуры
плазмы, в активной зоне ядерных реакторов, в объектах с высо-
ким давлением. В пределах погрешности измерений формула
Найквиста оказалась справедливой.
Первый шумовой термометр был создан в 1949 г. К настоя-
щему времени разработано значительное число схемных решений.
ШТ (рис. 6.3) состоят из следующих структурных элементов:
первичных измерительных преобразователей (ПИП), линий свя-
зи (ЛС), масштабных (МП) и промежуточных (ПрП) преобра-
зователей и регистрирующих устройств (РУ).
Рис. 6.3. Блок-схема шумового термометра
Все известные методы измерения с помощью ШТ можно рас-
пределить на две группы: метод сравнения с мерой и метод непо-
средственной оценки.
Метод сравнения предполагает наличие в схеме термометра
коммутатора и дополнительного опорного первичного преобразо-
вателя ОПП в виде известного сопротивления Ro, находящегося
при температуре То и соединенного с регулируемой емкостью Со
линией связи ОЛС.
При реализации нулевого метода сравнения тепловой шум ПИ11
с помощью коммутатора замещается равным ему шумом, вос-
производимым мерой ОПП.
Рабочая формула имеет вид
Т = T0R0/R	(6.9)
Для приведения к формуле (6.9) необходимо обеспечить со-
блюдение следующего равенства RC = RoCo, где R, С—-сопротив-
ление и емкость измерительного преобразователя при температу-
ре Т.
В методе непосредственной оценки используют основной канал
ШТ без дополнительного опорного преобразователя ОПП.
143
ПИП разработаны для измерений температуры от сотых долей
кельвина до тысяч кельвинов. ПИП, используемые в шумовых
термометрах, делятся на контактные и бесконтактные. В контакт-
ных ПИП в качестве чувствительного элемента применяют пла-
тину, константан, манганин и нихром. Полупроводниковые ПИП
нашли применение при измерениях низких температур.
Впервые в практике температурных измерений была осущест-
влена бездемонтажная поверка полупроводниковых термометров
сопротивления с погрешностью не хуже 0,1 К на установке с шу-
мовым термометром, разработанным в НПО «ВНИИМ им. Д. И.
Менделеева». Бесконтактные ПИП осуществляют в виде емкост-
ных и индуктивных преобразователей.
При измерениях температуры ниже 9 К в ШТ применяется про-
межуточный преобразователь с ячейкой Джозефсона. Если пост-
роить резистивный сквид, замкнув джозефсоновский контакт на
резистор с малым сопротивлением, то наложение шумового на-
пряжения резистора на напряжение контакта создает флуктуацию
частоты генерации сквида. Ширина спектра генерируемых коле-
баний зависит от измеряемой температуры.
В СССР метрологические исследования в области шумовой
термометрии были начаты в 1958 г. во ВНИИМ, где был предло-
жен термометр на основе счета импульсов шумового напряже-
ния, амплитуды которых превышают фиксированное значение на-
пряжения, т. е. метода амплитудной дискриминации. Кроме того,
созданный термометр для измерения низких температур был сли-
чен при температурах 77—90 К с образцовым платиновым термо-
метром сопротивления 1-го разряда. При этом оценка среднего
квадратического отклонения для ШТ составила 0,01—0,02 К в ла-
бораторных и 0,03—0,04 К в промышленных условиях. Разрабо-
танный во ВНИИМ для ядерных установок ШТ прошел испыта-
ния на исследовательских реакторах: при температуре 600 К по-
грешность составила 0,5—0,7 %.
§ 6.7.	Термоиндикаторы
Термоиндикатор — вещество (смесь веществ), изменяющее
свой внешний вид (цвет, яркость свечения, форму) при опреде-
ленной температуре.
Термоиндикатор плавления — это термоиндикатор, у которого
цвет изменяется при критической температуре в связи с плавле-
нием одного или нескольких составляющих компонентов.
Жидкокристаллический термоиндикатор — это термоиндикатор,
содержащий жидкокристаллическое вещество, которое в опреде-
ленном интервале температур изменяет свою структуру так, что
падающий на него свет белого источника отражается с изменени-
ем цвета, резко зависящим от температуры.
Термоиндикаторы плавления необратимы, т. е. изменяют свой
цвет при достижении критической температуры, а затем после
снижения температуры, например, до нормальной, свой цвет не
144
восстанавливают. Это свойство позволяет применять термоинди-
каторы плавления для измерений в труднодоступных местах объ-
ектов, для испытаний в полевых условиях с тем, чтобы зафикси-
ровать и затем даже через длительное время (если необходимо)
расшифровать в лабораторных условиях картину теплового поля
объекта.
По своим электрическим свойствам термоиндикаторы плавле-
ния являются диэлектриками, их удельное объемное электриче-
ское сопротивление, как правило, имеет значения 1014—1015 Ом-см,
а тангенс угла потерь не превышает значения 10-3. Это позволяет
применять их в условиях СВЧ-поле и высоких электрических на-
пряжений.
По теплофизическим свойствам термоиндикаторы плавления
относятся к теплоизоляторам. Теплопроводность разработанных и
ТАБЛИЦА 6.1
Тип термоинди- катора	Критиче- ская тем- перату- ра, 1кр, °C	Инстру- менталь- ная по- греш- ность, К	Цвет термоиндикатора		
			Ниже кр		Выше Ср
ТИ-30	30	±1	Белый ный	непрозрач-	Бесцветный прозрач- ный
ТИ-35	35	±1	То же		То же
ТИ-40	40	+ 1			
ТИ-50	50	-1-1	»		»
ТИ-60	60	+ 1	»		»
ТИ-65	65	±1	»		
ТИ-65с	65	+ 1	Синий		Прозрачный с синим оттенком
ТИ-75	75	±1	Белый прозрачный		Бесцветный прозрач- ный
ТИ-85	85	±1	То же		То же
ТИ-90	90	±1			»
ТИ-105ж	105	+1,5	Желтый ный	непрозрач-	Прозрачный с жел- тым оттенком
ТИ-120	120	+ 1,5	Белый ный	непрозрач-	Бесцветный прозрач- ный
ТИ-120з	120	±1,5	Зеленый ный	непрозрач-	Прозрачный с зеле* ным оттенком
ТИ-140	140	±1,5	Белый ный	непрозрач-	Бесцветный прозрач- ный
ТИ-150р	150	= 1,5	Розовый ный	непрозрач-	Прозрачный с розо- вым оттенком
ТИ-160	160	±1,5	Белый ный	непрозрач-	Бесцветный прозрач- ный
ТИ-180	180	±2,0	То же		То же
ТИ-210	210	±2,0	»		»
ТИ-215	215	±2,0	»		
ТИ-220	220	±2,0	»		»
ТИ-220р	220	±2,0	Розовый ный	непрозрач-	Прозрачный с розо- вым оттенком
ТИ-230	230	±2,0	Белый ный	непрозрач-	Бесцветный прозрач- ный
Ю—1973
145
выпускаемых отечественной промышленностью термоиндикаторов
плавления составляет 0,1—0,3 Вт-м-1-К-1, объемная теплоемкость
с„ = (1—3) -106 Дж-м-з-К"1.
Полный набор термоиндикаторов плавления серии ТП содер-
жит 60 номиналов и охватывает температурный диапазон от 36
до 560 °C.
Большинство номиналов термоиндикаторов плавления серии
ТИ не содержат красителя и в исходном состоянии имеют белый
цвет. Но некоторые составы содержат краситель, в частности, си-
ний, желтый, зеленый или розовый. В этом случае марка термо-
индикатора содержит первую букву этого цвета.
Тонкий слой высохшего покрытия этого термоиндикатора яв-
ляется непрозрачным. При достижении температуры плавления
(критической температуры ^кр) они становятся прозрачными.
В табл. 6.1 приведены краткие характеристики термоиндика-
торов серии ТИ, охватывающих температурный диапазон от 30
до 230°C.
Методика применения термоиндикаторов плавления проста.
Термоиндикаторы наносятся кисточкой или стеклянной палочкой
на чистую, обезжиренную поверхность объекта измерений. Мини-
мальный диаметр термоиндикаторной метки 1—2 мм. Время вы-
сыхания термоиндикаторных меток 30—40 мин. При необходимо-
Рис. 6.4. Схема изме-
рения температуры с
помощью термоииди-
катора плавления
(ТП):
] — не изменившие цвет;
2 — изменившие цвет
сти определить локальную температуру,
например, полупроводникового прибора,
корпуса реле и т. п. наносится ряд после-
довательных меток термоиндикаторами с
различными критическими температурами.
Измеренное значение температуры равно
среднему арифметическому значению кри-
тических температур термоиндикатора с
максимальной температурой из числа из-
менивших цвет и минимальной из числа не
изменивших цвет. Указанное положение
иллюстрируется рис. 6.4, где изменили
цвет термоиндикаторы ТП-52, ТП-60, а не
изменили — ТП-67, ТП-79. В этом случае
значение измеренной температуры равно	(60+ 67)/2 = 63,5° С.
Достоинство термоиндикаторов — возможность нанесения на
большие участки объекта измерений, т. е. определения картины
теплового поля.
Измерить температурные поля термоиндикаторами плавления
можно:
1)	методом последовательного нанесения термоиндикаторов на
исследуемый объект: первым наносится термоиндикатор с макси-
мальной критической температурой, близкой (по расчетным или
другим данным) к максимальной температуре объекта в наибо-
лее нагретой зоне. Затем, с учетом получения первой изотермы,
наносятся термоиндикаторы с меньшими значениями критической
температуры на участки, где не расплавился предыдущий термо-
146
индикатор (с большим значением критической температуры), Не-
расплавившийся индикатор удаляется с поверхности объекта
спиртом или скипидаром;
2)	методом одновременного нанесения узких (1—2 мм) поло-
сок термоиндикаторов с последующим анализом зон плавления и
определения изотерм, соответствующих критическим температу-
рам;
3)	методом разделения исследуемого объекта на зоны с по-
мощью координатной сетки с последующим нанесением в узлах
сетки нескольких (4—6) малогабаритных меток (1—2 мм). После
проведения измерений точки, имеющие равную температуру, со-
единяются линиями, образующими изотермы.
Методы нашли применение в промышленности при тепловых
испытаниях и конструировании аппаратуры.
Первый метод дает наиболее полную картину теплового поля
объекта, но зато наиболее трудоемкий. Кроме того, нанесение
термоиндикатора на значительную (50—100 %) площадь поверх-
ности объекта может исказить температурное поле, обусловлен-
ное различием коэффициентов черноты термоиндикаторов и объ-
екта измерений. Оценка погрешностей показывает, что в условиях
принудительной воздушной конвекции ее значение не превышает
1 К при отличии коэффициентов излучения объекта и термоинди-
Рис. 6.5. Картина температурного поля платы блока усилителя
30
катора до 0,3 и удельных тепловых потоках с поверхности объек-
та не более 100 Вт-м-2. В случаях естественной конвекции в воз-
духе значения погрешности возрастают до 3—5 К, а при пони-
женном давлении достигают максимального значения ЮК-
В связи с этим, в условиях пониженного давления (менее
100 мм рт. ст.) метод последовательного нанесения применять не-
целесообразно.
Третий метод сложен с точки зрения снятия результатов изме-
рений температурных полей, но зато вызывает минимальные ИС-
КУ
147
кажения температурного поля объекта. При самых неблагоприят-
ных условиях измерений искажение температурного поля не пре-
вышает 1 К. В связи с этим, в условиях пониженного давления
(менее 100 мм рт. ст.) метод последовательного нанесения при-
менять нецелесообразно.
Второй метод по своим достоинствам и недостаткам занимает
промежуточное положение между первым и третьим.
На рис. 6.5 приведены результаты определения картины теп-
лового поля на плате блока усилителя (первый метод), а на рис.
6.6—картины теплового поля подложки интегральной микросхе-
мы (третий метод).
Достоинства термоиндикаторов плавления: простота их при-
менения, отсутствие необходимости в специальной аппаратуре и
источниках питания; возможность применения в труднодоступных
местах объекта измерений; в СВЧ-полях и при высоком электри-
ческом напряжении; возможность проводить измерения на боль-
шей поверхности, т. е. определять картину температурного поля;
неискажение термоиндикаторными метками картины теплового
поля объекта; небольшая стоимость и экономичность.
Рис. 6.6. Картина теплового поля подложки мик-
росхемы:
/ — подложка; 2 — термоиидикаторные метки; 3 —изо-
термы
Недостатки термоиндикаторов: невозможность непрерывных
измерений; наличие значительных интервалов (до нескольких де-
сятков кельвинов) между критическими температурами, снижаю-
щих точность измерений; сложность автоматизации процесса из-
мерений. Градуировка термоиндикаторов осуществляется, напри-
мер, на установках типа УГПТ-2.
Основные источники погрешности измерений с помощью тер-
моиндикаторов плавления:
148
инструментальная погрешность (±2 К);
погрешность дискретности значений критических температур,
равная половине интервала между значениями критических тем-
ператур расположенных рядом термоиндикаторов, т. е.
Л	= ± I tKPn — iKP(n +1)/21,
где tKI>n , tKPn+1 —критическая температура n-го и (п±1)-го тер-
моиндикатора в ряду термоиндикаторов.
Эта погрешность не является одинаковой для всего разрабо-
танного ряда, изменяясь от ±0,5 К, для пары термоиндикаторов
ТП122 и ТП123 до нескольких градусов, для термоиндикаторов
ТП134 и ТП145;
динамическая, обусловленная плавлением термоиндикаторной
метки;
погрешность, обусловленная искажением температурного поля
объекта измерений, например, за счет различия коэффициентов
черноты объекта измерений и индикатора и теплоизолирующего
действия индикатора;
погрешность, вызываемая условиями измерения, например, до-
полнительным нагревом в СВЧ-поле и т. п.
В целом погрешность измерений при правильном применении
термоиндикаторов плавления не превышает нескольких кельви-
нов, что приемлемо для многих измерений.
В жидкокристаллических термоиндикаторах используются ор-
ганические соединения, которые при нагревании до определенной
температуры плавятся и в процессе плавления проявляют особые
свойства. В зависимости от положения
молекул в расплавах различаются три
жидкокристаллические фазы, называемые
мезафазами (рис. 6.7): смектическая (а),
нематическая (б) и холестерическая (в).
Наиболее ценны как жидкокристалличе-
ские термоиндикаторы вещества холестери-
ческой структуры. Молекулы в холестери-
ческих жидких кристаллах составляют слои,
а внутри каждого слоя расположение уд-
линенных осей молекул параллельно друг
другу. Ориентация молекул в каждом из
слоев такова, что от слоя к слою направ-
ление изменяется на значение около 15 мин.
Это приводит к поляризации света, отра-
женного от жидкого кристалла, и измене-
нию его цвета. Например, при освеще-
нии белым светом, нагреваясь, жидкокристаллический термоин-
дикатор при определенной температуре становится красным; по-
том, нагреваясь до более высокой температуры, он становится
оранжевым, затем желтым, зеленым, синим, фиолетовым, т. е. об-
разует различную гамму цветов в зависимости от температуры
участков объекта измерений. Жидкие кристаллы реагируют на
Рис. 6 7. Фазы жидких
кристаллов
14)
очень незначительные изменения температуры, иногда в преде-
лах 0,01—0,1 К.
Холестерические жидкие кристаллы или их смеси при опреде-
ленной температуре обладают одним и тем же цветом, поэтому,
смешивая их в различных пропорциях, можно получить любую
наперед заданную температурно-цветовую композицию.
Температурный диапазон жидкокристаллических веществ мо-
жет быть значительно расширен с помощью специальных приме-
сей.
Жидкие кристаллы относятся к обратимым термоиндикаторам.
Они изменяют цвет при нагревании до температуры, равной или
выше критической (^Кр), а при понижении температуры ниже кри-
тической восстанавливают свой первоначальный цвет и структу-
ру. Таким образом, они могут использоваться многократно.
Всесоюзное объединение «Союзреактив» проводит широкие ис-
следования с целью организации промышленного выпуска широ-
кого ассортимента высокоэффективных жидкокристаллических,
веществ. Из большого числа органических соединений, способных
к образованию жидкокристаллической мезофазы, промышленно-
стью освоен серийный выпуск веществ холестерического типа, об-
ладающих наиболее ценными в практическом отношении свойст-
вами (табл. 6.2).
ТАБЛИЦА 6.2
Марка тер- моиндика- тора	Вещество	Температура перехода в состоя- ние, *С	
		жидкокристал- лическое	жидкое
Х-19	Холестерилформиат	60-63	93—99
Х-20	Холестерилперидецилат	60—64	83—86
Х-28	Холестерилцентадецилат	68—72	80—84
Х-15	Холестерил миристат	69,5—72,5	82,5—84,5
Х-17	Холестерилпеларгонат	77—79	Не ниже 87
Х-5	Холестерилкапринат	81—85	То же 88
Х-4	Холестерилвалерат	88-92	»	95
Х-10	Холестерилпропионат	93,5—97	111,5—114
Х-9	Холестерилбутират	97—100,5	107,5—111
Х-11	Холестерилкапронат	100—93	Не ниже 95
Х-22	Холестернл-о-бромбензоат	103,5—107,5	132—136
Х-29	Холестерил-о-хлорбензоат	104,5—108,5	Не ниже 144
Х-40	Холестернл-п-бутнлбензоат	125 - 129	»	210
Х-37	Холестерил-п-октилоксибензоат	133,5—137,5	»	200
Х-1	Холестерил бензоат	145,5—148,5	175,5—179
Х-35	Холестерил-п-гесилоксибензоат	146-150	Не ниже 220
Х-25	Холестерил-п-хлорбензоат	166—170	То же 200
Х-24	Холестерил-п-бромбензоат	174-178	»	230
Х-22	Холестернл-п-метилбензоат	178-182	»	230
Х-14	Холестернл-п-нитробензоат	185—189,5	»	235
Методика измерения температуры с помощью жидкокристал-
лических термоиндикаторов заключается в нанесении их на по-
верхность объекта и освещении белым светом. Для большей цве-
150
товой контрастности поверхность объекта целесообразно зачер-
нить (черным лаком, тонкой черной бумагой или подложкой дру-
гого типа). Цветовая картина фиксируется визуально или с по-
мощью фото- или киноаппаратуры на цветную пленку.
Жидкокристаллические термоиндикаторы нашли наиболее ши-
рокое распространение при контроле температуры объектов мик-
роэлектроники, а также в медицине при диагностике заболева-
ний и в других областях науки и техники.
Достоинства жидкокристаллических термоиндикаторов: обра-
тимость, возможность проведения непрерывных измерений и по-
лучения полной картины температурного поля (картины изо-
терм) с помощью одного термоиндикатора; малая инерционность;
высокая чувствительность (0,1—0,01 К); сравнительная просто-
та применения.
Недостатки жидкокристаллических термоиндикаторов: силь-
ная подверженность влиянию СВЧ-полей и ряду механических и
климатических воздействий (изменение) давления, ультрафиоле-
тового излучения, ударов, у-облучения и др.; значительная под-
верженность старению, которая заключается в изменении физи-
ческих и оптических свойств в процессе эксплуатации и даже хра-
нения; например, снижается температура фазовых переходов,
сужается температурный интервал жидкокристаллического состоя-
ния, уменьшается интенсивность цвета вплоть до его исчезнове-
ния. В целом погрешность измерения температуры с помощью
жидкокристаллических термоиндикаторов составляет единицы
кельвина.
ГЛАВА 7
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, обусловленных
ТЕПЛООБМЕНОМ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
С ОБЪЕКТОМ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
§ 7.1. Основные понятия теории теплообмена
Теплообмен — это самопроизвольный, необратимый процесс пере-
носа теплоты между телами (частями тела), обусловленный раз-
ностью температур.
Температурное поле — совокупность значений температуры во
всех точках рассматриваемого тела или системы тел в данный
момент времени, описываемый математически скалярной функ-
цией координат.
Если температуры во всех точках тела остаются постоянными
(не изменяются во времени), то и температурное поле является
стационарным. Температурное поле называется однородным, если
во всех точках тела одинаковая температура. Естественно, что
при этом тепловые потоки отсутствуют.
Если температурное поле неоднородно, то точки с одинаковы-
ми температурами образуют в температурном поле изотермиче-
। Т
ские поверхности. Две различные изотермические поверхности не
могут пересекаться друг с другом, так как в одной точке не мо-
жет быть одновременно двух различных температур. Следователь-
но, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направ-
лениях, пересекающих изотермические поверхности, например, в
направление х (рис. 7.1). При этом наиболее резкое изменение
температуры получается в направлении нормали п к изотермиче-
ской поверхности. Предел отношения изменения температуры А/
к расстоянию между изотермами Ап называется градиентом тем-
ператур и обозначается grad t или АЛ Температурный градиент
(К-м^1) является вектором, направленным по нормали к изотер-
мической поверхности в сторону возрастания температуры.
Рис. 7.1. К определению температур- Рис. 7.2. Закон Фурье
ного градиента
Количество теплоты, переносимое через какую-либо изотерми-
ческую поверхность в единицу времени, называется тепловым по-
током Q. Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотер-
мической поверхности, называется плотностью теплового потока
q. Тепловой поток измеряется в ваттах (Вт). Плотность теплово-
го потока есть вектор, направление которого совпадает с направ-
лением распространения теплоты в данной точке и противополож-
но направлению вектора температурного градиента и измеряет-
ся в Вт • м~2.
Существуют три различных способа передачи тепла — кондук-
тивный, конвективный и лучистый. Кондуктивный теплообмен —
теплообмен вследствие молекулярного переноса теплоты в сплош-
ной среде, обусловленный наличием градиента температуры. Кон-
вективный теплообмен — теплообмен внутри области, заполнен-
ной жидкой или газообразной средой вследствие перемещения
этой среды. Лучистый теплообмен — теплообмен между телами
или частями тела, обусловленный переносом теплоты в виде элек-
тромагнитных волн.
В действительности, элементарные виды теплообмена не обо-
соблены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве слу-
чаев один вид теплообмена сопровождается другим. Например,
обмен теплотой между твердой поверхностью и жидкостью (или
газом) осуществляется в основном путем кондуктивного и кон-
вективного теплообмена при наличии лучистой составляющей
теплообмена.
152
В ряде случаев сложные процессы теплообмена иногда целе-
сообразно рассматривать как одно целое, например, передачу теп-
лоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их
стенку называют процессом теплопередачи.
Кондуктивный теплообмен. Изучая процесс передачи тепла в
твердых телах, физик Фурье экспериментально установил, что ко-
личество переданной теплоты пропорционально разности темпера-
тур, времени и площади сечения, перпендикулярного к направ-
лению распространения теплоты. Если количество переданной теп-
лоты отнести к единице площади сечения и единице времени, то
можно записать
<7 = —Xgradt	(7.1)
Уравнение (7.1) является математическим выражением основно-
го закона кондуктивного теплообмена — закона Фурье (рис. 7.2).
Коэффициент пропорциональности X в уравнении (7.1) назы-
вается теплопроводностью.
Теплопроводность — физическая величина, характеризующая
интенсивность кондуктивного теплообмена в веществе и численно
равная плотности теплового потока при температурном гради-
енте, равном единице. Иными словами, величина q равна количе-
ству теплоты в джоулях, протекающему за единицу времени че-
рез стенку площадью 1 м2 при толщине 1 м и при разности тем-
ператур стенок 1 К. Таким образом, теплопроводность измеря-
ется в Вт-м-1-К-1.
Из твердых материалов наибольшую теплопроводность имеют
металлы (20—400 Вт-м-1- К-1) и особенно чистые с высокой элек-
тропроводностью (серебро, медь, алюминий и т. п.). Теплопровод-
ность жидкостей лежит в пределах 0,08—0,7 Вт-м-1-К-1, напри-
мер, для воды она равна 0,6 Вт-м-1-К-1.
Теплопроводность газов лежит в пределах 0,005—0,5 ВтХ
Хм-1-К-1, например, для воздуха она составляет 0,022 ВтХ
Хм-1-К-1- В практике теплофизических измерений и расчетов ча-
сто приходится определять количество тепла, передаваемого кон-
дуктивным способом через плоскую и цилиндрическую стенки.
Конвективный теплообмен, как было указано выше, обуслов-
лен движением жидкости или газа. Различают свободную (есте-
ственную) и вынужденную (принудительную) конвекцию.
Естественная конвекция возникает вследствие изменения плот-
ности жидкости или газа в зависимости от температуры. При по-
вышении температуры в большинстве случаев плотность умень-
шается, поэтому нагретые частицы жидкости или газа поднима-
ются, а холодные опускаются. При этом происходит конвектив-
ный теплообмен в массе жидкости (газе) и между жидкостью и
поверхностью твердого тела, омываемого жидкостью (газом).
Вынужденная конвекция обусловлена воздействием внешних
сил, например, перемешиванием или перемещением жидкости (га-
за) с помощью вентиляторов, насосов, воздуходувок и т. п. Она
всегда сопровождается естественной конвекцией, однако ее доля
153
в общем балансе теплообмена обычно невелика. Теплообмен с
помощью вынужденной конвекции широко используется в техни-
ке, поэтому к настоящему времени хорошо изучены закономерно-
сти, характеризующие зависимость между количеством переда-
ваемого тепла и различными физическими параметрами, харак-
теризующими условия теплообмена.
В качестве простейшего примера рассмотрим передачу тепла через пло4
скую стенку из однородного материала с температурами поверхности Л и t2,
Л>/2 (рис. 7.3, а). В соответствии с законом Фурье, плотность теплового
потока q будет прямо пропорцно-
Рнс. 7.3. Передача тепла через плоскую
стенку
нальна теплопроводности материала
стенки к и градиенту температуры,
который в данном случае равен
(й — /г)/б, где б — толщина стеики.
Таким образом общее количество
тепла, передаваемого через стейку,
(7.2)
где F — площдаь стенки, м2.
Количество тепла, проходящего
через многослойную плоскую стейку
(рис. 7.3, б), составленную из п
слоев толщиной бь б2..., бп раз-
личных материалов, коэффициенты
теплопроводности которых соответст-
венно равны Xi, ....
<2 = ^(4-/а)г,	(7.3)
где	Кп =  ---;-------;—; т—время, с.
°1	.	62 .	. ъп
к + ь+-- + х»
Количество тепла, проходящего через цилиндрическую стенку (рис. 7.4) с
внутренним d|(d| = 2r1) и внешним d2(d2 = 2r2) диаметрами из материала, теп-
лопроводность которого равна А.ц
Q = ^F(/1-/3)x,	(7.4)
где
Хц	d
Количество тепла Q, проходящего при конвективном теплообмене через
поверхность раздела двух сред (жидкость — твердое тело, жидкость — газ,
твердое тело — газ), прямо пропорционально значению площади поверхности
раздела F, разности температур сред F— t2=\t, времени т и может быть on-f
ределено по формуле
Q = Fa^-t^z,	(7.5)
где а — коэффициент теплообмена (в Вт-м_|-К-1), численно равный количе-
ству тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади поверх-
ности при разности температур 1 К.
154
Значение коэффициента теплообмена зависит, прежде всего, от таких
•свойств и параметров газов и жидкостей, как скорость потока, теплоемкость,
плотность, вязкость и давление. Кроме того а зависит от геометрической фор-
мы, размеров, степени чистоты поверхности объекта и направления потока
жидкости (газа) относительно объекта. Наконец, значение а зависит от раз-
ности температур поверхности и жидкости (газа) Az=-/,— /2.
При теплообмене между горизонтальной плоской поверхностью и спокой-
ным воздухом в условиях естественной конвекции коэффициент теплообмена
не превышает 5 Вт-м-'-К-1 при перепаде температур Д/<10К, н возрастает
при увеличении перепада до 500 К до 15 Вт-м-1-К''1.
В случае вынужденной конвекции при скорости движения воздуха 5 м-с-1
коэффициент теплообмена возрастает до 25 Вт.м-2-К-1, а при скорости
25 м-с-1 до 80 Вт-м-2К_|.
Рис. 7.4. Передала тепла через цилиндрическую стенку:
а — однослойную; б — многослойную
Коэффициент теплообмена между жидкостью и твердым телом значитель-
но выше, чем в случае газа и твердого тела, так как в этом случае в единицу
времени с единицей площади поверхности приходит в соприкосновение боль-
шая масса теплоносителя (жидкости), обладающая большей теплоемкостью,
чем у газа. Например, при естественной конвекции между водой и стенкой ре-
зервуара значение а может достигать 500—1000 Вт-м~2-К-1. При движении
воды в трубопроводе диаметром 100 мм со скоростью 1 м-с-1 коэффициент
теплообмена составляет 250 Вт-м-2-К-1, а при скорости 5 м-с-1 увеличива-
вается до 4500 Вт-м-2-К_|.
Количество тепла Q, передаваемое при стационарном тепловом режиме че-
рез многослойную плоскую стенку от жидкой или газообразной среды с тем-
пературой А к среде, находящейся по другую сторону стенки и имеющей бо-
лее низкую температуру t%, рассчитывают по формуле, которая может быть
получена из выражений (7.3) и (7.5):
Q = KiFih — tB) т,	(7.6)
где Л"2 = ]	- а	а । > Q, и а2 — коэффициенты тепло-
«1	*2	а2
обмена соответственно между средой с температурой ti и поверхностью стеики и
другой поверхностью многослойной стенки и средой с температурой tz.
155
Аналогично рассчитывают количество тепла Q, передаваемого от среды с темч
пературой ti к среде с температурой t2 через цилиндрическую однородную стей-
ку, например, стенку трубы длиной I н с внутренним d, и наружным d2 диа-
метрами (при условии, что среда с более высокой температурой tt находится
внутри трубы):
Q =	- /2) г,	(7.7)
1
где Кзц-— ]	1	; аь ц2— коэффициент теплообмена соответ-
---' + — In — +-------
tzjdj 2Х dj a2d2
ственно между средой с температурой /1 и внутренней стенкой трубы н внешней
стенкой трубы и средой с температурой t2. В случае многослойной цилиндри-
ческой стенки, например, труба в изоляции, у которой через dx nd,— d2 п
d3,...,dn и dn+{ обозначены соответственно внутренний и наружный диаметр
первого (внутреннего) слоя, затем второго н, наконец, n-го (наружного) слоя,
а теплопроводность материала слоев в той же последовательности — через
Хь К2,... Х„, используется формула
Q = /C3/(^-^) т,	(7.8)
1
где К3 =--------------------->------------------------.
1	1 d„ 1 d3	I “л4-1	1
---- +----- In —- - — In — +	---In —+----------
«А 2Xx dj 2X2 d2 r2/.„ dn «2dn+I
Процесс теплообмена излучением осуществляется с помощью
электромагнитных колебаний, являющихся носителями лучистой
энергии. Для теплофизики наибольший интерес представляют те
колебания, возникновение которых определяется только темпера-
турой и оптическими свойствами излучающего тела. Такими свой-
ствами обладают тепловые лучи, т. е. электромагнитные колеба-
ния с длиной волны от 0,5 до 800 мкм. Эти лучи и называют теп-
ловыми, а процесс их распространения — тепловым излучением.
Теплообмен излучением, в отличие от кондуктивного и конвек-
тивного, осуществляется дистанционно, без участия промежуточ-
ной среды. При нем в излучающем теле тепловая энергия пре-
вращается в лучистую, а в воспринимающем теле — этот поток
превращается в тепловую энергию. Причем такой же процесс
одновременно происходит и от второго тела к первому. Однако в
общем балансе теплообмена излучением тепловая энергия пере-
ходит от тел с более высокой температурой к телам с более низ-
кой температурой. Этот процесс осложняется способностью физи-
ческих тел частично отражать и пропускать падающий на них
поток лучистой энергии, а также способностью промежуточной
среды частично поглощать и рассеивать проходящее через нее
излучение. В тепловую энергию превращается лишь та часть об-
щего потока излучения, которая непосредственно поглощается те-
лом.
Количество тепла qlt передаваемое излучением в единицу вре-
мени от единицы поверхности тела с температурой и коэффи-
156
циентом черноты ei к телу с более низкой температурой Т2 и ко-
эффициентом черноты аг определяется по формуле
<7Л= £л[(—Г-f—У],	(7 9)
v " L\ioo/ (юс/ J’	т
1
где en= -1/е ti/;gi —приведенный коэффициент черноты; Со —
коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Втх
Хм~2-К1.
Результирующий тепловой поток с поверхности тела 1 (рис.
7.5) к поверхности тела 2 может быть рассчитан по формуле
QjI = £Л[\1оо) Нюб) W12’	(710)
где Л— площадь излучающей поверхности тела 1, a <pi2 — коэф-
фициент облученности, определяемый геометрической формой и
Рис. 7.5. Теплообмен излуче-
нием двух тел:
а — излучающая поверхность те-
ла 1, полностью охваченная излу-
чающей поверхностью тела 2, б —
плоская излучающая поверхность
тела 1, частично охваченная излу-
чающей поверхностью тела 2, в —
криволинейная выпуклая излу-
чающая поверхность тела /, час-
тично охваченная излучающей по-
верхностью тела 2
взаимным расположением первого и второго тела и показываю-
щий, какая часть лучистого потока, испускаемого телом 1, падает
на тело 2. В случае теплообмена в неограниченную окружающую
среду или между двумя плоскостями с малым расстоянием меж-
ду ними коэффициент облученности равен единице. В других слу-
чаях он меньше единицы и рассчитывается по формулам или оп-
ределяется графиком.
При расчетах суммарного теплообмена бывает целесообразно
представить зависимость (7.10) в виде, аналогичном закону кон-
вективного теплообмена (7.5), т. е.
(7.И)
где ал — коэффициент теплообмена излучением, Вт-м^-Кх1.
Структуру коэффициента теплообмена излучением ал нетрудно
определить, приравняв формулы (7.11) и (7.10): an = en<pnf (Л, Т’г),
где
ПЛ, Л) = 5,67
ЛЛ (2W
100/ (юо/
(7.12)
157
Значения функции f (7i, Tg) легко поддаются расчету, а также мо-
гут быть определены по имеющимся в литературных источниках
номограммам.
Значение ал быстро возрастает с повышением температуры.
Для тела с коэффициентом черноты 0,8 (к таким телам относят-
ся некоторые металлы — сталь, окисленная медь, различные лако-
красочные покрытия, резина, кирпич и др.) при 0; 1000 и 2000°C
приблизительно равен 4,0; 400 и 2350 Вт-м2-К-1 соответст-
венно.
§ 7.2.	Показатель тепловой инерции термопреобразователей
Все тела обладают тепловой инерцией — т. е. свойством тел из-
менять свою температуру при изменении температуры окружаю-
щей среды не мгновенно, а с некоторым запаздыванием. В связи
с этим при измерении нестационарной, например, повышающейся
температуры наблюдается отставание температуры термопреоб-
разователя от температуры объекта измерений.
Тепловая инерция термопреобразователя характеризуется по-
казателем тепловой инерции е, обычно выражаемым в секун-
дах.
Для определения показателя тепловой инерции е термопреоб-
разователь с температурой /н погружают в среду с температурой
tc и наблюдают процесс изменения температуры термопреобразо-
вателя с течением времени. Согласно разработанной Г. М. Конд-
ратьевым теории регулярного теплового режима начальная ста-
дия изменения температуры термопреобразователя, подчиняющая-
ся сложному закону, через некоторое время переходит в стадию
так называемого регулярного режима 1-го рода. Этот режим ха-
рактеризуется тем, что все точки термопреобразователя изменя-
ют свою температуру в одинаковом темпе, а процесс изменения
температуры термопреобразователя ZT подчиняется экспоненци-
альному закону
К К (^С	^о) Е »
где то — момент времени наступления регулярного режима; to—
температура термопреобразователя в момент наступления регу-
лярного режима. Если после наступления регулярного режима
взять два любые момента времени т, и и соответствующие им
температуры термопреобразователя и t2, то, используя формулу
(7.13), можно составить следующее равенство:
Т;—Т,
tc —12 =	Е .	(7.14)
158
Логарифмируя выражение (7.14), получаем формулу для опре-
деления показателя тепловой инерции
т2 Т1
(7.15)
е =
In (/с — ti) — In (tc — t2)
В графике зависимости In (tc — tn) от времени т регулярному ре-
жиму соответствует прямолинейный участок (рис. 7.6,а). На рис.
7.6, б, приведена зависимость изменения температуры термопре-
образователя (переходная функция) при помещении его из сре-
ды с температурой tH, принятой за начало отсчета по оси темпе-
ратур, в среду с температурой tc. На рисунке значению показа-
теля тепловой инерции соответствует время, в течение которого
Рис. 7.6. Переходная функция термопреобразователя
показание термопреобразователя составляет 63 % от установив-
шегося значения температуры tc. В течение времени, равного Зе,
показание термопреобразователя отличается от установившегося
значения не более, чем на 5%, а при 5е — не более, чем на 1 %.
На значение показателя тепловой инерции влияют следующие
основные факторы: полная теплоемкость и поверхность термопре-
образователя F, через которую происходит теплообмен термопре-
образователя с окружающей средой; коэффициент теплообмена
термопреобразователя с окружающей средой; температуропро-
водность tz = Z,/gc, где g— плотность; с — удельная теплоемкость
термопреобразователя. При одинаковых прочих условиях с уве-
личением теплоемкости термопреобразователя показатель тепло-
вой инерции возрастает и наоборот, с увеличением каждой из ве-
личин F, а и а — уменьшается. Значение теплоемкости с, площади
поверхности F и температуропроводность а термопреобразователя
для не слишком широкого температурного диапазона могут счи-
таться постоянными. Коэффициент же теплообмена а зависит от
параметров среды, условий теплообмена и может изменяться, как
было указано в разд. 7.1 в очень широких пределах, соответст-
венно изменяя значение в.
При изменении температуры среды с постоянной скоростью
температура термопреобразователя отстает от температуры сре-
ды на постоянное значение, пропорциональное скорости измене-
159
ния температуры измеряемой среды и значению показателя теп-
ловой инерции е термопреобразователя. В этом случае устанавли-
вается регулярный режим 2-го рода, при котором значение е2 не-
сколько отличается от значения в, определенного при регулярном
режиме 1-го рода. Однако для большинства реальных термопре-
образователей и условий измерений это отличие невелико, по-
этому при расчетах можно использовать значение показателя е.
Таким образом, при линейном изменении температуры среды
разность между температурой среды tc и температурой термопре-
образователя определяется по формуле
tc —	(7.16)
Дт
где Д//Дт— скорость изменения температуры среды, К/с-1.
§ 7.3.	Погрешность, обусловленная теплоотводом
по термопреобразователю
Погрешность измерения, обусловленная теплоотводом по тер-
мопреобразователю,— одна из определяющих погрешностей при
измерении температуры с помощью контактных термопреобразо-
вателей. Так, при измерении
Рис. 7 7. К расчету погрешности
теплоотвода при измерении тем-
пературы жидкости или газа
температуры поверхности твердого
тела погрешность, обусловленная
теплоотводом, может достигать
30—40 % от разности температур
объекта измерений и окружающей
среды (перегрева объекта измере-
ний), т. е. составлять несколько де-
сятков кельвинов.
Рассмотрим погрешность изме-
рения, обусловленную теплоотво-
дом, возникающую при измерениях
температуры жидкости или газа и
поверхности твердого тела.
При измерении температуры
жидкости или газа термопреобразо-
ватель устанавливается в трубо-
проводе, воздуховоде, технологиче-
ской емкости и укрепляется на их
стенках. При этом температура
мест крепления термопреобразова-
теля может значительно отличаться от температуры среды (жид-
кости, газа). Вследствие этого распределение температур по дли-
не термопреобразователя будет неравномерным и по причине
теплоотвода температура чувствительного элемента термопреоб-
разователя будет отличаться от действительной температуры
среды.
Оценку возможной погрешности измерения обычно определя-
ют расчетным путем при допущении, что термопреобразователь
160
представляет собой однородный стержень (трубу) длиной I, один
конец которого закреплен в стенке, например, трубопровода (рис.
7.7). Температура основания крепления термопреобразователя,
равная температуре стенки /Ст, отличается от температуры чувст-
вительного элемента t43, расположенного, как правило, в конце
термопреобразователя (при х = 0), а вместе с тем и от темпера-
туры контролируемой среды в трубопроводе /ж. Предполагается,
что в каждом поперечном сечении идеализированного термопре-
образователя (модели) распределение температур равномерное и
температура 1(х) термопреобразователя изменяется только вдоль
его оси.
Решение дифференциального уравнения для определения по-
грешности теплоотвода Д/ж (К) дает следующий результат:
Д/ж = и-/ж =------(7.17)
-141
где ch — гиперболический косинус; I — длина погруженной части
термопреобразователя, м; а — коэффициент теплообмена между
термопреобразователем и средой, Вт-м~2-К-1; 6 — толщина стен-
ки термопреобразователя, м; лт— теплопроводность стенки термо-
преобразователя, Вт-м^-К-1.
Анализ расчетной формулы показывает, что для уменьшения
погрешности измерения, обусловленной теплоотводом, необходи-
мо уменьшать площадь поперечного сечения и теплопроводность
термопреобразователя и увеличивать, по возможности, длину по-
гружаемой части. Следует также иметь в виду, что погрешность
уменьшается при увеличении коэффициента теплообмена термо-
преобразователя с контролируемой средой, т. е. при увеличении
скорости жидкости или газа в трубопроводе.
Кроме того, погрешность А£ж прямо пропорционально зависит
от разности температур стенки трубопровода в месте крепления
термопреобразователя tCT и температуры жидкости £ж, близкой к
/Ч|. В связи с этим для уменьшения погрешности трубопровод в
месте крепления термопреобразователя следует покрывать слоем
теплоизоляции, чтобы уменьшить эту разность температур.
При измерении температуры поверхности твердого тела вслед-
ствие отвода тепла по термопреобразователю искажается истин-
ная температура в месте крепления термопреобразователя, а,сле-
довательно, и чувствительного элемента. Задача определения по-
грешности может быть сведена к задаче распределения темпера-
туры в твердом теле с местными источниками теплоты. Характер
происхождения погрешности измерения, обусловленной теплоот-
водом, виден из приведенной на рис. 7.8 схемы установки термо-
преобразователя (а) и тепловой модели для расчета погрешно-
сти (б).
Если температура окружающей среды ниже температуры объ-
екта измерений (/е<^об), то термоэлектроды термопреобразова-
1 1 — 1973
161
теля будут отводить тепло от объекта измерения, что вызовет ме-
стное понижение температуры в зоне чувствительного элемента,
например, рабочего конца термоэлектрического преобразователя,
и соответственно показание измерительного комплекса будет за-
нижено.
Рис. 7.8. К расчету погрешности теплоотвода при изме-
рении температуры поверхности твердых тел
Если же температура окружающей среды выше температуры
объекта (/с>/Об), то термопрсобразователь будет фиксировать бо-
лее высокую температуру, чем фактическая.
В обоих случаях справедливо положение, что термоэлектроды
термопреобразователя питают местный источник тепла (с учетом
знака), и для определения радиального распределения температу-
ры (СС) в объекте измерения рекомендуется применять соотно-
шения
t (г) = to6 4
?0
2iMsrs
Ко(^г)
(7.18)
где /об — температура пластины при qa — О, т. е. при отсутствии
искажающего температурного поля, °C; /с — температура окружа-
ющей среды, °C; <7о — мощность, выделяемая местным источником
162
теплоты, Вт-с-1; X — теплопроводность объекта измерений, ВтХ
Хм-1-К-1; б — толщина объекта измерения, м; е = У(си + а2)/2;
а,, а2 — коэффициенты конвективного теплообмена с поверхно-
стей 1 и 2 объекта измерений, Вт-м-2-К-1; G— радиус местного
сосредоточенного источника теплоты, принимаемый равным 7?т ]/2,
м; Rt — радиус термоэлектрода термопреобразователя, м;
/Со(ег), A)(ers)— модифицированные функции Бесселя, которые
для широкого круга измерений могут быть выражены простыми
аналитическими выражениями: До (er) ~ In (2/е, ); Ki (ers) ~ (еГз)-1.
Относительную погрешность измерения 6Т, обусловленную теп-
лоотводом, можно определить с учетом (7.18) по формуле
8Т = —— =--------------!-------,	(7.19)
Аэб — tci 1 +	(еГ^)/До (еГ)
где А/—абсолютное значение погрешности измерения, К; •0 =
= 2/(о[Х6(щ + а2)/атДт]; о) = Х\'	; X] и Х2— теплопроводность
термоэлектродов термопреобразователя, Вт-м-1-К-1; ат— коэф-
фициент конвективного теплообмена от термоэлектродов, Вт-м-2Х
хк-1.
Проведенные расчетно-экспериментальные исследования по-
грешности теплоотвода показали, что погрешность теплоотвода
прямо пропорционально зависит от диаметра термопреобразова-
теля (или его термоэлектродов, если термопреобразователь не
имеет защитного корпуса — трубки), а также от скорости обдува
объекта измерений и термопреобразователя.
С целью уменьшения погрешности измерений, обусловленной
теплоотводом, необходимо применять термопреобразователи из
материалов с минимальной теплопроводностью. Так, корпус тер-
мопреобразователя целесообразно изготовлять из стали (а не из
меди или алюминия), целесообразно также применять термоэлек-
трические преобразователи типа хромель-копель, хромель-алю-
мель, манганин-константан, а не медь-константан, медь-копель.
При оценке погрешности измерения температуры с помощью
контактных термопреобразователей необходимо учитывать условия
измерения и теплофизические характеристики объекта, особенно
теплопроводность. Так, изменение теплопроводности объекта в
10 раз вызывает аналогичное изменение значения погрешности из-
мерения.
Следует иметь в виду, что хотя уменьшение габаритных разме-
ров термопреобразователя очень эффективное средство уменьше-
ния погрешности, обусловленной теплоотводом, оно не всегда мо-
жет быть реализовано на практике. Вместе с тем, даже при диа-
метре термопреобразователя 0,1—0,2 мм относительная погреш-
ность может достигать 5—10 % от разности температур между
объектом измерения и окружающей средой. В связи с этим необ-
ходимо применение специальных средств, например, термопреоб-
разователей с компенсацией теплоотвода.
11*
163
§ 7.4.	Методические погрешности, обусловленные влиянием
теплообмена излучением
Теплообмен излучением между термопреобразователем и ок-
ружающими предметами, например, стенками трубопровода или
емкости с жидкостью или газом, приводит к искажению темпе-
ратуры чувствительного элемента термопреобразователя. Это ис-
кажение является источником дополнительной погрешности изме-
рения температуры жидкости или газа (рис. 7.9).
Эта погрешность определяется по формуле
Д ____ С Г/^т V (Тст\^
а L' ЮЭ/ \100/ .
где с = 5,67ет — коэффициент излучения поверхности термопреоб-
. " тг ет — коэффициент черноты термопреобра-
конвективного теплообмена между тер-
(7.20)
разователя, Вт-М“2-К~4;
зователя; а—коэффициент
Рис. 7.9. К расчету погрешно-
сти, обусловленной лучистым
теплообменом термопреобразо-
вателя
Рис. 7.10. Схема установки экранирован-
ного термопреобразователя в трубопроводе
мопреобразователем и жидкой или газовой средой, Вт-м-2-К-1;
Тт — температура чувствительного элемента термопреобразовате-
ля, К; Т'ст — температура внутренней стенки трубопровода или
емкости, К.
Анализ формулы (7.20) показывает, что погрешность ДИзл об-
ратно пропорционально зависит от коэффициента теплообмена а,
т. е. Аизл для жидких сред будет значительно меньше, чем для га-
зовых. Кроме того, очевидно, что погрешность измерения будет
тем меньше, чем больше скорость потока газа, так как коэффици-
ент теплообмена возрастает с увеличением скорости.
Поскольку Апзл прямо пропорционально зависит от коэффици-
ента излучения с, то для уменьшения погрешности следует при-
менять термопреобразователи с гладкой или лучше с блестящей
поверхностью, так как коэффициент черноты ет, а, следовательно,
и излучения с для гладких поверхностей меньше, чем для шеро-
ховатых.
164
Следует также иметь, в виду, что методическая погрешность
измерения температуры ДИзл будет тем меньше, чем меньше диа-
метр термопреобразователя (вследствие увеличения значения ко-
эффициента а).
В большой степени погрешность ДИЗл зависит от температуры
внутренней стенки трубопровода. Чтобы уменьшить разность ме-
жду температурой измеряемой среды и стенкой трубопровода, тру-
бопровод необходимо покрыть тепловой изоляцией 2 в месте ус-
тановки термопреобразователя 1 (см. рис. 7.9).
Погрешность измерения, обусловленную теплообменом излу-
чением, можно значительно уменьшить с помощью экранирования
термопреобразователя.
На рис. 7.10 приведена схема установки экранированного тер-
мопреобразователя в трубопроводе, по которому протекает газо-
вый поток. На схеме термопреобразователь 1 расположен внутри
экрана 2, изготовленного, например, из листового металла. В этом
Рис. 7.11. Расчет по-
грешности, обусловлен-
ной различием коэффи-
циентов черноты термо-
преобразователя и объ-
екте измерения
случае теплообмен излучением про-
исходит между термопреобразова-
телем и экраном, который имеет
температуру, более близкую к тем-
пературе потока газа в трубопро-
воде, чем стенка трубопровода.
Известно, что наличие одного
2R
t
t
t
температуры поверхности
если коэффициенты
термопреобразователя и
экрана уменьшает погрешность из-
мерения Дизл в 2 раза, а при нали-
чии п экранов — в (п + 1) раз.
Значительный интерес пред-
ставляет вопрос о погрешности из-
мерения
твердых тел,
черноты
объекта измерений различны.
Рассмотрим эту погрешность на
конечная пластина — термопреобразователь»,
широкому кругу условий измерений в практике температурного
контроля (рис. 7.11,а). В соответствии с методикой, широко при-
меняющейся для расчета погрешности в подобных случаях, ис-
основе тепловой модели «бес-
соответствующей
165
кажение температуры объекта, вносимое термопреобразователем,
заменяется действием некоторого удельного источника теплового
потока q на площадке контакта термопреобразователя с поверх-
ностью твердого тела — объекта измерения (рис. 7.11,6). Для
приведенной на рис. 7.11,6 тепловой модели удельный искажаю-
щий тепловой поток q определяется выражением
Qo^Q.r	(7 21)
-гР 2 ’
где Qo— тепловой поток с участка поверхности объекта до уста-
новки термопреобразователя, Вт-м-2; QT — тепловой поток с уча-
стка поверхности объекта после нанесения на него термопреобра-
зователя, Вт-м-2; 7?т — радиус установленного на объект термо-
преобразователя цилиндрической формы, м.
Значения Qo и QT определяются из выражений:
Qo 7 т/?т [ак ~Ь ал] ^Зпн — т/^,2 [ак ~Ь сбп f (/§ пн, Q)] ^пн,	(у 22)
<2т =	[“к + “/] ^пт =	Q)]^nr,
где /бпн, Qm — температура участка поверхности до и после уста-
новки термопреобразователя, °C; tc — температура окружающей
среды, °C; ет— коэффициенты черноты объекта измерений и
термопреобразователя соответственно; ак — коэффициент теплооб-
мена конвективного, Вт-м~2-К-1; ал; а'л— коэффициенты лучис-
того теплообмена от объекта излучений без термоиндикатора и с
термоиндикатором соответственно, Вт-м^-К**1.
После подстановки значений Qo и QT в (7.21) получаем
q ~ ®к пн I б пт) ~Ь£Зп/(^Зпн, Q) ^3 пн • ^/(^пн, Q) ^Зпн. (7 .23)
В соответствии с представленной на рис. 7.11,6 схемой для рас-
чета погрешности истинная (неискаженная) температура опреде-
ляется по формуле
/зпн =/зпн —(7.24)
где АДп — искажение температуры объекта, обусловленное уста-
новкой термопреобразователя, К-
Искажение температуры поверхности Д^6п при наличии источ-
ника теплового потока q для рассматриваемой тепловой модели
-определяется выражением
д^п=-р--/,	(7.25)
л6п
где Хвп — теплопроводность объекта измерений (пластины), ВтХ
Хм-1-К-1; I — функция, значение которой приведено на рис. 7.12.
для различных значений критерия Bi (Bi= (ак + ал)-Яг/Хвп)- Из-
менение температуры объекта, обусловленное различием коэффи-
циентов черноты объекта и термопреобразователя, т. е. погреш-
ность измерения бизл определяется решением системы уравнений
(7.23) — (7.25)
g _ 'Чп + № + е3п( (^Зпн- 'Зп __ ।	(7 26)
^8п Rt [ <4 + ет • f ( ^ПТ • ^с) ] Цп
166
Результаты расчетно-аналитического исследования показали, что
в значительном числе случаев процесса измерений указанная по-
грешность не превышает 1 %, но в случае измерения температу-
ры объектов с малым значением теплопроводности (ЛбП<Ю ВтХ.
Рис. 7-12. Значение функции при различных значе-
ниях критерия Bi:
1 — ю-6, 2 — 10-4; 3 — 10-3; 4 — 10-2
Хм-1-К-1) и при отношении радиуса термопреобразователя
к толщине пластины (объекта измерения) более 0,5 эта погреш-
ность может резко возрасти, составляя 10 °/о и более, что требует
ее расчета и учета.
§ 7.5. Погрешность, обусловленная высокими скоростями
газовых сред
Измерению температуры газа, движущегося с большой скоро-
стью, уделяется большое внимание при проведении работ, связан-
ных с созданием летательных аппаратов (самолетов, ракет и т.п.),
современных двигателей и при проведении исследований процес-
сов тепломассообмена.
При измерении температуры высокоскоростных газовых пото-
ков, кроме рассмотренных выше составляющих погрешности из-
мерений, появляется источник погрешности, обусловленный допол-
нительным нагревом газа за счет торможения потока в зоне рас-
положения термопреобразователя.
Если газ полностью затормозить так, чтобы выделяющаяся
при этом теплота не успела рассеяться (адиабатическое тормо-
жение газа), то повышение его температуры может быть найдено
на основе закона сохранения энергии
\/2т^ =. тср(ТТ — Тс),	(7.27)
где ср — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении,
Дж-кг-1-К-1; v — скорость потока газа, м-с-1; Тс — статическая
167
температура свободно движущегося потока, К; Тт — температура
торможения, т. е. та температура, которую принимает поток при
полном его адиабатическом торможении, К; m— масса газа, кг.
Из (7.27) получим
„2
(Л28)
Ниже приведены расчетные данные [2], полученные для сухого
воздуха при 7=473 К (ср~ 1000 Дж-кг-1-К'1) и нормальном ат-
мосферном давлении:
V, М’С-1	П-Гс. К	V, М-С-1	тт-гс, К
10	0,05	150	11,25
50	1,25	200	20,00
100	5,00	300	45,00
Как видно из этих данных, начиная со скорости потока, рав-
ной 50 м-с-1, разность Тт — Тс по мере увеличения скорости быст-
ро растет и достигает больших значений.
При обтекании тел высокоскоростным потоком полное тормо-
жение молекул газа может происходить только на передней сто-
роне тела в месте разветвления струи газа. В пограничном слое,
в непосредственной близости от передней точки обтекаемого по-
тока тела происходит выделение тепла и температура газа суще-
ственно повышается.
Выделяющаяся в пограничном слое тепловая энергия отводит-
ся за счет конвективного и кондуктивного теплообмена. Степень
повышения температуры поверхности тела называют коэффици-
ентом восстановления температуры
7 —7С
Гт - 7с
(7.29)
2 ср
где Т — температура, устанавливающаяся на поверхности термо-
преобразователя.
При г—1 измеряемая температура 7 равна Тт, а при умень-
шении скорости потока v до нуля Т = ТС.
При измерении температуры потоков, движущихся с высокой
скоростью, стремятся использовать термопреобразователи такой
формы, при которой коэффициент восстановления близок к еди-
нице и сохраняет свое значение в широком диапазоне скоростей
газовых потоков.
На рис. 7.13 приведены схемы термопреобразователей для из-
мерения температуры высокоскоростных потоков. Нужный эффект
достигается необходимой ориентацией чувствительного элемента
и правильным сочетанием входного и выходного сечений, чтобы
заторможенный поток не успевал охлаждаться при отводе тепла
по термоэлектродам и арматуре.
Экспериментальные исследования, проведенные различными
авторами, показывают, что термопреобразователи с продольно об-
текаемой камерой торможения (рис. 7.13, а, б) имеют более вы-
168
сокий коэффициент восстановления, чем термопреобразователи с
поперечно обтекаемой камерой торможения (рис. 7.13,в). Так, с
помощью конструкции, приведенной на рис. 7.13,6, можно полу-
чить значение коэффициента восстановления температуры, рав-
ное 0,97—0,98.
Рис. 7.13. Схемы термопреобразователей для из-
мерения температуры высокоскоростных потоков
Ниже приводятся значения коэффициента восстановления для
различных конструкций с ориентацией чувствительных элементов
термопреобразователей:
для круглых проволок без изоляции при поперечном воздушном потоке г =
=0,65;
при расположении проволоки вдоль потока г = 0,85—0,87;
для пластинки, омываемой продольно, г = 0,85—0,87;
для спая термопары в виде шарика г = 0,75.
При конструировании термопреобразователей стремятся обес-
печить постоянство значений коэффициента восстановления тем-
пературы в широком диапазоне изменения значения критерия М —
= v)c, где с — скорость распространения звука в данной среде..
Практически с ростом критерия М коэффициент восстановления,
также увеличивается.
При применении для измерения температуры высокоскорост-
ного газового потока термопреобразователей с камерой торможе-
ния методическая погрешность, обусловленная теплообменом из-
лучения, будет играть значительно меньшую роль, так как стенка>
камеры является экраном.
ГЛАВА 8
ПОВЕРКА И ГРАДУИРОВКА ТЕРМОМЕТРОВ
§ 8.1.	Методы градуировки и поверки
Классификация методов градуировки и поверки устанавливается
ГОСТ 8.002—71, в котором рекомендуются следующие методы: не-
посредственного сличения, сличения при помощи компаратора,
169-
прямых и косвенных измерений. Технические характеристики и
конструкции новых термометров и термометров, находящихся в
эксплуатацги, должны удовлетворять требованиям соответствую-
щих НТД (стандартов, технических условий).
Метрологические характеристики термометров определяют тре-
бования к правильности и точности их показаний при нормаль-
ных условиях работы и отклонениях от них. Стабильность метро-
логических характеристик термометров обеспечивается проведени-
ем государственных испытаний, государственной и ведомственной
поверок.
При государственных испытаниях устанавливают соответствие
приборов всем требованиям стандартов или других нормативных
документов. При государственной и ведомственной поверке оп-
ределяют соответствие термометров некоторым, предусмотренным
стандартом,требованиям.
Градуировке подвергаются образцовые термометры и термо-
метры с индивидуальными градуировочными характеристиками.
Градуировку и поверку можно осуществлять путем сравнения с
образцовыми термометрами или по реперным точкам. При этом
необходимо следить за тем, чтобы были исключены погрешности
измерения в результате подвода и отвода тепла. Для этого тер-
мометры нужно погружать на достаточную глубину в среду, тем-
пература которой измеряется. Очень важно соблюдать время вы-
держки термометра в среде до достижения установившегося зна-
чения температуры, что существенно зависит от конструкции и
размеров термометра.
В процессе градуировки и поверки следует по возможности
предотвращать или корректировать погрешности измерения, кото-
рые могут возникать у различных термометров.
Методы градуировки и поверки зависят от разряда средства
измерения, т. е. от точностных характеристик. Поверочные схемы,
устанавливающие средства, методы и точность передачи размера
единицы температуры от эталона рабочим средствам измерений,
охватывают различные температурные диапазоны. Для каждого
разряда средств измерения температуры и соответствующего диа-
пазона НТД на методы и средства поверки устанавливают сред-
ства поверки, т. е. аппаратуру для воспроизведения температур-
ной шкалы, установки, измерительные приборы, образцовые и
эталонные средства, необходимый инструмент, материалы и ве-
щества.
§ 8.2.	Аппаратура дпя воспроизведения температурной шкалы
Всю аппаратуру, используемую для поверки и градуировки
термометров, можно разделить на две группы: аппаратура для
установления любого значения температуры с высокой стабиль-
ностью; аппаратура для получения фазовых состояний химически
чистых веществ.
>170
Аппаратуру первой группы — жидкостные термостаты, трубча-
тые печи — используют при поверке и градуировке термометров
методами сличения с образцовыми термометрами; второй—уст-
ройства для воспроизведения тройных точек (равновесие трех фаз
вещества — твердой, жидкой, газообразной), точек кипения (рав-
новесие между жидкой и газообразной фазой), точек плавления
или затвердевания (твердой и жидкой фазами)—для градуиров-
ки средств измерения температуры по первичным реперам.
Жидкостные термостаты. В температурном диапазоне от —170
до +600 °C применяются, как правило, жидкостные термостаты с
принудительным перемешиванием жидкости. В качестве рабочих
в термостатах используются жидкости, приведенные в табл. 8.1,
для различных температурных интервалов.
ТАБЛИЦА 8.1
Термостат	Рабочая жидкость	Температурный интервал, °C
Жидкостные	Пентан Метанол Этиловый спирт Водный раствор антифри- за	От —170 до 0 » —100 » 0 » —80 » 0 » —10 » 0
Водяной	Дистиллированная вода	» 0,5 » 99
Масляный	Масло индустриальное 50 Масло цилиндровое 52 Масло веретенное АУ Кремний-органическое	»	95	»	200 »	100	»	300 »	95	»	150 »	20	»	250
Солевые	Смесь азотнокислого калия и азотнокислого натрия (45 % + 55 %) Смесь хлористого калия и хлористого натрия (75 % + + 20 %)	» 180 » 550 » 500 » 630
Оловянный	Олово расплавленное	» 360 » 650
Вязкость используемых жидкостей играет очень важную роль,
так как равномерность температурного поля в термостате опре-
деляет точность измерений. Вода обладает достаточно малой вяз-
костью и легко перемешивается. Вязкость масел зависит от тем-
пературы и существенно уменьшается при ее повышении. Масло
индустриальное 50 целесообразно применять при более низких
температурах (от 90°C и выше), так как его вязкость меньше,
чем у масла цилиндрового 52. Однако необходимо учитывать, что
при длительной эксплуатации масел в них появляются смолы и
вязкость возрастает. Для этого их необходимо периодически ме-
нять.
Схема простейшего жидкостного термостата показана на рис.
8.1 [1]. В термостате имеется рабочая камера (цилиндрический со-
суд 7), заполненная жидкостью и находящаяся в металлическом
защитном кожухе 2. Пространство между рабочей камерой и за-
щитным кожухом заполнено теплоизоляцией 3. Вал электродви-
171
гателя 8 соединен с насосом 5 и мешалкой 4, расположенной в
цилиндре с отверстиями в верхней части для циркуляции жидко-
сти. Электродвигатель жестко закреплен в крышке 11, с отвер-
стиями для погружения поверяемых и образцовых термометров 10.
Насос термостата используется для поддержания постоянной тем-
пературы во внешнем аппарате либо для ее охлаждения. В этом
случае штуцеры 7 подсоеди-
няются к змеевику, находяще-
муся в хладоагенте, или к ап-
парату, в который подается
рабочая жидкость. При отсут-
ствии необходимости исполь-
зования насоса штуцеры сое-
диняются трубкой 6. В термо-
стате имеются один или два
(в зависимости от конструк-
ции) нагревателя 12, 14. Элек-
троконтактный термометр 9
включен в схему автоматиче-
ского регулирования и поддер-
жания температуры в термо-
стате. Блок автоматического
регулирования крепится к за-
щитному кожуху или встраи-
вается в термостат. В преци-
зионных термостатах вместо
электроконтактных термомет-
ров используются термометры
сопротивления, преобразова-
Рис. 8.1. Схема жидкостного термо-
стата
тель которых встраивается в рабочую камеру. Змеевик 13 ис-
пользуется для охлаждения рабочей жидкости. Уровень жидкости
в термостате должен быть на минимальном расстоянии от крышки.
Жидкость из термостата сливается через трубку 15.
Жидкостные криостаты применяются для работы в диапазоне
от —170 до 0°C. Температура в рабочей камере регулируется за
счет изменения скорости пропускания хладоагента по змеевику.
В качестве хладоагента чаще всего используется жидкий азот.
Интенсивность потока можно регулировать, изменяя давление в
металлическом вакуумном сосуде, как показано на рис. 8.2. В пре-
цизионных термостатах, рабочие камеры которых заполняются
водным раствором антифриза, рабочая жидкость охлаждается хо-
лодильным агрегатом до —10 °C.
Водяной термостат используют для получения температур в ди-
апазоне от 5 до 99°C. Рабочая камера термостата заполняется
дистиллированной водой. Степень дистилляции можно контроли-
ровать по ее электропроводности. На практике применяются во-
172
дяные термостаты типа ТС-24 (см. рис. 8.1) и прецизионные тер-
мостаты ТВ-4 и ТВП-6.
В отличие от описанной схемы жидкостного термостата в этих
устройствах рабочая жидкость циркулирует между рабочей и под-
готовительной камерами (в термостате типа ТВ-4 имеется две
подготовительные камеры: нагревательная и холодильная). Гра-
Рис. 8 2. Схема жидкостного криостата
диент температур в термостате ТВП-6 по вертикали и горизонта-
ли рабочего пространства составляет 4-10—2 К/м, а среднее квад-
ратическое отклонение случайной составляющей погрешности
поддержания температуры 5-10-3 и 1 • 10-2 К при температурах
от 20 до 50 °C и от 20 до —10 °C соответственно.
Водяной прецизионный термостат ТВП-6 — это замкнутая двух-
камерная система, заполненная рабочей жидкостью (теплоноси-
телем) и состоящая из рабочей и подготовительной камер, трубо-
проводов и крана для слива рабочей жидкости. Теплоноситель,
температура которого доведена до заданного значения в подго-
товительной камере, перемешивается мешалкой и подается по
трубопроводу в рабочую камеру. Объем рабочей камеры больше,
чем подготовительной, что улучшает регулирование температуры
и обеспечивает небольшой градиент по всему рабочему простран-
ству рабочей камеры.
Масляные термостаты применяются для диапазона температур
95—300 °C. Используют нефтяные масла (индустриальное 50 с
температурой вспышки 230°C и цилиндровое 52 с температурой
вспышки 320°C). Широко применяются также кремнийорганиче-
ские (селиконовые) масла, которые имеют меньшую вязкость и
повышенную стойкость к работе на предельной температуре (без
образования смол). При заполнении термостата маслом обяза-
тельна предварительная выдержка его при температуре 100°C.
173
Это необходимо для полного удаления из масла вбды, имеющей-
ся в нем. При работе термостата необходимо применять вытяж-
ное устройство. На практике широко распространен термостат
типа ТМ-3, конструктивно выполненный в виде блока, включаю-
щего вытяжной шкаф, термостатирующее устройство, заполняемое
маслом, пульт управления. Градиент температур по вертикали
рабочего пространства 4-10~2 К/мин. ^термостате одновременно
можно поверять до шести термометров.
Соляные термостаты заполняются расплавленными солями и
используются для получения температурного диапазона от 180 до
630°C. Сухую смесь солей засыпают до верхнего края термостата
и включают нагреватель. Ког-
да смесь расплавится, ее на-
чинают периодически переме-
шивать, включая двигатель
мешалки. Сухую смесь добав-
ляют по мере ее плавления до
полного заполнения рабочей
камеры. Солевой термостат
следует устанавливать в вы-
тяжном шкафу, как и масля-
ный, так как при высоких тем-
пературах в случае поврежде-
ния ртутных термометров воз-
никает опасность появления в
воздухе большой концентра-
ции паров ртути.
При работе с солевыми
расплавами следует соблюдать
осторожность, так как образу-
ющиеся брызги могут причи-
нить сильные ожоги.
Оловянный термостат при-
меняется для диапазона тем-
ператур от 300 до 600°C. За-
полняются термостаты оловом
марки 01. Градиент темпера-
Рис. 8.3. Схема криостата сравнения
м, что соответствует термоста-
ту типа ТО-3.
Криостаты сравнения служат для передачи размера единицы
температуры и практических температурных шкал в диапазоне
температуры ниже —170 °C. Принцип работы этих устройств су-
щественно отличается от жидкостных криостатов, описанных выше.
Схема криостата приведена на рис. 8.3. Градуируемые термо-
метры 3 помещены в сверлении массивного медного блока срав-
нения 4, окруженного противорадиационной ширмой 7 и подве-
шенного в вакуумной рубашке 5. Температурный режим устанав-
174
ливается автоматическим регулятором типа ВРТ-2 или ВРТ-3.
Входным сигналом регулятора является разность опорной ЭДС
и ЭДС термопреобразователя 6, установленного на ширме. Вы-
ходной сигнал подается на нагреватель ширмы. При таком ме-
тоде регулирования и стабилизации температуры температура
блока сравнения за время измерения в каждой точке (не меиее
30 мин) изменяется в пределах ±0,001 К, а градиент температу-
ры по блоку не превышает 0,001 К.
В качестве рабочей жидкости в наружном сосуде Дьюара 9
используют жидкий азот. Внутренний сосуд Дьюара 2 заполняет-
ся газообразным гелием из газгольдера. Через 3 ч после выдерж-
Рис. 8.4. Устройство трубчатой печи
ки в сосуд 2 заливают жидкий гелий. Через 30 мин после залив-
ки понижают давление паров гелия и стабилизируют его регуля-
тором откачки 10.
Вакуум в рубашке криостата 5 контролируется вакууммет-
ром 11. В каждой точке температуру устанавливают с помощью
автоматического регулятора и выдерживают не менее 30 мин для
стабилизации и выравнивания температуры по блоку сравнения.
При измерениях необходимо, чтобы уровень жидкости в сосуде 2
был выше, чем в ловушке излучения 1.
Трубчатые печи. Термоэлектрические преобразователи при тем-
пературах до 1200°C и выше поверяются в электрических труб-
чатых печах с хорошей теплоиз 'ляцией. Печь (рис. 8.4) состоит
из фарфоровой трубы 6, вокруг которой расположен нагреватель-
ный элемент 3. Печи изготовляют с толстым слоем теплоизоля-
ции 5, закрытой защитным металлическим чехлом 7. Торцевые
отверстия печи закрывают теплоизоляционными пробками с тем,
чтобы исключить появление погрешностей измерения в результа-
те воздушных потоков внутри трубы. Для обеспечения максималь-
но равномерного распределения температуры по всей длине печи
нагревательную обмотку выполняют вблизи концов трубы более
плотной. При поверке внутрь фарфоровой трубы вставляют ме-
таллический блок 4 с несколькими отверстиями, расположенными
параллельно продольной оси для размещения термоэлектриче-
175
ских преобразователей 1, 2 или термометров. Эти блоки делают
из алюминия или меди для применения при /температурах до
500°C, из алюминиевой бронзы — при температурах до 750 °C и из
чистого никеля и жаростойкой стали — прй^температурах 800°C
и выше. Для изготовления электропечей, работающих при темпе-
ратурах выше 1300°C, применяют керамйку из окиси алюминия,
окиси бериллия и окиси магния При роверке термопар из благо-
родных металлов их следует сначала вводить в защитные кера-
мические чехлы, а затем закладывать в металлические блоки.
Для получения температур до 2500 °C применяются электро-
печи с графитовыми нагревателями, выполняемыми в виде трубки
Рнс 8 5 Электропечь с графитовым нагревателем
с небольшим сопротивлением и рассчитанными на низкое напря-
жение и большие токи (при 17=5—15 В, /=500—5000 А). Чтобы
исключить химическое воздействие углерода и его содержаний в
таких печах предусматривается соответствующая защита чувстви-
тельных элементов преобразователей. На рис. 8 5 показано уст-
ройство электропечи с графитовым нагревателем 3. Рабочее про-
странство трубы 1, изготовленной из окиси алюминия, защищено
от углерода и его соединений танталовым экраном 2 Графито-
вый нагреватель окружен слоем теплоизоляции 4. Ток к нагрева-
телю поступает через металлические токоподводы 6 Особенность
печей — наличие водоохлаждаемой наружной оболочки 5.
Постоянство температуры в печах любого типа поддержива-
ется с помощью непрерывно действующего автоматического регу-
лирующего устройства Можно использовать простое устройство
для регулирования температуры, если сначала отрегулировать в
печи требуемую температуру, а затем отключить систему регули-
рования и так установить ток нагрева, чтобы температура оста-
валась во время измерений постоянной.
Сосуд тройной точки воды (рис 8 6) представляет собой стек-
лянный герметичный сосуд, заполненный водой высокой чистоты
с изотопным составом, близким к изотопному составу океанской
воды, в котором воспроизводится равновесие трех фаз воды —
твердой, жидкой и газообразной. Сосуд состоит из баллона 3, в
верхнюю часть которого встроена стеклянная трубка 4 для раз-
176
мещения поверяемых термометров. Из стеклянного баллона 3.
заполненного совершенно чистой водой 2, откачивают газы, нахо
дящиеся над водой и в воде, после чего его нижняя часть запаи-
вается В верхней части баллона, не заполненной водой, образу-
ется водяной пар 1 под давлением в 614 Па при О °C На трубку,,
которую заполняют твердой углекислотой, намораживают слой
льда 5. Затем сухую углекислоту из стеклянной трубки удаляют
и наливают туда воду комнатной температуры для того, чтобы
между стенкой трубки и льдом образовался тонкий слой воды 6
После этого сосуд помещают в ледяную ванну, где поддержива
ется температура таяния льда (нулевой термостат). Температу-
Рис 8 6 Сосуд тройной
точки воды
Рис 8 7 Нулевой тер-
мостат
Рис. 8 8. Водяной кипятиль-
ник
ра тройной точки воды 273,16 К может поддерживаться достаточ-
но долго — от нескольких часов до нескольких суток при правиль-
ном поддержании температуры точки таяния льда в нулевом тер-
мостате. Сосуды могут изготовляться различных размеров
(диаметр, высота).
Для получения точки таяния льда 273,15 К (О °C) используют
нулевой термостат (рис 8.7). Рабочая камера термостата обычно
представляет собой сосуд Дьюара 7 с двойными стеклянными от-
ражающими стенками, пространство между которыми вакууми-
ровано В нулевых термостатах некоторых типов рабочую камеру
12-1973
177
изготовляют из металла, например, в термостате T^f-112. Рабочая
камера помещается в металлический кожух, а пространство ме-
жду ней и кожухом заполняется теплоизоляцией: Внизу рабочей
камеры имеется кран для слива талой водыУобразовавшейся в
рабочем пространстве. При подготовке термостата к работе необ-
ходимо заполнить рабочую камеру мелко ^дробленным льдом или
снегом, полученным в льдогенераторе. Лед изготовляется из дис-
тиллированной воды, так как примеси солей будут влиять на теп-
ловой режим.
Рабочую камеру, тщательно очищенную и обезжиренную, за-
полняют льдом 3 и добавляют столько чистой воды, чтобы ее уро-
вень 2 был на 10—20 мм ниже поверхности льда. При недоста-
точном количестве воды более легкий лед всплывает на поверх-
ность воды, что может исказить измеряемую температуру. В про-
цессе эксплуатации целесообразно отжимать лед вниз в сосуде,
добавлять лед, а излишнюю воду удалять.
Водяной кипятильник — паровой термостат. Для поверки тер-
мометров по точке кипения воды используют кипятильники (рис.
8.8). Термостат состоит из рабочей камеры — цилиндрического ре-
зервуара 6, защищенного слоем теплоизоляции 7. Внутри рабочей
камеры имеется циркуляционный металлический цилиндр 5. Ниж-
няя часть (дно) циркуляционного цилиндра выполнено в виде
сетки или имеет большое количество отверстий. Нижняя часть
циркуляционного цилиндра соединена с устройством 2 охлажде-
ния паров, сообщающимся с атмосферой. Вода, сконцентрировав-
шаяся в холодильнике из паров, стекает в нижнюю часть рабочей
камеры, а уровень ее внутри камеры Определяют по водомерному
стеклу 4. Избыточное давление водяного пара измеряет диффе-
ренциальный водяной манометр 8. В крышке 9 имеется ряд от-
верстий для установки термометров 1. На практике в составе по-
верочных установок широко применяется паровой термостат типа
ТП-5. В паровых термостатах, в которых рабочая камера сооб-
щается с атмосферой, температура кипения существенно зависит
от атмосферного давления. Температура кипения воды только при
нормальном атмосферном давлении 101325 Па равна 373,15 К
(100 °C).
Поэтому в процессе поверки необходимо контролировать ат-
мосферное давление и по таблицам, приведенным в стандартах,
определять точное значение температуры кипения, либо измерять
температуру кипения образцовым термометром с учетом поправок.
При градуировке эталонных термометров применяют паровые
термостаты с замкнутой системой, в которой давление паров ки-
пящей воды поддерживается автоматически равным нормально-
му — атмосферному.
Печи плавления. Для получения температур плавления и за-
твердевания химически чистых металлов применяются трубчатые
печи с электрическим нагревом (рис. 8.9). Цилиндрический тигель
5, заполненный химически чистым металлом 4, размещают при-
мерно в центральной зоне трубчатой печи на графитовых вклады-
178
шах 2, расположенных ниже и выше тигля. Тигель и графитовые’
вкладыши находятся в фарфоровой трубе 6. Между металличе
ским корпусом 1 и теплоизолирующими трубками 7, внутри кото-
рых находится электрический нагреватель, располагают второй'
толстый слой теплоизоляции 3.
Тигли изготовляются из графита, окиси алюминия, вольфрама
и других окисей тугоплавких металлов. Тигель закрывается свер
ху крышкой, в которую крепится защитный чехол для погружения
термометра 8, а металл засыпается графитовым порошком тол
щиной примерно 1 см. Это необходимо для защиты металла от
окисления. В настоящее время применяют и другой способ защи
ты металла от окисления: тигель герметизируют, удалив предва-
Рис. 8.9. Устройство печи плавления хими-
чески чистых металлов
Рис. 8 10 Термограмма фазового переход»
жидкий металл — твердый металл
рительно из него воздух, а простран-
ство под металлом заполнив инерт-
ным газом.
Использовать такие тигли можно
многократно.
Процесс, происходящий в печи,
идет по этапам:
быстрого разогрева печи до темпе-
ратуры tn в рабочем пространстве;
поддержания в рабочем пространстве печи температуры tH при
минимальном градиенте температуры до полного расплавления
металла;
перегрев жидкого металла на Д/ относительно температуры за-
твердевания;
охлаждения печи до температуры t в рабочем пространстве
при сохранении минимального градиента температур. В течение
этого процесса оператор через равные промежутки времени изме-
ряет ТЭДС или электрическое сопротивление в зависимости от
того, какой преобразователь градуируется, термоэлектрический
или сопротивления. По результатам измерения строится термо-
грамма (рис. 8.10). Горизонтальный участок зависимости т=/(Т)
12*
179*
соответствует температуре затвердевания металл?. Промежуток
времени Дт для горизонтального участка зависимости должен
быть не менее 20—30 мин, в течение которых, можно произвести
требуемое количество отсчетов.	z
При получении температур затвердевания металлов существен-
ное значение имеет чистота металла, так как примеси понижают
'температуру затвердевания металла. Кроме того, зависимость
Рис. 8.11. Установка для реализации тройной точки кис-
лорода
i; = f(T) загрязненного металла не имеет четко выраженного го-
ризонтального участка, что создает неопределенность значения
температуры затвердевания.
В установке типа «Цинк-5», служащей для получения темпе-
ратуры затвердевания цинка, используется печь плавления со
стойкой управления «Авторепер», осуществляющая автоматиче-
ское регулирование и поддержание требуемого температурного
режима с продолжительностью горизонтальной «площадки» за-
твердевания цинка марки ЦВ-00 не менее 100 мин.
Для реализации точки росы кислорода и точек кипения азота
и водорода применяется установка для реализации ожиженных
газов при нормальном и пониженном давлениях (рис. 8.11). Ос-
новными узлами установки являются блок сравнения 1, внутрен-
180
ний сосуд Дьара 8, регулятор давления 9. Градуируемые термо-
метры вставляют в отверстия блока сравнения на крановой
замазке, обеспечивающей хороший тепловой контакт оболочки тер-
мометра с блоком. Потенциальные провода 5 и провода от пове-
ряемых термопреобразователей 4 подводят к соединительной ко-
лодке 3. К крышке 6 монтируется внутренний сосуд Дьюара 8, в
который через отверстие 7 заливают жидкий хладоагент. С по-
мощью регулятора 9 при работе насоса добиваются необходимого
понижения давления. За давлением следят по манометру 10.
При работе с жидким водородом и азотом при пониженном
давлении на внутренний сосуд Дьюара 8 монтируют внешний со-
суд Дьюара 11, в который заливают жидкий азот. При работе на
установке при нормальном атмосферном давлении используют не
регулятор давления 9 с насосом и манометром, а термопреобра-
зователь 2, который через центральное отверстие в крышке 6
вставляют в пазы блока сравнения 1.
§ 8.3.	Поверка стеклянных жидкостных термометров
Стеклянные жидкостные термометры поверяют методом сли-
чения с образцовыми термометрами. Методы и средства поверки
рабочих стеклянных жидкостных термометров определены ГОСТ
8.279—78, а образцовых ртутных стеклянных термометров — ГОСТ
8.317—78. При их поверке применяется следующая аппаратура:
нулевой термостат типа TH-12 или сосуды Дьюара; сосуд трой-
ной точки воды с внутренним колодцем длиной от 200 до 220 мм,
диаметрами 12 и 14 мм; водяной кипятильник типа ТН-5; криостат
типа К.Р-60 с диапазоном температур от —60 до 0°С; водяные
термостаты типа ТВП-6 и ТВ-4; масляные термостаты типа ТМ-3,
ТС-24; оловянный термостат ТО-3 и др.
В качестве образцовых средств поверки рекомендуются: образ-
цовые платиновые термопреобразователи, медьконстантановый
термоэлектрический преобразователь, образцовые ртутные стек-
лянные термометры. Цена деления образцового термометра дол-
жна быть меньше или равна цене деления поверяемого. При про-
ведении поверки должны быть выполнены следующие операции:
внешний осмотр термометров и определение метрологических па-
раметров.
Важное значение при поверке имеет показание термометра при
температуре 273,15 К, так как по положению нулевой точки тер-
моме ра контролируют стабильность его показаний и изменение
показаний за счет старения и депрессии.
Положение нулевой точки определяют при температуре трой-
ной точки воды для термометров с ценой деления 0,01 и 0,02 °C
и при температуре плавления льда термометров с ценой деления
свыше 0,02 °C. Положение нулевой точки после проведения по-
верки определяют только для термометров с ценой деления не бо-
лее 0,2 °C.
Поверку проводят при переходе от более низких температур к
181
более высоким, начиная с первой числовой отметки шкалы. Пове-
ряемые градусные отметки шкалы термометров (кроме нулевой)
в зависимости от цены деления шкалы выбирают из таблиц стан-
дартов. Если шкала поверяемого термометра содержит менее трех
отметок, указанных в таблицах, то поверку в любом случае про-
водят в трех отметках — начале, середине и конце шкалы. Для
термометров с ценой деления не более 0,02 °C при определении
поправок с применением платинового термометра сопротивления
фиксируют атмосферное давление после окончания измерений в
данной точке шкалы. При определении действительного значения
температуры образцовые и поверяемые термометры устанавлива-
ют в следующем порядке: слева образцовый, поверяемые, а затем
Второй образцовый. Показания отсчитывают слева направо. Для
каждой поверяемой отметки проводят не менее 10 отсчетов. По-
вторный отсчет проводят в обратном порядке, начиная со второго
образцового термометра и заканчивая первым.
При расчете поправок и погрешностей определяют среднее
арифметическое показание для данной отметки поверяемого тер-
мометра. Поправку вычисляют как разность действительной тем-
пературы термостата и средним арифметическим значением для
поверяемой отметки шкалы. Для образцового термометра к сред-
нему арифметическому отсчету для данной отметки шкалы алге-
браически прибавляют поправку, взятую из свидетельства.
Погрешности рассчитывают аналогично описанному только с
той разницей, что вычисляют разность показаний среднего ариф-
метического значения поверяемого термометра и действительно-
го значения температуры. Погрешности поверяемых термометров
не должны превышать предельных допускаемых погрешностей, за-
висящих от диапазона измеряемых температур и цены деления
термометра.
Необходимо при поверке следить за правильным положением
глаза и визирного устройства, чтобы избежать ошибок из-за па-
раллакса особенно при поверке палочных термометров. Глаз по-
верителя должен находиться на уровне горизонтальной, каса-
тельной к мениску, так, чтобы штрих шкалы в точке отсчитыва-
ния был виден прямолинейным.
В результате поверки рабочих стеклянных жидкостных термо-
метров устанавливают соответствие техническим характеристи-
кам по ГОСТ 8.279—78 и ГОСТ 8.317—78. В результате поверки
образцовых стеклянных жидкостных термометров, кроме того, оп-
ределяют поправки к их показаниям и выдают свидетель.тво, в
котором приводят таблицы поправок и указывают положение ну-
левой отметки.
§ 8.4.	Поверка монометрических термометров
Манометрические термометры, как и стеклянные жидкостные,
поверяют методом сличения с образцовыми термометрами. Мето-
ды и средства поверки манометрических термометров изложены
132
в ГОСТ 8.305—78. При их поверке применяют такие же образцо-
вые средства и аппаратуру, как при поверке стеклянных жидко-
стных термометров.
Самопишущие манометрические термометры обычно не явля-
ются одновременно и показывающими приборами, поэтому при их
поверке определяют погрешность самопишущего устройства (запи-
си) и погрешность хода диаграммной бумаги. У показывающих
манометрических термометров определяют основную погрешность
и вариацию показаний. У термометров с электроконтактным уст-
ройством определяют погрешность и вариацию срабатывания сиг-
нального устройства.
Основную погрешность показаний, записи и выходных сигна-
лов определяют по ГОСТ 8624—80. При обратном ходе поверку
допускается проводить на трех отметках шкалы диаграммной бу-
маги (начальной, средней и конечной). Показания поверяемого
термометра отсчитывают с погрешностью не более 0,2 наименьше-
го деления шкалы термометра. При определении основной по-
грешности и вариации показаний конденсационных приборов вре-
мя выдержки термобаллона в термостате перед снятием показа-
ний допускается увеличивать до 20 мин.
Подготовка манометрических термометров к поверке сводится
к следующему. Термометры устанавливают в рабочее положение
после внешнего осмотра. Для самопишущих приборов необходи-
мо вставить чистую диаграммную бумагу, заправить перо черни-
лами и привести в действие механизм движения диаграммной бу-
маги; к термометрам с электроконтактами подключают образцо-
вый милливольтметр и подают питание за 2 ч до поверки. После
этого термобаллоны манометрических термометров и образцовый
термометр погружают в термостат, в котором поддерживается
температура, соответствующая нижней числовой отметке шкалы
поверяемых термометров. Показание образцового и поверяемых
термометров отсчитывают и записывают после трехминутной вы-
держки при постоянной температуре. Перед отсчетом показаний
поверяемые приборы слегка постукивают рукой, отмечая в про-
токоле смещение стрелки или пера. Показания образцового тер-
мометра снимают дважды — до и после отсчетов показаний всех
поверяемых термометров. Поверка манометрических термометров
производится от нижнего значения температуры до верхнего, а
затем после пятиминутной выдержки на верхнем пределе в об-
ратном направлении от верхнего к нижнему. Это необходимо для
определения основной погрешности показаний или записи и ва-
риации. Рационально при поверке пользоваться несколькими
термостатами с установленными значениями температур, соответ-
ствующих поверяемым точкам шкалы. При этом переносят термо-
баллон из термостата в термостат в течение 1—3 с.
Основная цель поверки манометрических термометров заклю-
чается в определении соответствия значения основной погрешно-
сти и вариации показаний требованиям ГОСТ 8.305—78.
188
§ 8.5.	Поверка термопреобразователей
термоэлектрических термометров
Термопреобразователи термоэлектрических термометров гра-
дуируют и поверяют методом сличения с образцовыми термопре-
образователями и методом прямых измерений температур фазо-
вых состояний химически чистых веществ. Методы и средства по-
верки термопреобразователей технических термоэлектрических
термометров изложены в ГОСТ 8.338—78, термопреобразовате-
лей образцовых платинородий-платиновых термоэлектрических
термометров — в ГОСТ 8.420—81.
Для поверки применяется образцовая установка типа УТТ-6В,
в комплект которой входят измерительный пульт ПИП-1, паровой
термостат ТП-5, нулевой термостат TH-12 и две шахтные печи с
температурой нагревания до 1200°C, образцовые платинородий-
платиновые термоэлектрические термометры требуемых разрядов
с соответствующим диапазоном температур.
Поверка технических преобразователей термоэлектрических
термометров. При подготовке к поверке термопреобразователей из
неблагородных металлов образцовый платинородий-платиновый
термопреобразователь помещают в кварцевую защитную пробир-
ку. При этом его рабочий конец должен касаться дна пробирки.
В рабочем пространстве печи в зоне равномерного распределения
температуры устанавливают никелевый стакан или никелевый
блок. При поверке чувствительных элементов платинородий-пла-
тиновых преобразователей вводят защитную кварцевую трубу.
Свободные концы термостатируют при 0°С льдо-водяной смесью,
при комнатной температуре — водой или маслом комнатной тем-
пературы, измеряемой стеклянным ртутным термометром.
При поверке методом сличения с образцовым 2 или 3-го раз-
ряда термопреобразователем термоэлектрического термометра гра-
дуировки ПП важно обеспечить равенство температур рабочих
спаев всех поверяемых и образцовых термопреобразователей, по-
этому термопреобразователи (не более четырех поверяемых) скла-
дывают в общий пучок с кварцевой пробиркой, в которой находит-
ся образцовый преобразователь. Внутри печи пучок чувствитель-
ных элементов должен упираться в дно никелевого стакана.
При поверке чувствительных элементов их ТЭДС должна быть
определена не менее, чем при четырех значениях температуры.
Значение температур, при которых необходимо проводить поверку,
указаны в ГОСТ 8.338—78 для технических термопреобразовате-
лей.
По достижении требуемой температуры пучка чувствительных
элементов последовательно отсчитывают ТЭДС всех, начиная с
образцового, поверяемых термопреобразователей в прямом (по их
номерам), а затем в обратном порядке. Общее число отсчетов по
каждому термопреобразователю должно быть равно четырем. В
этом случае отличие показаний в связи с изменением температур
в печи усредняется по всем термометрам за одно и то же время,
184
необходимое поверителю для снятия серии отсчетов. Чем меньше
это время, тем точнее результат.
Из результатов измерений в каждой поверяемой точке вычис-
ляют среднее арифметическое значение ТЭДС для образцового и
каждого поверяемого термопреобразователя. Затем это значение
ТЭДС приводят к температуре свободных концов, равной О °C. Не-
обходимую поправку определяют по соответствующей номиналь-
ной статической характеристике, указанной в ГОСТ 3044—84. По
приведенному значению ТЭДС образцового термопреобразовате-
ля определяют температуру рабочих концов поверяемых чувст-
вительных элементов по формуле
4	4 1Е обр ЯсВИЛ.
' — ‘СВИЛ *1	. , _ , ~	,
(4E/A/)Z
(8.1)
где В'обр — приведенное значение ТЭДС чувствительного элемен-
та образцового термопреобразователя
Е обр == Добр "Г С св.к	(8,2)
Добр — среднее измеряемое значение ТЭДС чувствительного
элемента образцового термопреобразователя; c'cb.k — поправка
на температуру свободных концов образцового преобразователя,
найденная по номинальной статистической характеристике на гра-
дуировку ПП по температуре /св.к, определенной ртутным стек-
лянным термометром; ДСВИд— значение ТЭДС, взятое из свиде-
тельства па образцовый преобразователь, ближайшее к ДОбр’,
/свид— температура, соответствующая значению Девид, °C;
(\E/\t)t — приращение ТЭДС образцового платинородий-плати-
нового преобразователя на единицу температуры, равное:
t, °C	(Д£/ДЦг102, мВ/К	t, °C	(Д£/ДЦг-102, мВ/К
300	8,18	800	10,64
400	9,36	900	10,99
500	9,66	1000	11,34
600	10,02	1100	11,64
700	10,35	1200	11,9
Далее по номинальным статическим характеристикам, указанным
в ГОСТ 3044—84, для поверяемых чувствительных элементов на-
ходят нормированное значение их ТЭДС, соответствующее темпе-
ратуре, найденной по формуле (8.1). Для каждого поверяемого
чувствительного элемента определяется разность между приве-
денным и нормированным значениями ТЭДС при каждой темпе-
ратуре
Д поп = ДпсвЧ~Ов «К ,	(8-3)
где Дпов — среднее измеренное значение ТЭДС поверяемого чув-
ствительного элемента; ссвк — поправка на температуру свобод-
ных концов поверяемого термопреобразователя, найденная по но-
минальным статическим характеристикам по температуре.
Разность
АЕ =- Д'поз—Днорм	(8.4)
185
должна быть в пределах, установленных ГОСТ 3044—84. Чувст-
вительные элементы термопреобразователей термоэлектрических
термометров, не удовлетворяющих этому требованию хотя бы при
одном из заданных значений температуры, должны быть забра-
кованы. Результаты измерений ТЭДС термопреобразователей тех-
нических разборных и неразборных конструкций обрабатывают
аналогично.
Метод поэлектродного сличения чувствительных элементов
преобразователей градуировок ПП, ПР 30/6, ВР-5 и ВР-20 с об-
разцовыми термопреобразователями термоэлектрических термо-
метров 2-го и 3-го разряда. Метод поэлектродного сличения за-
ключается в измерении ТЭДС Де термоэлектродов поверяемых
чувствительных элементов в rape с одноименными термоэлектро-
дами образцового термопреобразователя. Измерения приводят в
прямом и обратном порядке, переходя последовательно от перво-
го чувствительного элемента к последнему, а затем наоборот. Для
технических термометров поверку производят в трубчатых элект-
ропечах, а для образцовых 1, 2, 3-го разряда — в печах с графи-
товыми нагревателями при температурах затвердевания цинка,
сурьмы, меди. Свободные концы термостатируют. Рабочие концы
технических термопреобразователей при поверке погружают на
неизменную глубину, а образцовые поочередно на глубину 250
и 300 мм, определяя среднее арифметическое значение получен-
ных ТЭДС.
Для каждого поверяемого чувствительного элемента определя-
ют разность между приведенным и нормированным значениями
ТЭДС при каждой температуре. Разность указанных значений
должна быть в пределах, установленных НТД. Поверку методом
поэлектродного сличения образцовых термопреобразователей про-
изводят на установке типа УПСТ-1 в диапазоне температур 50—
1200 °C.
Методика градуировки чувствительных элементов высокотем-
пературных термоэлектрических термометров путем плавления
малых количеств металлов или окислов на рабочем спае исполь-
зуется для градуировки чувствительных элементов высокотемпе-
ратурных преобразователей термоэлектрических термометров гра-
дуировки ВР-5 и ВР-20, предназначенных для измерения темпе-
ратуры в диапазоне 1800—3000 °C.
При подготовке к градуировке рабочий спай термопары выпол-
няется скруткой термоэлектродов из шести витков. Затем на ра-
бочий спай навивается отрезок проволоки или фольги из плати-
ны, родия, иридия, ниобия, молибдена. При градуировке в точке
плавления корунда до изготовления спая на один из термоэлект-
родов нанизывается бусинка из корунда. Для плавления плати-
ны, родия, корунда, иридия используют печь УГТ-2500, а для ни-
обия, молибдена, тантала — печь ПЭЛ-3000. Температуру в печи
устанавливают примерно на 50 °C ниже температуры плавления
металла (окисла). Далее нагрев осуществляют со скоростью
2—3 К/мин. Момент плавления определяют визуально через смот-
186
ровое окно, одновременно измеряя ТЭДС в каждом репере не ме-
нее трех раз.
Свободные концы термопреобразователей термостатируют при
температуре О °C.
§ 8.6.	Поверка термопреобразователей сопротивления
Методы и средства поверки термопреобразователей термомет-
ров сопротивления регламентированы ГОСТ 8.461—82, кроме пла-
тиновых образцовых, поверяемых по ГОСТ 8.427—81. Платино-
вые образцовые термометры сопротивления для низких темпера-
тур поверяются по ГОСТ 8.133—74. При проведении поверки при-
меняются поверочная установка типа УТГ-6В с пределами
воспроизведения температур 0—1200°C,низкотемпературная пове-
рочная установка типа УГТ-1 с пределами воспроизведения тем-
пературы от 2 до 273 К, установка типа «Цинк» для воспроизве-
дения температур затвердевания цинка.
Поверка рабочих термопреобразователей термометров сопро-
тивления стандартных градуировок. При подготовке к поверке
чувствительные элементы термопреобразователей разборных кон-
струкций без защитной арматуры помещают в стеклянные или
металлические пробирки с кольцевым зазором не более 2 мм.
Пространство между стенками пробирки и проводами плотно за-
крывают ватой. Термопреобразователи неразборных конструкций
с защитной арматурой длиной не более 350 мм укрепляют в раз-
делительной камере и вместе с ней погружают в термостат. Если
длина термопреобразователя неразборной конструкции более
350 мм, то их погружают в термостат без разделительной камеры.
При измерении сопротивления термопреобразователей компен-
сационным методом (установка УТТ-6В) применяют схему, пока-
занную на рис. 5.14. Сила тока, протекающего через чувствитель-
ный элемент термопреобразователя, должна быть такой, чтобы
выделяемая при этом мощность, не превышала 1 мВт. При выпус-
ке из производства термопреобразователи поверяют в трех точ-
ках диапазона измерений. Если в процессе эксплуатации поверку
производят в двух точках диапазона измерений, то этими точка-
ми чаще всего являются точки плавления льда и кипения воды.
После внешнего осмотра термопреобразователь подключают
в измерительную цепь и погружают в термостат. Сопротивление
поверяемого термопреобразователя начинают измерять с точки
таяния льда. Для удобства обработки результатов при измерении
сопротивления компенсационным методом целесообразно ток в по-
тенциометре подбирать из соотношения
1 . ПР
UN
(8.5)
где — сопротивление измерительной катушки по свидетельст-
ву; UN — падение напряжения на измерительной катушке сопро-
187
тивления; п — целое число. В этом случае сопротивление поверяе-
мых термопреобразователей будет численно равно ах-10п, где
ах — отсчет по потенциометру.
По результатам отсчетов по потенциометру вычисляют среднее
арифметическое значение_ падения напряжения на измерительной
катушке сопротивления C6vo6p и падения напряжения на поверя-
емых термопреобразователях из ряда значений Ut ... Ut , по-
лученных из четырех отсчетов
R0=RN, • rfi-,	(8.6)
U iVo6p U кт ’	V • /
^обр
где Rn обр — значение сопротивления образцовой катушки сопро-
тивления, взятое из свидетельства; Ut—Uno5? —средние ариф-
метические значения четырех отсчетов падения напряжения на тер-
мопреобразователе и измерительной катушке соответственно.
Расчет следует проводить с точностью 1 • 10_5 7?о. Отклонение
Ro от номинального значения при О °C (в Ом) определяют по фор-
муле
А₽о = ₽о- -₽ном>	(8.7)
где /?пом — номинальное значение сопротивления термопреобразо-
вателя при / = 0°С. Значение А/?о не должно превышать значений
допускаемых отклонений сопротивления термопреобразователей
при О °C.
Определение сопротивления термопреобразователя при тем-
пературе кипения воды можно начинать после выдержки в тер-
мостате термопреобразователя неразборной конструкции в тече-
ние 30 мин, разборных конструкций — 20 мин.
Температуру паров воды следует измерять образцовым термо-
метром с погрешностью не более ±0,04 °C или по барометрическо-
му давлению, если оно изменяется от 97325 до 104097,6 Па.
По результатам измерения сопротивления при температуре ки-
пения воды /к вычисляют сопротивление поверяемых термопреоб-
разователей при 100 °C по формуле
RtK±*R,	(8.8)
где Rt —значение сопротивления поверяемого термопреобразо-
вателя (в интервале температур от 97 до 103°C); А/? — поправка
на приведение сопротивления термопреобразователя к £=100°С
(табл. 8.2).
Разность температур
А;к=Ю0-/к	(8.9)
Для А/к, равной десятым и сотым кельвина, А/?г меньше приве-
денных в табл. 8.2 в 10 и 100 раз.
188
Поправки для номинальных статических характеристик типов;
1П, 1ОГТ, ЮМ меньше приведенных в таблице соответственно в-
100 и 10 раз, поправки для характеристик 5П меньше приведен-
ных в таблице в 10 раз, а для характеристик 500П больше в 10 раз.
По результатам измерений сопротивления поверяемых термо-
преобразователей при температурах 0 и 100 °C вычисляют значе-
ния I^ioo, которые не должны превышать номинальные допускае-
мые значения.
Градуировка технических полупроводниковых термометров со-
противления. Методы и средства градуировки технических полу-
проводниковых термопреобразователей (ПТС) сопротивления из-
ложены в МУ 242.
ТАБЛИЦА 8.2
А/к	Значение поправок Д/?£к для определения /?10о по температуре tK для термо- преобразователей					
	ТСП с нсх			тем с нсх		
	50П	100П	Гр. 21	50М	10QM	Гр. 23
1	0,19	0,38	0,18	0,21	0,43	0,23
2	0,38	0,77	0,35	0,43	0,85	0,45
3	0,58	1,15	0,53	0,64	1,28	0,67
4	0,77	1,54	0,71	0,86	1,71	0,90
5	0,93	1,93	9,89	1,07	2,14	1,13
6	1,15	2,31	1,07	1,28	2,57	1,36
7	1,35	2,70	1 ,25	1,50	3,00	1,58
8	1.54	3,08	1 ,47	1,71	3,42	1,81
9	1,73	3,47	1,60	1,93	3,85	2,03
Градуировке предшествует внешний осмотр и определение до-
пускаемой мощности рассеяния ПТС, необходимое для расчета
силы измерительного тока. Измерительный ток, проходящий че-
рез ПТС, следует выбирать таким, чтобы погрешность вследствие"
перегрева ПТС за счет выделения в нем мощности рассеяния не
превышала половины допускаемой погрешности измерения тем-
пера >уры. После определения допускаемой мощности рассеяния
для каждого ПТС, проводят градуировку в заданном диапазоне
температур с интервалом в 10°. Измеренные значения R, соответ-
ствующие значениям t, наносят на график, откладывая по оси
абсцисс температуру, а по оси ординат — сопротивление. Полу-
ченные точки соединяют плавной кривой. Промежуточные значе-
ния сопротивления определяют по полученной опытной кривой.
Допускается получение градуировочной характеристики в интер-
вале до 100 К по формуле (5.2) с определением ее постоянной
при трех значениях температур. Сопротивление термопреобразо-
вателей можно измерять компенсационным методом или с помо-
щью мостовой схемы.
189s
$ 8.7. Поверка термоэлектрических термопреобразователей
и термопреобразователей сопротивления для измерения
температуры поверхностей твердых тел
Поверка термопреобразователей для измерения температуры
-плоских поверхностей и твердых тел (ПТ) осуществляется с по-
мощью комплекса аппаратуры типа УГТП-2 в диапазоне 20—
500 °C, включающем градуировочное устройство, регулирующий
пульт, термостатную установку, измерительную стойку и установ-
ку УТТ-6В.
Основной узел градуировочного устройства — нагреваемая до
500 °C металлическая плита, на поверхности которой устанавли-
вают поверяемые термопреобразователи. С помощью регулирую-
щего пульта автоматически поддерживают температуру поверх-
ности плиты на заданном уровне. Измерительный пульт служит
для определения ТЭДС контрольных и поверяемых термопреобра-
зователей. Температура поверхности определяется линейной эк-
страполяцией показаний контрольных термоэлектрических термо-
метров, термопреобразователи которых вмонтированы по осевой
.линии градуировочной плиты. Температура поверхности плиты
поддерживается высокоточным регулятором температуры ВРТ-3.
Время установления заданной температуры плиты 1,5 ч, градиент
температуры в горизонтальной плоскости плиты градуировочного
устройства не превышает 20 и 60 К/м, при температурах поверх-
ности плиты 100 и 500 °C соответственно. Методы и средства по-
верки изложены в МИ 108—76.
При проведении поверки должны выполняться такие операции,
как внешний осмотр, определение градуировочной характеристи-
ки, определение поправок на показания, учитывающие теплооб-
мен термопреобразователя с поверхностью объекта измерения и
окружающей средой.
Градуировка чувствительного элемента термопреобразователя
ПТ проводится в соответствии с ГОСТ 8.338—78, ГОСТ 8.461—82
в последовательности, описанной в разд. 8.5 и 8.6, в зависимости
от типа применяемого чувствительного элемента.
Поправки на показания ПТ, учитывающие теплообмен с по-
верхностью объекта измерения и с окружающей средой, опреде-
ляют в следующем порядке. На поверхности плиты устанавлива-
ют ПТ, подключают их к измерительной установке и выдержи-
вают на поверхности плит 10 мин. Определяют tT чувствительного
элемента и температурное поле плиты. При этом, если темпе-
ратура градуировки не более 100 °C, измеряют избыточную тем-
пературу в двух точках плиты (верхней и нижней), если темпера-
тура превышает 100 °C, то температуру плиты определяют в че-
тырех точках. Затем определяют температуру свободных концов
контрольных термоэлектрических термопреобразователей /хс..
'Неискаженную температуру поверхности определяют по формуле
/п-»п-Нхс,	(8.10)
490
где йп— избыточная относительно температуры окружающей
среды температура поверхности
»п=-Т;	(8J1>
/1
А — характеристика неискаженного температурного поля плиты,
указанная в ее паспорте; б4— температура в нижней части плиты,
избыточная относительно температуры окружающей среды. По-
правка на теплообмен термопреобразователя с поверхностью объ-
екта и окружающей средой при /тах градуировки
Л/г =. /п — t,.	(8.12}
Далее определяют искажение температурного поля Д/г, вызван-
ное установкой термометра на объект, при /тах гдадуировки; со-
ставляющую поправки, обусловленную наличием теплового кон-
такта между чувствительным элементом и контролируемой по-
верхностью при /шах градуировки. ВЫЧИСЛЯЮТ поправки Д/1 и Д/г,
соответствующие промежуточным температурам заданного диапа-
зона градуировки, которые определяют путем линейной интерпо-
ляции. По формуле Д/ = Д/1 + Д/2 определяют значение суммарной
поправки, соответствующей промежуточным температурам диапа-
зона градуировки. ПТ должны удовлетворять требованиям соот-
ветствующей нормативной документации.
§ 8.8. Поверка электроизмерительных приборов, входящих
в комплект термометров
Измерительные приборы, применяемые в термоэлектрических
термометрах и термометрах сопротивления, подробно описаны в
гл. 4 и 5. Поверка этих приборов, шкалы которых градуированы в
единицах температуры, имеет существенное значение для точно-
сти измерения и регулирования температуры в технологических
процессах, и осуществляется только для находящихся в эксплуа-
тации.
Поверка пирометрического милливольтметра. Методы и сред-
ства поверки пирометрических милливольтметров определены
ГОСТ 8.012—72. Поверка проводится при нормальных условиях.
Применяемые при поверке образцовые средства должны быть-
выбраны так, чтобы точность их была в пять раз больше точно-
сти поверяемого прибора, а класс точности образцового прибора
определяется по формуле
(8 13}
5 Aq
где Ко, Кп — числовые значения классов точности образцового и
поверяемого приборов; Дп и До— верхние пределы шкалы пове-
ряемого и образцового приборов.
В процессе поверки выполняют следующие операции: внеш-
ний осмотр, определение основной погрешности, вариации пока-
заний, проверку невозвращения указателя на нулевую отметку,
191
Для самопишущих пирометрических милливольтметров обязатель-
на поверка качества записи и скорости перемещения диаграммы,
для регулирующих пирометрических милливольтметров — опреде-
ление погрешности срабатывания контактов. Основную погреш-
ность Де и вариацию показаний Де„ определяют методом непо-
средственного сличения с образцовым милливольтметром или по
.компенсационной схеме с помощью потенциометра постоянного
д
т
\_)т х КобразцоВому милли
X	Вольтметру или па
тенциометру поста-
т	ян наго тока
Рис. 8.12. Схема поверки пирометрического мил-
ливольтметра
-тока. Схема поверки приведена на рис. 8.12. Основную погреш-
ность и вариацию показаний милливольтметров всех классов точ-
ности определяют при подводе указателя к каждой поверяемой
отметке шкалы со стороны меньших и больших значений. По-
грешность записи определяют при минимальной и максимальной
скорости движения диаграммы. Погрешность Дв1, Де2 и вариацию
Де„ вычисляют по формулам:
Де^вгр— ei> Ae3 = *?гр — *?2;	(8.14)
Де„ = |Дех — Де2|,	(8.15)
где е1л ег — показания образцового прибора при движении стрел-
ки со стороны меньших и больших значений, мВ; егр — значение
напряжения, соответствующее поверяемой отметке шкалы, мВ.
Допускаемые для данного класса точности поверяемого прибора
значения основной погрешности и вариации вычисляют по форму-
лам:
ДеД0п = Део	(8.16)
д0" доп 100	'
где ДеЛОп и Де„поп—допускаемое значение основной погрешности
и вариации показаний, мВ; ек— конечное значение шкалы пове-
ряемого милливольтметра, мВ; К-—класс точности поверяемого
милливольтметра.
В результате поверки необходимо определить соответствие по-
грешностей Дв1, Де2, Де,., определенных на каждой поверяемой от-
4 92
метке шкалы, допускаемым значением. Для образцовых милли-
вольтметров классов точности 0,2 и 0,5 поправки вычисляют в
единицах температуры. Термометрические милливольтметры, со-
ответствующие требованиям стандарта, подлежат клеймению.
Поверка логометров. Методы и средства поверки магнитоэлек-
трических логометров, используемых в термометрах сопротивле-
ния, устанавливает ГОСТ 8.209—76. При поверке выполняют еле-
d’
г
Рис. 8.13. Схема поверки логометра
дующие операции: внешний осмотр; проверку отклонения указа-
теля логометра за начальную отметку шкалы или наличия сиг-
нала при отключении питания логометра; определение погрешности
указателя логометра на контрольную отметку, основной по-
грешности и вариации показаний; определение основной погреш-
ности записи, несовпадения крайних линий сетки диаграммной
бумаги с крайними отметками шкалы прибора и отклонения ско-
рости движения диаграммной бумаги—для самопишущих лого-
метров; определение погрешности срабатывания и зоны нечувст-
вительности— для регулирующих приборов.
При проведении поверки следует применять образцовые или
рабочие магазины сопротивления или образцовые мосты постоян-
ного тока, поверочные установки типа УПИП-60М или УВПТ-2АМ.
13-1973	193
Основную погрешность и вариацию показаний определяют на
всех числовых отметках шкалы поверяемого прибора 1 по одной
из схем, приведенных на рис. 8.13, а — г, при помощи образцово-
го магазина сопротивления 2 и образцового моста постоянного
тока 3. Магазином сопротивления стрелка прибора устанавлива-
ется на поверяемую отметку со стороны больших и меньших значе-
ний сопротивления — Ri и Rz. Основную погрешность прибора (в
Ом) определяют как наибольшую из двух разностей
Д^Ягр-Ях;	(8.17)
Д2 = Дгр-Д2,	(8.18)
где Rrp — значения сопротивления, соответствующие поверяемой
отметке шкалы. Вариация показаний
=	—(8.19)
Приведенные основную погрешность и вариацию показаний (в
%) определяют по формулам;
где 7?гр — значения сопротивления, соответствующие конечной и
начальной отметкам шкалы поверяемого логометра. Влияние на-
клона поверяемого логометра определяют на трех отметках шка-
лы (в начале, середине, конце) при наклоне прибора в четырех
перпендикулярных направлениях. Допускаемые значения погреш-
ностей логометров указаны в ГОСТ 9736—80.
При поверке самопишущих логометров определяют несовпа-
дение крайних линий сетки диаграммной бумаги с крайними от-
метками шкалы прибора через 5—10 мин после включения дви-
гателя. Несовпадение не должно превышать ширины крайних
отметок шкалы. Основную погрешность записи самопишущих лого-
метров определяют на любых трех числовых отметках диаграм-
мной бумаги. Качество записи должно соответствовать требова-
ниям ГОСТ 9999—79. Отклонение скорости движения диаграм-
мной бумаги от заданной определяют на одной из числовых отме-
ток шкалы секундомером; оно не должно превышать ± 1 %
заданного значения.
При определении погрешности срабатывания регулирующего
устройства измерения проводят на любых двух отметках шкалы
поверяемого логометра в пределах действия регулятора согласно
ГОСТ 9736—80. Зоны нечувствительности для регулирующих уст-
ройств определяют по ГОСТ 8.209—76. Влияние изменения на-
пряжения питания логометра определяют на трех числовых отмет-
ках шкалы.
194
Поверка автоматических потенциометров и автоматических
уравновешенных мостов. Методы и средства поверки автоматиче-
ских потенциометров и автоматических уравновешенных мостов
(показывающих и самопишущих) устанавливает ГОСТ 8.280—78.
При поверке выполняют следующие операции: внешний осмотр,
измерение рабочего тока у потенциометров; установление харак-
тера успокоения указателя прибора; определение времени про-
хождения указателем всей шкалы; основной погрешности и вари-
ации показаний; погрешности записи; проверка качества записи;
нахождение отклонения скорости движения диаграммных лент и
скорости вращения диаграммных дисков; проверка соответствия
метрологических характеристик выходных устройств (регулиру-
ющего устройства, его задатчика и др.) установленным требова-
ниям.
При поверке следует применять образцовые приборы и обо-
рудование, перечисленное в ГОСТ 8.280-—78 и входящее в уста-
новку УВПТ-2АМ, обеспечивающую поверку автоматических мо-
стов и потенциометров и их узлов.
Поверку потенциометров проводят по схеме, приведенной на
рис. 8.14. Поверяемый прибор ПП подключается к схеме магази-
на напряжения МН, в которую входит источник регулируемого
постоянного напряжения и образцовый потенциометр ОП; 7? —
сопротивление внешней цепи потенциометра, шкала которого гра-
дуирована в °C. Мосты поверяют по схеме, показанной на рис. 8.15.
Поверяемый мост ПП через сопротивление /?Л' и /?л. подключает-
ся по трехпроводной схеме к магазину сопротивления МС, на ко-
тором устанавливаются сопротивления, соответствующие поверя-
емым отметкам.
Если прибор после внешнего осмотра соответствует установ-
ленным требованиям, его размещают в специальной стойке и под-
соединяют к измерительной схеме. Соответствие основной погреш-
ности определяют не менее, чем на пяти отметках шкалы, интервал
между которыми не должен превышать 30 % длины шкалы, с обяза-
тельным введением начальной и конечной отметок шкалы. Вари-
ацию показаний определяют не менее, чем на трех отметках, рав-
номерно распределенных по шкале, причем две из них должны
находиться вблизи начала и конца шкалы.
13й
195
ГЛАВА 9
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ,
ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ВНУТРИ ТЕЛА
§ 9.1.	Измерение температуры газов
При измерении температуры газов особое внимание следует об-
ращать на необходимость принятия мер по уменьшению погреш-
ности измерений, обусловленной теплообменом термопреобразова-
теля излучением и теплопроводностью — теплоотводом по термо-
преобразователю.
Рис. 9.1. Термопреобразователи типа ТСМ-6114 для измерения
температуры воздуха
Как правило, термопреобразователи для измерения темпера-
туры воздуха в производственных помещениях или наружного воз-
духа снабжаются экранами для уменьшения лучистой составляю-
щей теплообмена. Примером таких термопреобразователей мо-
гут служить термопреобразователи типа ТСМ-6114 (рис. 9.1),
чувствительный элемент 2 которых снабжен защитной арматурой
1 и экраном 3 с установленными в нем зазорами для улучшения
конвективного теплообмена с окружающей средой.
При измерении температуры в газоходах, воздухоходах и им
подобных устройствах при использовании контактных термопре-
196
образователей необходимо принимать меры как по экранирова-
нию чувствительного элемента, так и по уменьшению погрешности,
обусловленной теплоотводом по термопреобразователю. Наи-
более эффективное средство уменьшения погрешности, обуслов-
ленной теплоотводом, — увеличение глубины погружения термо-
преобразователя и тепловая изоляция участка воздуховода, где
термопреобразователь закреплен (рис. 9.2). Однако, если в тру-
бопроводах с большими диаметрами сложно обеспечить требуе-
мую глубину погружения серийных термопреобразователей, и они
располагаются в нем радиально (рис. 9.2,6), то в трубопроводах
с малыми диаметрами (50—100 мм и менее) необходимо прини-
мать специальные меры. В частности, целесообразна наклонная
установка термопреобразователя (рис. 9.2,а) или установка тер-
мопреобразователя на изгибе воздуховода (рис. 9.2, в).
Рис. 9.2. Схема установки
термопреобразователя на-
клонно к осн трубы и ра-
диально
При выборе способа установки следует помнить, что коэффи-
циент теплообмена больше при поперечном омывании термопре-
образователя (рис. 9.2,6), чем при наклонном (рис. 9.2, а) или
продольном (рис. 9.2, s). В гл. 7 было показано, что увеличение
конвективного коэффициента теплообмена термопреобразователя
со средой, температура которой измеряется, уменьшает погреш-
ность излучения и теплоотвода.
Если скорость воздушного потока и коэффициент конвектив-
ного теплообмена малы, то при помощи рассмотренных выше пас-
197
сивных способов не всегда можно обеспечить требуемую точность
измерений. В таких случаях принимают меры для повышения ко-
эффициента теплообмена до того значения, при котором методи-
ческой погрешностью, обусловленной лучистым теплообменом и
теплоотводом по термопреобразователю, можно пренебречь бла-
годаря искусственному увеличению скорости газа, омывающего
термопреобразователь.
На рис. 9.3 приведена конструкция термопреобразователя с
отсосом, обеспечивающая повышение скорости газового потока
при омывании чувствительного элемента. Термоэлектрический пре-
образователь 1 вставлен в трубу 4, покрытую
тепловой изоляцией. Труба, в свою очередь, по-
мещена в чехол 3. Газ отсасывается через тру-
бу 2 с помощью эжектора или другим путем.
Газ протекает с большой скоростью (80—
120 м. с-1) через трубу 4, что увеличивает коэф-
фициент конвективного теплообмена от газа к
термопреобразователю. Изоляция трубы необ-
ходима для повышения ее температуры, чтобы
тепловые потери, обусловленные лучеиспуска-
нием к стенкам труб были минимальными.
Необходимо отметить, что применение термо-
преобразователей с отсосом требует мощных
отсасывающих устройств. Кроме того, присутст-
вие в газах инородных включений (пыли, золы,
песка) сильно затрудняет отсос при длительной
Рис. 9.3. Схема устройства термоэлектрического преобра-
зователя с отсосом
работе, вызывая загрязнение отсосных каналов. Поэтому термо-
преобразователи с отсосом применяют главным образом для про-
ведения испытаний парогенераторов при измерении температуры
газа в газоходе перед паронагревателем.
§ 9.2.	Измерение температуры жидкостей
При измерении температуры жидкостей присутствуют те же
источники погрешности, что и при измерении температуры газов.
Вследствие того, что коэффициенты конвективного теплообмена
жидкости и термопреобразователя больше, чем у газа и термопре-
образователя, то погрешность, обусловленная лучистым теплооб-
меном, при измерении температуры жидкости, как правило, мень-
ше. По этой же причине уменьшается значение погрешности, обу-
словленной теплоотводом.
Однако на практике существует ряд особых случаев измере-
ния температуры жидкости. Так, в промышленности для различ-
ных технологических процессов применяют трубопроводы малых
диаметров — в несколько десятков миллиметров и даже менее —
198
несколько миллиметров. В этих случаях наклонная установкатеп-
лопреобразователей или установка на изгибе трубопровода ока-
зывается невозможной, поскольку диаметр серийно выпускаемых
термопреобразователей составляет несколько миллиметров и мо-
Рис. 9.4. Схема установки термопреобразователя в трубопроводе
с расширителем
жет превышать диаметр трубопровода. Поэтому для установки
термопреобразователей применяются специальные расширители.
На рис. 9.4 приведена схема установки термопреобразователя 2
в трубопроводе с расширителем 1.
Рис. 9.5. Схема установки термопреобразователей на трубопроводах
малых диаметров с использованием расширительного стакана
Если невозможно установить термопреобразователь с расши-
рителем на изгибе трубопровода (например, когда изгиб не до-
пускается конструкцией аппарата) применяют специальные ста-
199
каны с наклонной установкой термопреобразователя (рис. 9.5).
Термопреобразователь 1 помещают в стакане 2, закрепленном на
трубопроводе малого диаметра.
Во многих отраслях промышленности применяют технические
ртутные термометры для измерения температуры и электрокон-
тактные термометры для целей сигнализации температуры.
Рис 9.6. Схема установки стеклянных жидкостных термометров на трубопрово-
дах малых диаметров с использованием оправки и защитного стакана
Эти термометры не допускают повышенных давлений, которые,
как правило, имеют место в трубопроводах с жидкостями. Поэто-
му во избежание поломок термометров их помещают в защитные
металлические оправки 1 и стаканы 3 различных конструкций
(рис. 9.6). Стаканы изолируют термометр 2 от непосредственного
контакта со средой 5, температура которой измеряется, и, следо-
вательно, от воздействия повышенного давления. В случае необ-
ходимости, трубопровод 7 малого диаметра может быть снабжен
расширителем 6. Для повышения точности измерения в оправку
заливают жидкий теплоноситель, например, масло 4, если изме-
ряемая температура не превышает 200 °C и гильза расположена
вертикально.
200
§ 9.3.	Измерение температуры поверхности твердых тел
Температуру поверхности твердых тел измеряют поверхност-
ными термопреобразователями самых различных конструкций,
описанных в гл. 3 и 4. На тепловых электростанциях температуру
отдельных узлов агрегатов (например, металла барабана, выход-
ных коллекторов пароперегревателей и отдельных точек паропро-
водов и парогенераторов) измеряют только поверхностными тер-
моэлектрическими термопреобразователями.
Как указывалось в гл. 7, при измерении температуры поверх-
ности больших значений может достигать погрешность, обуслов-
ленная искажением температурного поля объекта измерений, на-
пример, вследствие теплоотвода или нарушения условий тепло-
обмена объекта измерений. Точность измерения температуры
зависит от конструкции термопреобразователя, способа его уста-
новки, условий теплообмена, качества теплового контакта термо-
преобразователя с объектом измерения и других факторов.
На рис. 9.7, а — в показаны различные способы установки тер-
моэлектрических преобразователей на поверхности твердого тела..
Наиболее неблагоприятный вариант установки
ского преобразователя показан на
моэлектроды 1 термопреобразо-
вателя отводят тепло как от рабо-
чего конца 2, так и от той части
поверхности
температура
быть измерена,
максимальной
мерения, поэтому такой способ
установки термопреобразователя
не может быть рекомендован.
При проведении научных иссле-
дований этот способ установки применяют в отдельных случаях,
но при этом термоэлектроды снабжают дополнительным нагрева-
термоэлектриче-
этом
рис. 9.7, а. В
случае тер-
Рис. 9.7. Схемы установки термо-
электрических преобразователей на
поверхности твердого тела
твердого тела' 3,
которой должна
Это приводит к
погрешности из-
телем для компенсации теплоотвода по термоэлектродам.
Погрешность теплоотвода может быть значительно уменьшена
при применении так называемых «пятачковых» термопреобразо-
вателей. Рабочий конец пятачкового термопреобразователя при-
паян или приварен к диску или пластине 4 (рис. 9.7,6) из мате-
риала с высокой теплопроводностью (меди, алюминия и т. п.).
Если термоэлектроды пятачкового термопреобразователя установ-
лены перпендикулярно к поверхности объекта измерений, как и
в случае 9.7, а, то теплоотвод будет таким же. Количество тепла,
отдаваемое каждой отдельной точкой соприкосновения «пятачка»
и объекта измерений уменьшается вследствие увеличения площа-
ди соприкосновения. Благодаря этому искажение температуры на
участке соприкосновения рабочего конца термопреобразователя
с поверхностью объекта измерения значительно меньше у пятач-
кового термопреобразователя, чем у преобразователя, показанно-
го 1
го на рис. 9.7, а. Однако методическую погрешность измерений
температуры с помощью пятачкового термопреобразователя уст-
ранить нельзя.
Наилучшие результаты можно получить при установке термо-
преобразователя по схеме, показанной на рис. 9.7, в. Термоэлект-
роды преобразователя выкладывают на поверхности на длину не
менее 50—100 их диаметров. В этом случае теплоотвод от объек-
та измерения и искажение его температуры также имеют место,
но здесь тепло поступает в термоэлектроды по всей их длине со-
прикосновения с поверхностью, максимальное искажение темпе-
ратуры объекта происходит не в точке А установки рабочего кон-
ца, а в точке В, в которой термоэлектроды отходят от поверхно-
сти объекта измерения.
Рис. 9.8. Установка термоэлектрического преобра-
зователя типа ТХКП-XVIII на поверхности тру-
бопровода или стенке
Сделанные выше выводы хорошо подтверждаются эксперимен-
тальными данными, полученными при измерении температуры на
горизонтальной поверхности брусков из пробки, дерева и меди,
обогревавшихся с нижней стороны.
Температура указанных объектов измерялась с помощью тер-
моэлектрических преобразователей, выполненных и установлен-
ТАБЛИЦА 9.1
Схема термоэлектрических пре- образователей	Значения температуры поверх- ности бруска, изготовленного из		
	пробки	дерева	меди
Рис 9 7, а	23,0	25,6	31,9
Рис 9.7, б	32,4	34,3	34,5
Рис 9.7, в	35,4	35,4	35,4
202
них так, как показано на рис. 9.8. При проведении опытов тем-
пература окружающего воздуха равнялась 15 °C. Результаты из-
мерений приведены в табл. 9.1.
Как видно из приведенных результатов, методическая погреш-
ность, обусловленная теплоотводом, отсутствует, что подтверж-
дается идентичностью результатов измерений (см. рис. 9.7, в).
В некоторых случаях термоэлектрический преобразователь по-
мещают в канавке, закрытой пластинкой из того же материала,
что и поверхность объекта измерений (трубы, стенки и т. д.). При
этом рабочий конец термопреобразователя, расположенный в ка-
навке, для более надежного теплового контакта целесообразно
припаять к стенке поверхности. Для электрической изоляции тер-
моэлектродов, прокладываемых на поверхности или в канавке,
применяют различные изоляционные материалы (пластины из слю-
ды, трубки из фторопласта и других материалов). Таким обра-
зом обеспечивается минимальное искажение температурного поля
на поверхности объекта измерений, чему способствует неизмен-
ность коэффициента черноты. Допускается также канавку заде-
лывать специальной замазкой.
Большое влияние на погрешность измерения температуры кон-
тактными термопреобразователями оказывает контактное тепло-
ТАБЛИЦА 9.2
Тип термопреобразователя	Диаметр термоэлект- родов, мм	Способ крепления на объекте	Скорость обдува, м*с—I	Относи- тельная погреш- ность из- мерения, %, от пе- регрева
Медь-константан	0,1	Пайка	0	8
			2	8
			5	8
То же	0,1	Клей БФ-2	0	9
			2	14
			5	16
Манганин-константан	0,1	Пайка	0	3
			2	3
			5	3
То же	0,1	Клей БФ-2	0	5
			2	12
			5	14
Хромель-копель	0,1	Пайка	0	4
			2	4
			5	4
То же	0,1	Клей БФ-2	0	7
			2	18
			5	21
203
вое сопротивление между термопреобразователями и поверхно?
стью объекта измерения. Для уменьшения погрешности этот кон[
такт должен быть наилучшим.
В табл. 9.2 приведены результаты экспериментального опре-
деления погрешности измерения температуры корпусов микросхем
с термоэлектрическими преобразователями при различных спосо-
бах крепления (клей и пайка), т. е. различном тепловом контак-
те. Как следует из таблицы, наилучший результат обеспечивает
крепление термопреобразователей с помощью пайки.
Погрешность теплоотвода существенно зависит от теплопро-
водности материалов термоэлектродов. С целью ее уменьшения
следует применять термоэлектрические преобразователи из мате-
риалов хромель, копель, алюмель, манганин, константан, тепло-
проводность которых значительно меньше, чем, например, у меди.
Рассмотренные способы измерения температуры поверхности
применяют преимущественно при научных исследованиях. В про-
мышленности для технических
измерений применяют выпускае-
мые серийно термоэлектрические
преобразователи специальных
конструкций. В качестве примера
на рис. 9.8 показана установка
термопреобразователя 1 типа
ТХКП-XVIII для измерения тем-
пературы поверхности на трубо-
проводе 5 (или металлической
стенке) с помощью прижимов 2.
Этим термоэлектрическим преоб-
разователем можно измерять
температуру металлической по-
верхности до 400 °C. Наличие
тепловой изоляции (1, 4) при та-
ком способе установки обеспечи-
вает достаточно хорошее совпадение температуры рабочего конца
термопреобразователя 3 и поверхности.
На рис. 9.9 показана установка термопреобразователя 1 типа
ТХА-1479 для измерения температуры поверхности трубопрово-
да 4. В данном преобразователе рабочий конец защитной армату-
ры 2 помещен в никелевую контактную пластину 6. Защитный че-
хол в нижней части снабжен муфтой с наружной резьбой, кото-
рая служит для крепления термопреобразователя в наваренной на
трубопроводе бобышке 3 с внутренней резьбой. При креплении
термопреобразователя в бобышке контактная пластина 6 плотно
прижимается к дополнительной никелевой прокладке 5, нижняя
поверхность которой обработана по радиусу трубопровода. Этот
способ крепления обеспечивает хороший тепловой контакт тер-
мопреобразователя с поверхностью трубы. Наличие тепловой изо-
ляции (7, <S) значительно уменьшает погрешность измерения за
счет теплоотвода.
Рис. 5.9. Установка термоэлектри-
ческого преобразователя типа
ТХКП-1479 на поверхности трубо-
провода или стенке
204
§ 9.4.	Измерение температуры внутри твердого тела
При измерении температуры внутри твердого тела исключает-
ся погрешность, обусловленная лучистым теплообменом. Однако
возможны значительные методические погрешности, обусловлен-
ные теплоотводом по термопреобразователю, особенно тогда, ког-
да теплопроводность объекта измерений невелика (например, де-
рево, пробка, сыпучие материалы — зерно, уголь и др.).
Если объем объекта измерений велик, например, при измере-
нии температуры в штабелях твердого топлива, почве и т. п., то
достаточная глубина погружения термопреобразователя вполне
устраняет погрешность теплоотвода. При измерении температуры
внутри малогабаритных объектов применяют специальные термо-
преобразователи в виде термощупов, игл и т. д., погружаемых в
объект.
При необходимости измерить температуру внутри тела в ка-
кой-то определенной точке лучше всего применять термоэлектри-
Рис. 9.10. Схема измерения температуры внутри
изоляции, защищающей паропровод от тепловых
потерь
ческие преобразователи. Если же необходимо измерить среднюю
температуру внутри тела, то целесообразно использовать термо-
преобразователи сопротивления с распределенным чувствитель-
ным элементом. Термопреобразователь следует располагать так,
чтобы он не вызывал искажений температурного поля объекта
измерений, т. е. в направлении изотермических поверхностей.
На рис. 9.10 приведена схема сечения трубопровода с жидко-
стью, покрытого слоем тепловой изоляции. Концентрическими ок-
ружностями показаны изотермические поверхности в изоляции.
Если термопреобразователь установлен радиально (рис. 9.10,а),
т. е. по направлению максимального температурного перепада, то
в месте измерения температурное поле будет значительно иска-
жаться (иллюстрируется изгибом изотерм), что приведет к зна-
чительной методической погрешности измерения температуры.
Для уменьшения погрешности измерения преобразователь следу-
ет устанавливать вдоль изотермических поверхностей (рис. 9.10, б).
205
ГЛАВА 10
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 10.1.	Тепловое излучение. Основные понятия
В предыдущих главах рассматривались различные методы и сред-
ства измерения температуры, которые требовали (и это непремен-
ное требование) наличия теплового контакта с той средой или
телом, температура которых измеряется. Но наряду с ними для
измерения температуры можно использовать тепловое излучение,
так как известно, что различные свойства (параметры) теплового
излучения нагретых тел зависят от их температуры. При этом, ес-
тественно, нет необходимости в непосредственном контакте сред-
ства измерения и объекта измерения. Таким образом, методы,
основанные на различных принципах преобразования теплового из-
лучения объекта измерения в непосредственно измеряемую физи-
ческую величину, называют бесконтактными или пирометрически-
ми методами измерения температуры, а средства измерения, реа-
лизующие эти методы, — пирометрами.
Раздел температурных измерений, который изучает методы и
средства измерения температуры бесконтактным способом, назы-
вают пирометрией.
Тепловое излучение — излучение, возникающее в результате
теплового возбуждения частиц вещества (атомов, молекул). Энер-
гия такого излучения определяется только температурой и опти-
ческими свойствами излучающего тела. Тепловое излучение носит
электромагнитный характер, т. е. представляет собой совокуп-
ность электромагнитных волн или фотонов. Оно, как и всякое из-
лучение, описывается энергетическими и спектральными (частот-
ными) характеристиками.
Область частот, в которой имеет место излучение, иными сло-
вами, спектр излучения может быть сплошным, линейчатым и по-
лосовым. Спектр газов носит линейчатый или полосовой характер.
Для твердых и жидких тел характерно наличие сплошного спект-
ра излучения. В дальнейшем мы будем иметь в виду сплошной
спектр.
В спектре электромагнитных излучений выделяют несколько
областей, в том числе: оптическую, гамма-излучений, радиочастот
(см. рис. 10.1). В пирометрии в основном используется оптическая
область спектра и менее область радиочастот.
Оптическая область, в свою очередь, подразделяется на обла-
сти ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.
Диапазон ультрафиолетового излучения распространяется от 50 А
до 0,40 мкм. Видимая область спектра, т. е. область, в которой
чувствительность человеческого глаза отлична от нуля, весьма
узка — от 0,40 до 0,76 мкм. Инфракрасная область спектра рас-
206
Зространяется от 0,76 до 1000 мкм. Отметим, что указанные гра-
ицы областей спектра условны и в различных книгах, учебниках
справочниках можно встретить иные значения, например, верх-
няя граница ИК-спектра иногда приводится равной 340 мкм. При-
веденные здесь значения даны по Международному светотехниче-
скому словарю. Для описания спектральных характеристик излу-
чения можно пользоваться как шкалой длин волн, так и шкалой
частот или волновых чисел.
Между длиной волны % и частотой v существует известное со-
отношение: X=c/v, где с — скорость света в вакууме.
В пирометрии преимущественно используется шкала длин волн.
Рис. 10.1. Спектр электромагнитного излучения
Введем еще два понятия, которыми будем пользоваться в даль-
нейшем: монохроматическое и интегральное излучение.
Монохроматическим называют излучение, соответствующее до-
статочно узкому интервалу частот (длин волн), который может
быть охарактеризован одним значением частоты (длины волны).
Интегральное излучение — это излучение, соответствующее всему
спектру частот (длин волн) в пределах от нуля до бесконечности.
С энергетической точки зрения излучение могут характери-
зовать следующие величины: поток излучения, сила излучения,
энергетическая светимость, энергетическая яркость.
Поток излучения Ф (мощность излучения) равен энергии W,
излучаемой поверхностью в полусферу в единицу времени: Ф =
= dWfdt. Измеряется поток излучения в ваттах.
Сила излучения I — это пространственная плотность излуче-
ния, равная энергии, излучаемой телом в данном направлении за
единицу времени внутри единичного телесного угла Q: / = сГф/с1П.
Измеряется в ваттах на стерадиан.
Энергетическая светимость М равна потоку излучения, отне-
сенному к единице излучающей поверхности A: M = d&/dA. Изме-
ряется в ваттах на квадратный метр.
Энергетическая яркость L равна энергии излучения, испуска-
емого в единицу времени в единичный телесный угол в данном на-
го/
правлении площадкой, проекция которой на плоскость, перпенди-
кулярную к данному направлению, равна единице площади:
L __ <РФ di
dddA cos W dA cos 0 ’
где 0 — угол между нормалью к поверхности и данным направле-
нием. Измеряется в ваттах на квадратный метр на стерадиан. Раз-
личают интегральную и спектральную энергетическую яркость.
Всякое тело, температура которого отлична от абсолютного ну-
ля, излучает, и энергия этого излучения зависит от температуры
тела и его оптических свойств. Широкое различие этих свойств
приводит к тому, что излучение различных тел даже при одина-
ковой температуре будет весьма различно. Сравнивать излучение
этих тел удобно, вводя понятие коэффициента излучения, т. е. ко-
эффициента, который характеризовал бы излучение интересую-
щего нас тела по отношению к какому-либо принятому за образ-
цовое (опорное). В этом случае коэффициент будет отражать
различие в оптических свойствах тел.
В качестве образцового принимают так называемое «черное
тело» или «абсолютно черное тело», излучение которого зависит
только от его температуры. Такие тела в природе не встречаются,
приближением к ним являются различные виды сажи и металли-
ческой черни. Еще лучшим приближением в широком диапазоне
температур являются равномерно нагретые полости различной
конфигурации, которые и используют на практике в качестве мо-
делей черного тела.
«Черное тело» поглощает все падающее на него излучение (от-
сюда и его название) независимо от длины волны этого излуче-
ния, направления падения и его поляризации. Следовательно, из-
лучение любого тела может оцениваться через коэффициент из-
лучения как доля черного излучения. Различают спектральный и
интегральный коэффициенты излучения, которые обычно обозна-
чают соответственно через и е2, e\ = LJLoi и е2 = Е2/Е°2, где /А
и — спектральные энергетические яркости черного и реального
тел при одинаковой температуре и длине волны; Л°2 и £2 — инте-
гральные энергетические яркости тех же тел.
При рассмотрении излучения тела в каком-либо направлении
вводят понятие направленного коэффициента излучения. Чаще
всего в практике используют нормальный и полусферические ко-
эффициенты излучения еп и ед для излучения в направлении нор-
мали к излучающей поверхности и для излучения в полусферу.
Естественно, что направленный, нормальный и полусферический
коэффициенты излучения могут быть в свою очередь как спект-
ральными, так и интегральными.
После того, как введены понятия коэффициентов излучения,
можно определить селективный и неселективный излучатели как
излучатели, спектральный коэффициент излучения которых соот-
* Вместо L могут быть подставлены другие энергетические величины, на-
пример М.
^08
^етственно зависит и не зависит от длины волны в рассматривае-
мой области спектра.
1 Очень часто используется понятие «серое тело». Это неселек-
тивный излучатель с коэффициентом излучения, меньшим едини-
цы. Характер спектрального распределения излучения таких тел
подобен черному. Обычно реальные тела имеют «серый» характер
излучения в каком-либо ограниченном участке спектра. В этом
случае говорят, что тело серое в данном участке спектра. С доста-
точным приближением серым излучением обладают некоторые
диэлектрики в ИК-области спектра или окисленные и шерохова-
Рис. 10 2. Характерные зависимости спектральных ко-
эффициентов излучения металла и диэлектрика от дли-
ны волны:
/ — окисленная поверхность металла; 2—полированная по
верхность
тые металлические поверхности. На рис. 10.2 приведены харак-
терные зависимости e^=f(X) спектральных коэффициентов неко-
торых материалов — инконеля (а) и пеношамота (б) от длины
волны.
§ 10.2. Законы излучения
Несмотря на бесконечное многообразие индивидуальных
свойств тел (материал, форма, состояние поверхности и т. п.) из-
лучение их подчиняется некоторым общим законам.
14—1973
209
Рассмотрим какое-либо тело, находящееся в лучистом тепло1-
обмене с другими телами (тела не имеют непосредственного кон-
такта и теплообмен через кондукцию и конвекцию исключен). Ре-
альные нечерные тела в этом случае не только излучают, но и от-
ражают, поглощают и в общем случае пропускают часть падающе-
го на них потока излучения. Таким образом, весь падающий на
тело поток излучения можно представить в общем виде как cyty-
му отраженного (ФР), поглощенного (Фа) и пропущенного (Фт)
телом потока падающего излучения (Ф), т. е. Ф = Фр + Фа + Фх
или 1 = Фр/Ф + Фа/Ф + Фт/Ф, 1 = е+|а+т, где Q, а, т — коэффициен-
ты отражения, поглощения и пропускания. Для непрозрачных тел
т=0, следовательно, 1 = р + а. Отсюда для черного тела, учитывая,
что р = 0, а= 1.
Рассмотрим лучистый теплообмен между черным телом и ка-
ким-либо реальным нечерным телом с коэффициентом поглоще-
ния а(а=#1) и коэффициентом отражения q (q=#0). Представим
себе эти тела в виде двух бесконечных пластин, расстояние меж-
ду которыми мало по сравнению с их линейными размерами. Тела
находятся в состоянии термодинамического равновесия, т. е. каж-
дое из них излучает такое же количество энергии, какое оно по-
глощает от падающего на него излучения. Уравнение теплового
баланса для черного тела можно записать через энергетическую
светимость следующим образом: M°(T) =М(Т) +qM°(T) или
M(T) = (l—Q)M°(T)=aM°(T), отсюда М(Т)/а=М°(Т).
Это математическое выражение закона Кирхгофа, устанавли-
вающего, что количество энергии, излучаемой телом при темпера-
туре Т, численно равно количеству энергии, которое оно поглоти-
ло бы при облучении его черным телом, находящимся при той же
температуре. Закон справедлив как для спектральных, так и для
интегральных энергетических величин.
Его можно выразить и по-другому е = «, если учесть, что
М(Т)/М°(Т) =е, т. е. коэффициент излучения тела равен его ко-
эффициенту поглощения. При этом справедливо как е^=а^, так
es = a2 и для направленных, и для полусферических коэффициен-
тов.
Отметим, что эти равенства имеют место для непрозрачного
селективного тела в условиях черного облучения. В случае произ-
вольного характера падающего на тело излучения, эти равенства
справедливы с ограничениями в отношении пространственных и
спектральных характеристик падающего излучения. Так, равенст-
во полусферических спектральных коэффициентов излучения и по-
глощения справедливо лишь в том случае, когда спектральная
энергетическая яркость падающего излучения одинакова повеем
направлениям: равенство направленных интегральных коэффици-
ентов— при спектральном распределении падающего излучения,
пропорциональном спектральному распределению черного излу-
чения при температуре тела (серое излучение), а равенство полу-
сферических спектральных коэффициентов — при обоих этих ус-
ловиях. Лишь равенство направленных спектральных коэффици-
210
ентов излучения и поглощения справедливо без ограничений для
характера падающего излучения
Если рассматривать не селективное, а серое тело, то равен-
ство направленных спектральных и интегральных коэффициентов
будет всегда иметь место, а для серого и диффузного тела ра-
венство всех коэффициентов, спектральных и интегральных, на-
правленных и полусферических, имеет место независимо от свойств
падающего излучения.
Рис 10 3 Представление функции Планка в трех-
мерном пространстве
Таким образом, закон Кирхгофа устанавливает связь между
способностью тела излучать энергию и его способностью погло-
щать ее. Из этого закона следует, что тело может излучать толь-
ко в тех областях спектра, в которых оно обладает коэффициен-
том поглощения, отличным от нуля. Причем, чем выше поглоща-
тельная способность тела, тем лучшим излучателем оно является.
Поскольку тепловое излучение тел кроме температуры зави-
сит от их свойств, то разнообразие этих свойств не дает возмож-
ности описать излучение тел единой для всех аналитической функ-
цией. Однако для одного из тел, излучение которого не зависит
от его свойств, такое описание возможно Речь идет об абсолют-
но черном теле, излучение которого описывается законом План-
ка. Этот закон характеризует спектральное распределение плот-
ности энергетической яркости черного тела. Для вывода его
Максу Планку (1900 г.) пришлось ввести гипотезу о квантовом
характере процесса поглощения и излучения, что положило нача-
14*
211
ло квантовой теории, которая с успехом используется в современ/-
ной физике.
Математическое выражение закона Планка может быть запи-
сано следующим образом: ZA = сД“5 [exp (с2/КТ) — I]-1, где L°K —
спектральная плотность энергетической яркости черного тела;Х—
длина волны; Т — абсолютная температура; и с2 — константы
излучения, выражающие через фундаментальные физические кон-
станты: С1 = 2лНс2 = 3,7413-10-16 Вт-м~2 = 3,7413-104 Вт-см-2-мкм4;
c2=hclk= 1,4388-IO-2 м-К = 1,4388-104 мкм-К; с = 2,9976-108 м-с"1 —
скорость света в вакууме; k= 1,3805-10~23 Дж-К — постоянная
Больцмана; /г = 6,624-10-24 Дж-с — постоянная Планка.
Формула Планка впервые дала хорошее согласие с экспери-
ментальными результатами в широком диапазоне длин волн и
температур.
Формула Планка с математической точки зрения является
уравнением некоторой поверхности, представленной на рис. 10.3.
Пространственная интерпретация уравнения L% = /(X7') позволяет
наглядно представить себе связь между различными параметрами
этой функции, например, зависимость L°% от длины волны при
постоянной температуре (изотерма) или зависимость L\ от тем-
пературы при постоянной длине волны (изохромата) и т. п.
На рис. 10.4 приведены изотермы излучения черного тела.
Рис. 10.4. Изотермы излучения абсолютно черного тела
До Планка было сделано несколько попыток описать распре-
деление энергии в спектре абсолютно черного тела. Наиболее
удачной была попытка Вильгельма Вина (1896 г.). Его формула
£Л, = сД-5ехр (—Сг/ХТ), выведенная чисто термодинамическим пу-
тем, в предположении, что излучение зависит от скорости атомов
и молекул, распределение скоростей которых подчиняется закону
Максвелла, хорошо совпадает (в пределах 1 %) с формулой План-
ка для области Х7'<3000 мкм-К> т. е. в видимой области спектра
даже при высоких температурах. Эта формула, обычно называе-
212
мая приближением Вина, очень широко используется в пиромет-
рии.
Другой формулой, описывающей спектральное распределение
черного тела, является формула Рэлея — Джинса
2с^-4Т.
с2
Она хорошо согласуется с зависимостью Планка в длинноволно-
вой области спектра, точнее в области больших значений КТ. Их
расхождение не превышает 1 % для области ХТ>7,8 -105 мкм-К-
Следовательно, формула Рэлея — Джинса также только прибли-
жение. Она широко применяется в радиопирометрии.
Рассмотренные выше зависимости характеризуют спектраль-
ную плотность излучения черного тела. Очевидно, что интегрируя
такую зависимость по спектру, мы сможем определить мощность
излучения для любой температуры. Используя как подын-
тегральную функцию формулу Планка, получим зависи-
мость, известную под названием закона Стефана — Больц-
мана. L°s = J сД-5[ехр (Сг/ХТ) — 1]_МХ=о7’4, где <т=5,6693Х
о
ХЮ-8 Вт-м~2-К~4— постоянная Стефана-Больцмана. Этот закон
показывает, что мощность излучения черного тела увеличивается
с ростом его температуры пропорционально ее четвертой степени.
Еще одно следствие закона Планка — закон смещения Вина,
устанавливающий зависимость смещения максимума спектраль-
ного распределения излучения черного тела от его температуры.
Вывести его можно, дифференцируя формулу Планка по длине
ВОЛНЫ. При ЭТОМ ПОЛУЧИМ Хтах7' = 2896 мкм-К.
Закон смещения характеризует изменение спектрального сос-
тава излучения черного тела с изменением его температуры, что
проявляется как изменение цвета свечения при изменении темпе-
ратуры.
Все рассмотренные законы излучения связывают мощность из-
лучения черного тела или его спектральную плотность излучения
с температурой и широко используются в пирометрии для измере-
ния температур.
Пространственное распределение излучения черного тела не
связано с его температурой, однако знание его может оказаться
в дальнейшем полезным. Пространственное излучение имеет оди-
наковый характер как для интегрального, так и для монохромати-
ческого излучения. Это распределение описывается законом Лам-
берта, устанавливающим изменение силы излучения черного тела
с углом излучения <р: 7(<р) =7(0) cos <р или L(<p)=const, где ср —
угол между нормалью к излучающей поверхности и направлени-
ем излучения.
Из закона Ламберта следует, что сила излучения черного те-
ла изменяется пропорционально косинусу угла излучения, а сле-
довательно, яркость его остается постоянной, независимо от на-
правления излучения.
213
§ 10.3. Условные температуры
Одна из характерных особенностей пирометрии, как области
температурных измерений, — наличие в ней условных температур
или, как их еще называют, псевдотемператур или кажущихся
температур. Появление их связано с тем, что нельзя описать из-
лучение всех тел единой аналитической функцией, из-за много-
численного разнообразия их свойств, от которых наряду с темпе-
ратурой зависит излучение тел. Например, излучение чистой ме-
таллической поверхности резко отличается от излучения окислен-
ной поверхности (см. рис. 10.2) или излучение шероховатой
поверхности от полированной.Больше того, изменение состава (при-
садок) меняет излучательную способность металлической поверх-
ности. В такой ситуации градуировка пирометра была бы пригод-
на только для какого-либо конкретного тела да еще и для опре-
деленного состояния его поверхности. Это завело бы пирометрию
в тупик. Существует иной путь. Можно условно задать для всех
тел функцию, связывающую их излучение с температурой, но это
влечет за собой и условную температуру. Эта величина собствен-
но нисколько температурой не является и само слово «темпера-
тура» в этом сочетании лишь дань нашей цели. Однако для такой
температуры можно установить совершенно определенную связь
с действительной температурой тел, что позволяет при необходи-
мости вводить поправку.
В качестве функции, описывающей связь излучения тел с их
температурой, принята функция Планка. Как показывает опыт, у
реальных тел, как и у черного тела, с ростом температуры уве-
личивается их энергетическая яркость и изменяется спектральное
распределение их излучения. Таким образом, условная темпера-
тура— это величина, которая заменяет температуру в форму-
ле Планка (следствиях и приближениях ее) в случае применения
этой формулы к излучению реальных нечерных тел. Очевидно, что
условные температуры связаны с параметрами излучения, зави-
сящими от температуры. Таких параметров два: энергетическая
яркость и спектральное распределение энергетической яркости.
Соответственно следует различать два вида условных температур:
энергетическую температуру и температуру спектрального распре-
деления (спектральную).
Наиболее употребительны в настоящее время две разновидно-
сти энергетической температуры: радиационная и яркостная.
Радиационная температура — условная температура реально-
го нечерного тела, численно равная такой температуре черного
тела, при которой их интегральные энергетические яркости равны.
В том случае, если мы хотим использовать для измерения тем-
пературы тела его интегральную энергетическую яркость (мощ-
ность излучения), то мы условно полагаем, что связь их описы-
вается той же функцией, как и у черного тела, т. е. формулой
Стефана — Больцмана, в которой температура Т должна бытьза-
214
мелена условной радиационной температурой Тр, т. е. Ls = oT\).
С другой стороны, интегральную энергетическую яркость тела
можно выразить через интегральный коэффициент излучения Ls =
= ezL°z = eso7'4.
Тогда можно записать следующее равенство o7'4p = ei:n7'4, из ко-
торого вытекает связь между действительной и радиационной
температурами 7'p = 7'yes. Отсюда следует, что Тр всегда меньше
Т, так как для нечерных тел ez<l.
В табл. 10.1 приведены значения Т — Тт, в зависимости от зна-
чений ба и ТР, а в табл. 10.2 — еа некоторых материалов.
ТАБЛИЦА 10.1
Гр, к	Значения Т, К, Тр прие^, равном				
	0,2	0,5	0.7	0,9	0.95
1000	494	189	93	26	12
1400	692	264	130	37	17
1800	890	340	167	48	22
2200	1088	415	204	58	27
ТАБЛИЦА 10 2
Материал	Температура, °C	es
Вольфрам Сталь шлифованная	600—2200 950—1100	0,1 -0,3 0,55—0,61
Чугун (жидкий — твердый) Шамот Уголь	1300 1000 1000-1200 100-600	0,28—0,55 0,75-0,59 0,8 —0,79
Яркостная температура — условная температура нечерного те-
ла, численно равная такой температуре черного тела, при кото-
рой их спектральные энергетические яркости равны. Уста-
новим связь между температурой тела Т и его яркост-
ной температурой Тя, применяя прежний прием. Тогда можно
записать сД~5[ехр (cz/XTa) — 1]-1 = елС1Х“5[ехр (с2ДТ) — I]-1. Отсю-
да Tn^cijK In {1 +[ехр (сг/ХТ) — 1]/еД. На практике часто пользу-
ются более простой зависимостью Ta = f (Т, X, е>.), которая получа-
ется при замене формулы Планка приближением Вина. Для ви-
димой области спектра такая замена возможна вплоть до 3000 К
и приводит к следующему выражению: 7'?г1 = Т-1 — 1п щ/сг-
Из приведенной формулы следует, что разность Т — Та зави-
сит от е% и от X, причем эта разность уменьшается с ростом е>. и
уменьшением X.
В табл. 10.3 приведены значения Т — Тя для различных значе-
ний е>. при Х=0,65 мкм.
215
Сравнение данных, приведенных в табл. 10.1 и 10.3, показыва-
ет, что поправка к яркостной температуре существенно меньше,
чем к радиационной. Однако следует помнить, что по радиацион-
ной температуре можно измерять значительно более низкие тем-
пературы вследствие использования всего спектра излучения.
ТАБЛИЦА 10.3
Значения Г — 7'я, К, прн еХ, равном				
тя. к	0,2	0.5	0,7	0,9
1000	80	33	17	5
1400	163	63	33	10
1800	279	НО	55	16
2200	433	167	83	24
Остановимся еще на одном моменте. Иногда полагают, что
применение для измерения более коротких X само по себе влечет
уменьшение поправки Т — Тя, забывая, что при этом изменяется
и ел- Однако, если с уменьшением % уменьшается и ел, а это ха-
рактерно, например, для металлов в УФ-области спектра или ди-
электриков в ИК-области, то эффект от уменьшения ел может
быть значительнее, чем от уменьшения X. При этом поправка при
уменьшении X будет расти. Ниже приведены значения ел некото-
рых материалов при Х=0,65 мкм:
Вольфрам	0,45 — 0,42
Сталь углеродистая 0,44 (твердая);	0,37	(жидкая)
Чугун	0,37 (твердый);	0,40	(жидкий)
Шамот	0,7—0,8
Уголь	0,9—0.8
Зависимость цвета нагретого тела (цвета каления) от темпе-
ратуры была подмечена очень давно, предлагались даже раз-
личные шкалы температур по цветам каления. В основе зависи-
мости цвета каления от температуры лежит изменение спектраль-
ного состава излучения (спектрального распределения) от изме-
нения температуры тела. При использовании этого свойства
излучения и возникает вид условной температуры, который мы на-
зываем «цветовая температура». Этим термином называют неко-
торую условную температуру реального нечерного тела, численно
равную температуре черного тела, при которой отношения энерге-
тических яркостей в двух спектральных участках обоих тел равны.
Связь действительной температуры тела Т и его цветовой темпе-
ратуры Тц определяется из равенства
216
Используя приближение Вина, получим
т _j = Т_А __ 1п (%/%)
ц	с2(1/Ц - 1/л2)’
Анализ этого выражения приводит к выводу, что в отличие от
Тр и Тя ТД=Т при 8х. =8х5 , т. е. для серого тела, Тя также может
быть больше или меньше Т в зависимости от характера функции
ex=/(М- При убывающей с изменением длины волны функции
8л.=/(А,) (de^/dZ<0), что характерно для металлов в видимой и
ИК-области, 7'ц>7'; при возрастающей (deJdk>0), что характер-
но для диэлектриков в этой области 7'ц<7'.
Цветовую температуру можно выразить через две яркостные
температуры, измеренные в тех же длинах волн.
Из равенства	/L°} 2 (Тц) = L°Ki (Тя J/Ь\г (Тя J следует
т 1/Ах — 1Д2
ц i/ЦА,
Современные визуальные пирометры (ПОВ-80, ЛМП-066) по-
зволяют измерять яркостные температуры как в красной, так и в
зеленой длине волны, следовательно, используя эти измерения, мо-
жно рассчитать и цветовую температуру тела, которая во многих
случаях может оказаться ближе к действительной чем яркостная
вследствие небольшого различия между 8 , и е ,.
Развитие в последние годы теории условных температур пока-
зало, что понятия цветовой температуры уже недостаточно, так
как возможен ряд методов измерения температуры, использую-
щих различные параметры, характеризующие спектральное рас-
пределение энергии излучения. Отметим, что для измерения тем-
пературы можно, например, использовать двойное спектральное
отношение, т. е. (А /Ьл,2 )/(А3	). При этом возникает еще од-
на разновидность условной температуры, относящаяся, как и цве-
товая, к виду температуры спектрального распределения (спект-
ральной температуры); обозначим ее символом Тс-
Ее связь с действительной температурой определяется из ра-
венства
L\(Tc)/L\(Tc) _ 4L\(T)/^LX(T)
L\t (Tc)/L\t (Тс) 4L\	(T)’
Отсюда, с учетом приближения Вина
Т -1 _	»»(%/%) -!"(%/%)
с	с2[(1/Ц-1А2)-(1 Д3-1/Ц)] ’
Здесь возможно, что Х2 = Хз, тогда
т _!	_ 1п (£х,чУЁ\)
с2 О ''^i — 2/Х2 -}- 1 Д3)
217
Соответственно Тс может быть выражена через яркостные темпе-
ратуры, измеренные в тех же длинах волн
1/^-2/^+ 1А3
1 V,,, - - 2/Х2ГЯ1 + 1	’
Особенность этой условной температуры в том, что она равна
действительной температуре не только для серых, т. е. неселек-
тивных излучателей, но и для некоторых селективных излучате-
лей в зависимости от соотношения трех выбранных длин волн.
Например, для е%=а№ при соотношении А.2=УАДз или для ел=
= ехр (а + ЬХт) при соотношении Хг= "у (кт1 + ‘ктз) /2.
Таким образом, сравнивая виды условных температур, можно
видеть, что энергетические условные температуры всегда меньше
действительной температуры, а спектральные могут быть как
меньше, так и больше или равны действительной температуре.
Причем отличие любой разновидности энергетической температу-
ры от действительной при выбранном участке спектра зависит от
абсолютного значения коэффициента излучения. Для спектраль-
ных температур значение коэффициентов излучения несущест-
венно, важен лишь характер функции ex=f(X).
Ниже приведены значения условных температур для вольф-
рама, действительная температура которого 1600 К:
Т, к
1600
д. К	1Я к
(0,65 мкм)
1093	1508
тц. К
(0 47—0,65
мкм)
1618
Гц, к	тс, к
(1,0—1,2 мкм)	(1,0—1, 1—1,2
мкм)
1740	1589
Из этих данных не следует делать вывод, что ТД и Тс всегда
предпочтительны. При некотором характере ex=f(X) может ока-
заться, что Т — ТС>Т — ТЦ>Т— Тя.
Для того, чтобы выбрать оптимальный, с точки зрения при-
ближения к Т, вид условной температуры, надо знать или изучить
характер излучения объекта измерения и конкретные условия из-
мерений, в первую очередь поглощение промежуточной среды.
Пропускание промежуточной среды оказывает на условную
температуру то же влияние, как и е; поставив в приведенные фор-
мулы т вместо е, можно без труда оценить это влияние.
ГЛАВА 11
ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 11.1.	Классификация пирометров излучения
Классифицировать пирометры, как и любые другие средства из-
мерения, можно по различным признакам. Основные признаки, от
которых зависят свойства и возможности пирометров — принцип
218
действия, используемая область спектра излучения, особенности
конструкции, а также технические и метрологические характери-
стики.
От температуры тела зависят различные параметры его тепло-
вого излучения, а именно, энергетическая яркость и спектральное
распределение энергетической яркости. Таким образом, по прин-
ципу действия, т. е. в зависимости от параметра излучения, ис-
пользуемого для измерения температуры, следует различать энер-
гетические и пирометры спектрального распределения.
К энергетическим относятся пирометры, принцип действия ко-
торых основан на использовании зависимости изменения энерге-
тической яркости излучающего тела от изменения его темпера-
туры.
К пирометрам спектрального распределения — пирометры,
принцип действия которых основан на использовании изменения
относительного спектрального распределения энергетической яр-
кости излучающего тела от изменения его температуры.
К энергетическим пирометрам относят пирометры полного и
частичного излучения и монохроматические.
Пирометры полного излучения (их часто называют также ра-
диационными)— это энергетические пирометры, воспринимающие
излучение без искажений, т. е. неселективно во всем спектре. При
этом зависимость воспринимаемой пирометром интегральной энер-
гетической яркости от температуры для случая визирования чер-
ного тела должна описываться законом Стефана — Больцмана.
На практике обычно на спектральную область воспринимаемого
излучения накладывает ограничение оптика пирометра. Поэтому
реальные пирометры полного излучения отвечают вышеприведен-
ному критерию лишь в узком температурном интервале (при вы-
соких температурах), вследствие чего, правильнее их отнести к
пирометрам частичного излучения с неселективным приемником
излучения. Однако не будем игнорировать сложившуюся практи-
ку и будем называть такие пирометры пирометрами полного из-
лучения.
Монохроматические пирометры — это пирометры, воспринима-
ющие излучение в столь узком спектральном интервале, что за-
висимость воспринимаемой энергетической яркости от температу-
ры в применении к черному телу может быть описана с достаточ-
ным приближением формулой Планка (Вина). Как правило, в
таких пирометрах для монохроматизации излучения воспринима-
емого приемником пирометра используются либо узкополосные ин-
терференционные фильтры, либо монохроматоры, либо стеклян-
ные отрезающие фильтры, которые в сочетании с кривой спект-
ральной чувствительностью приемника обеспечивают узкую поло-
су пропускания. К последним относятся визуальные пирометры с
исчезающей нитью.
Пирометры частичного излучения—-это пирометры, которые
воспринимают излучение объекта в достаточно широком, но ог-
раниченном интервале длин волн (часто при использовании селек-
219
тивного приемника без фильтра). При этом зависимость воспри-
нимаемой энергетической яркости от температуры в применении
к черному телу не может быть описана с необходимым прибли-
жением ни формулой Стефана — Больцмана, ни формулой План-
ка (Вина).
Среди пирометров спектрального распределения выделим пи-
рометры спектрального отношения или как их иногда называют —
цветовые или двухцветные пирометры. Однако с широким освое-
нием пирометрией ПК-диапазона нецелесообразно использовать
слово «цвет», поэтому правильнее наименование «пирометры спек-
трального отношения». Принцип действия таких пирометров ос-
нован на зависимости от температуры тела, отношения его энер-
гетических яркостей в двух спектральных интервалах.
К пирометрам спектрального распределения относятся и пи-
рометры двойного спектрального отношения, хотя имеются пока
только их опытные образцы для специальных целей. Иногда их
называют трехцветовыми пирометрами. Принцип действия их ос-
нован на зависимости от температуры тела, отношений его энер-
гетических яркостей в трех (четырех) спектральных интервалах.
Отличия энергетических пирометров от пирометров и спект-
рального распределения обусловлены существенными различия-
ми свойств измеряемых ими условных температур.
В зависимости от используемой области спектра пирометры
следует разделить на два типа: оптические и радиопирометры. Оп-
тические пирометры — это пирометры, работающие в оптическом
диапазоне спектра. В таких пирометрах для концентрации излу-
чения (и если необходимо для выделения рабочей спектральной
области) применяются элементы классической оптики — линзы,
зеркала, призмы, светофильтры и т. п.
Таким образом пирометры с исчезающей нитью, которые и се-
годня часто называют «оптическими пирометрами», являются со-
ставной частью пирометров этого типа. Радиопирометры — это
пирометры, работающие в радиодиапазоне и использующие для
концентрации излучения элементы радиотехники — антенны, вол-
новоды и т. п.
В зависимости от приемника излучения пирометры следует
разделять на визуальные, в которых излучение объекта воспри-
нимается глазом человека, и объективные. В объективных пиро-
метрах излучение объекта измерения воспринимается фотоэлект-
рическим или тепловым приемником излучения. В настоящее вре-
мя визуальные пирометры сохранились лишь как разновидность
монохроматических пирометров — пирометры с исчезающей нитью.
Широко распространены сейчас объективные пирометры, посколь-
ку они лишены субъективности восприятия, связанной с особен-
ностью зрения того или иного наблюдателя, узким интервалом
спектральной чувствительности и т. д. Естественно, глаз не по-
зволяет автоматизировать процесс измерения или использовать
визуальный пирометр как датчик системы автоматического регу-
лирования температуры.
220
В пирометрах полного излучения применяют тепловые прием-
ники (термобатареи, болометры, пироэлектрические приемники)
вследствие их неселектнвности. В пирометрах частичного излуче-
ния и монохроматических пирометрах используют, как правило,
фотоэлектрические приемники (Ge и Si — фотодиоды, фотоэлемен-
ты, фоторезисторы, фотоумножители). В пирометрах спектрально-
го отношения используют также фотоэлектрические приемники.
Пирометры, предназначенные для измерения температуры ма-
лых объектов (обычно менее 1 мм) называют микропирометрами.
Наибольшее распространение пока получили визуальные микро-
пирометры с исчезающей нитью, хотя существуют и объективные
микропирометры для измерения температуры микросхем и других
элементов электронной техники.
В некоторых случаях возникает необходимость измерять тем-
пературу ряда точек поверхности в определенной последователь-
ности. Пирометры, предназначенные для таких измерений, назы-
вают сканирующими. К их числу можно отнести и тепловизоры,
в том случае, если они обладают возможностью измерять темпе-
ратуру с нормируемой точностью.
В зависимости от характера температурного контроля, для ко-
торого предназначены пирометры, они разделяются на стационар-
ные и переносные (портативные). Стационарные пирометры пред-
назначены для непрерывного контроля температуры объекта и
могут осуществлять регулирование температуры этого объекта. Дат-
чики таких пирометров монтируют вблизи какого-либо определен-
ного объекта. Их конструкция, как правило, рассчитана на воз-
действие окружающих факторов и предусматривает наличие за-
щитной арматуры с водяным или воздушным охлаждением, отду-
вом сжатым воздухом и т. п. Переносные приборы предназначены
для периодического оперативного контроля температуры одного
или нескольких объектов. Такие приборы компактны, имеют не-
большую массу и автономное питание от встроенных батарей или
аккумуляторов. К переносным относятся отечественные визуаль-
ные пирометры с исчезающей нитью «Проминь», ОППИР-017, пи-
рометры частичного излучения «Смотрич-4П», «Смотрич-5П» и
пирометр спектрального отношения «Спектропир П».
За рубежом широко распространены объективные переносные-
пирометры частичного излучения с цифровым и аналоговым от-
счетом. Их выпускают фирмы AGA (Швеция), Raytek (США),
Williamson (США), Land (Англия) и т. д.
Пирометры, как и всякие измерительные приборы, могут стро-
иться по двум измерительным схемам: прямого преобразования и
компенсационной.
Пирометры прямого преобразования (рис. 11.1, я) не имеют в
своей измерительной схеме обратной связи по световому потоку.
Схема относительно проста, но предъявляет весьма жесткие тре-
бования к стабильности коэффициента передачи каждого звена и,
прежде всего, к стабильности приемника излучения, так как инет-
221
рументальная погрешность прибора определяется изменением ко-
эффициента передачи всей схемы, а он равен произведению коэф-
фициентов передачи всех звеньев. Пирометрами прямого преоб-
разования являются отечественные пирометры полного излучения
РАПИР и ППТ, пирометры частичного излучения ПЧД, пиромет-
ры спектрального отношения «Спектропир» и «Веселка».
Пирометры компенсационного типа (рис. 11.1, б) отличаются
тем, что их измерительная схема имеет обратную связь по свето-
вому потоку. Коэффициент передачи такой схемы Ко = К/( 1 +КР),
где К — общий коэффициент передачи звеньев Ki, Кг,..., Кт, не
охваченных обратной связью, р — коэффициент обратной связи.
... Кп
а
К°д^1+к/з
6
Рис. 11.1. Структурные схемы пирометра прямого
преобразования и пирометра компенсационного
типа
Известно, что стабильность коэффициента передачи схемы, ох-
ваченной отрицательной обратной связью, существенно выше (в
1 + /<Р раз), чем не охваченной ею. При KfOl, Ко — 1/(3. В этом
случае ККо/Ко =—(Др)/р, т. е. погрешность определяется в основ-
ном нестабильностью обратного преобразователя. В пирометрах
в качестве обратного преобразователя используют, как правило,
высокостабильные вольфрамовые лампочки, подвергая их предва-
рительной специальной обработке (отжигу, старению). Лампочки
работают в определенных режимах. К стабильности других эле-
ментов пирометра, в том числе и приемника излучения, жестких
требований в такой схеме не предъявляется.
К пирометрам компенсационного типа можно отнести визуаль-
ные пирометры с исчезающей нитью, фотоэлектрические пиромет-
ры ФЭП-4, ФЭП-8.
Пирометры компенсационного типа могут быть автоматиче-
скими и неавтоматическими в зависимости от того, замкнут или
разомкнут контур обратной связи. При замкнутом контуре сигнал
рассогласования (усиленный сигнал приемника излучения) уп-
равляет обратным преобразователем таким образом, чтобы си-
222
стема приводилась в состояние равновесия. Автоматическими пи-
рометрами являются пирометры ФЭП-4 и ФЭП-8.
Если контур обратной связи разомкнут для приведения систе-
мы в состояние равновесия, необходимо вручную, т. е. неавтома-
тически, менять коэффициент передачи цепи обратной связи. При-
мером неавтоматических пирометров могут служить визуальные
пирометры. Пирометры можно классифицировать и по техниче-
ским и метрологическим характеристикам: диапазону измерения,
точности, быстродействию, показателю визирования, наличию кор-
рекции на коэффициент излучения объекта. Отметим, что пока нет
четкой классификации с указанием граничных значений для всех
этих параметров. Лишь для пирометров некоторых видов по от-
дельным характеристикам такая классификация существует. На-
пример, визуальные пирометры, согласно ГОСТ 8335—81, делятся
по точности на пирометры класса I и II (согласно Рекомендации
МОЗМ № 18 они разделяются на приборы высокой точности и
обычной точности).
§ 11.2.	Пирометры полного излучения
Само название этих приборов говорит о том, что они измеряют
условную температуру реальных тел по их полному излучению
(излучению во всем спектре). Эти пирометры иногда называют
еще пирометрами суммарного излучения или чаще радиацион-
ными пирометрами, а температуру, измеряемую ими, радиацион-
ной. Еще раз напомним, что те радиационные пирометры, кото-
рые широко распространены на практике, не являются пиромет-
рами полного излучения в строгом смысле, так как из-за ряда ог-
раничений они используют не весь спектр. Эти приборы точнее
было бы назвать пирометрами частичного излучения с неселек-
тивными приемниками, тем не менее мы будем рассматривать
их в этом разделе.
Поскольку идеальный пирометр полного излучения должен
воспринимать неискаженно весь спектр излучения, приемник пи-
рометра также должен быть чувствителен к излучению во всем
спектре. Причем, чтобы показания прибора (для черного тела)
подчинялись закону Стефана — Больцмана, приемник должен об-
ладать неселективной спектральной чувствительностью. Для этой
цели используются тепловые приемники. Обычно приемную пло-
щадку приемника покрывают чернью, которая лучше всего отве-
чает требованию неселективного поглощения падающей энергии
излучения.
В качестве приемников излучения в таких приборах чаще все-
го используют термобатарею, представляющую собой последова-
тельно соединенные несколько термопар, рабочие спаи которых
нагреваются излучением объекта. При этом ТЭДС — это мера
энергии, нагревающей рабочий спай и, следовательно, пропорцио-
нальна энергетической (радиационной) температуре объекта.
Термобатареи обладают очень хорошей стабильностью и вос-
производимостью своих характеристик. В качестве измерительно-
223
го прибора при этом используются автоматические самопишущие
потенциометры или милливольтметры.
Значительно реже применяется болометр, сопротивление кото-
рого изменяется от нагрева его излучением объекта.
В ранних моделях пирометров полного излучения применяли
зачерненную биметаллическую спираль, деформация которой за-
висит от нагрева излучением объекта.
Рис. 11.2. Схемы пирометров
полного излучения с диафраг-
менной (а), линзовой (б) и зер-
кальной (в) оптикой
На рис. 11.2, а приведена схема идеального пирометра полно-
го излучения. Поток излучения объекта, попадающий на прием-
ную площадку приемника излучения, формируется диафрагмами.
Значение этого потока пропорционально энергетической яркости
объекта, площади приемной площадки и телесному углу, в кото-
ром воспринимается излучение. Как показывает расчет, энергии
недостаточно, чтобы уверенно фиксировать сигнал термоэлемен-
та, в частности, техническими приборами.
Применение оптической системы для того, чтобы сконцентри-
ровать больший поток на приемнике излучения, позволяет резко
увеличить чувствительность пирометров, уменьшить нижний пре-
дел измерения и использовать в качестве вторичных измеритель-
ных приборов достаточно грубые приборы, пригодные для эксплу-
1224
ачации в условиях производства. Для этой цели используют либо
линзовую (рефракторную) (рис. 11.2,6), либо зеркальную (реф-
лекторную) оптику (рис. 11.2, б).
В ранних моделях пирометров применяли подвижные оптиче-
ские системы, позволяющие фокусировать изображение источника
на поверхности приемника. Современные приборы — это приборы
с «постоянной наводкой». При короткофокусных объективах сме-
щение действительного изображения мало и им пренебрегают.
Недостаток рефракторной оптической системы заключается в
том, что она не отвечает требованию неселективности передачи
энергии во всем спектре. Например, у линз из стекла, граница про-
пускания ~2,5 мкм, из кварца ~4 мкм, из флюорита ~8—10 мкм.
Зеркальная оптика лучше отвечает этому требованию. Например,
золоченое зеркало имеет коэффициент отражения q2> равный 0,97
(в диапазоне измеряемых пирометром температур до 2000°C), у
посеребренного зеркала этот коэффициент еще выше, но зато зер-
кало быстро тускнеет и, следовательно, меняет свои свойства, что
недопустимо. Опасность представляет также нагрев стеклянного
зеркала, так как оно само начинает излучать весьма заметно, по-
этому предпочтительнее использовать металлические зеркала.
И еще один весьма существенный недостаток зеркальной опти-
ки— ее запыление во время работы, меняющее коэффициент от-
ражения. Причем снять пыль весьма затруднительно, так как зер-
кало в отличие от линзы размещается внутри телескопа, иногда
это вообще недопустимо. Всякая защита зеркального телескопа
уменьшает достоинства приборов с зеркальной оптикой. Ими из-
меряют только весьма низкие температуры. В промышленной
практике широкое распространение получили пирометры с линзо-
вой оптикой.
Существуют модели радиационных пирометров со светопрово-
дом, позволяющие измерять температуру объекта даже в тех слу-
чаях, когда доступ к нему весьма затруднен, закрыт для прямого
визирования или необходимый угол зрения не может быть обес-
печен (смотровые отверстия недопустимо малы), либо необходи-
мо исключить влияние поглощения промежуточной среды или вли-
яния посторонних источников.
Подавляющее большинство радиационных пирометров — это
приборы, построенные по схеме прямого преобразования. Однако
существуют и приборы компенсационного типа с обратным преоб-
разователем в виде микрохолодильника, работающего на эффекте
Пельтье.
Отечественной промышленностью выпускаются пирометры пол-
ного излучения двух типов: РАПИР с телескопом ТЕРА-50 иППТ,
причем последний является составной частью агрегатного комп-
лекса стационарных пирометрических преобразователей АПИР-С,
входящего в состав Государственной системы приборов (ГСП).
Пирометр РАПИР состоит из датчика (телескопа) и вторич-
ного электроизмерительного прибора, в качестве которого исполь-
зуются либо самопишущие автоматические потенциометры, либо
*/215-1973
225
Рис. 11.3. Конст-
рукция телескопа
ТЕРА-50
Рис. 11.4. Конструкция термо-
батареи
226
милливольтметры. Телескоп ТЕРА-50 (рис. 11.3) представляет
собой лиюй силуминовый корпус цилиндрической формы 1, в ко-
тором находятся однолинзовый объектив 2, вкладыш 8 с укреп-
ленной на ней термобатареей 6 и выходными клеммами 9 и вкла-
дыш 5 с перемещаемой калибровочной диафрагмой 3. Диафраг-
ма перемещается в продольном направлении трибкой 4. На конце
трпбки имеется ось со шлицом, что позволяет с помощью отверт-
ки перемещать диафрагму. Эта операция выполняется для под-
гонки напряжения при градуировке телескопа в соответствии со
стандартной градуировочной таблицей, т. е. позволяет компенси-
ровать некоторый разброс характеристик термобатарей. Оба вкла-
дыша крепятся винтами 7 к корпусу телескопа, в центре вклады-
шей имеется отверстие, позволяющее визировать объект с помо-
щью линзы окуляра 11, помещенной в крышке телескопа 10, кото-
рая также крепится винтами к корпусу.
Термобатарея (рис. 11.4) представляет собой десять последо-
вательно соединенных между собой в «звездочку» миниатюрных
хромель-копелевых термопар. Рабочие (горячие) спаи термопар
расположены в центре, а свободные (холодные) концы — по ок-
ружности. Здесь же располагается термокомпенсационное сопро-
тивление— медная катушка, шунтирующая термобатарею. ТЭДС
термопары — функция разности температур ее рабочего и свобод-
ного концов. Поэтому изменение температуры свободных концов,
связанное с изменением температуры корпуса и в конечном счете
с изменением температуры окружающей среды, может вносить
существенную погрешность в показание пирометра полного излу-
чения. Эту погрешность следует каждый раз учитывать, что слож-
но в производственных условиях, либо исключать. Для этого обыч-
но используют либо термочувствительное сопротивление, воздей-
ствующее на сигнал термобатареи, либо термочувствительную (би-
металлическую) заслонку, воздействующую на поток излучения
и тем самым на сигнал термобатареи. Эти меры не исключают
полностью погрешность вследствие изменения окружающей тем-
пературы, но значительно уменьшают, сводя ее примерно к 2 °C
при изменении окружающей температуры на 10°C от номинальной
(20°C). Пирометр РАПИР может работать в диапазоне окружа-
ющих температур от 10 до 100 °C. При более высоких окружаю-
щих температурах рекомендуется использовать защитную арма-
туру. Комплект защитной и вспомогательной арматуры для та-
ких пирометров включает кожух с водяным охлаждением; патруб-
ки водяного и воздушного охлаждения; защитную заслонку,
предохраняющую объектив от возможных выбросов пламени, дер-
жавку, шарнирное устройство и т. п. В пирометре РАПИР имеет-
ся также соединительная панель ПУЭС. Она обеспечивает воз-
можность подключения к телескопу до двух вторичных измери-
тельных приборов различного типа (рис. 11.5). Для этого она
снабжена уравнительными и эквивалентными сопротивлениями.
Уравнительные сопротивления сохраняют постоянство сопротив-
лений соединительных линий телескопа и вторичных приборов с
'/215*	227
панелью. Эквивалентные сопротивления являются эквивалентом
сопротивления милливольтметра и линии (205 Ом) и включаются
в отсутствии милливольтметра. При любом включении приборов
нагрузка телескопа должна быть равной 142,5 Ом.
И милливольтметры, и потенциометры, работающие в комплек-
те с телескопом ТЕРА-50, имеют корректоры показаний. Однако
к соответствующим зажимам
панели ПУЭС подключается
только корректор милливольт-
метра (только одного в любом
случае), представляющий со-
бой переменное сопротивление
49 Ом (30 Ом в нормальном
положении), которое может
изменять напряжение на за-
жимах милливольтметра, из-
меняя его показания с тем,
чтобы они соответствовали
истинной температуре объек-
та. В пирометрах этого типа
можно менять показания в
пределах 10—15 % по темпе-
ратуре.
Пирометр РАПИР может
комплектоваться различными
типами телескопов ТЕРА-50,
отличающимися оптической
системой и соответственно пре-
делами измерения. В табл. 11.1
приведены технические и мет-
рологические характеристики
различных телескопов ТЕРА-
50. В нашей стране выпуска-
ются также пирометры ППТ
нескольких модификаций, раз-
личающихся конструктивным
исполнением и типом оптиче-
ской системы: ППТ-121 (диа-
метр телескопа 25 мм), ППТ-
131 (диаметр телескопа 50 мм)
и ППТ-142 (диаметр телеско-
па 100 мм). При этом телеско-
пы ППТ-121 и ППТ-131 име-
ют линзовую оптику, а ППТ-
142 зеркальную. Телескоп пи-
Рис. 11.5. Схема соединения эле-
ментов комплекта пирометра пол-
лого излучения РАПИР:
а —с двумя милливольтметрами; б —
с двумя потенциометрами; в — с потен-
циометром и милливольтметром
22а
рометра представляет собой цилиндрический корпус, в котором
размещены оптическая система (линзовая или зеркальная) и при-
емник излучения (термобатарея из хромелевой и копелевой фоль-
ги толщиной 4 мкм).
ТАБЛИЦА И 1
Пределы измере- ния, °C	Тип градуи- ровки	Материал линзы объектива	Основная погреш- ность, °C	Показа- тель визи- рования	Быстро- дейст- вие, с
100-500	Р5	Флюорит (0,4—9 мкм)	± 8	—	4
400—1200 400--500 500-700 700—1100 1100—1200	РК-20 (Р1)	Кварц (0,4—4 мкм)	± 8 ±10 ±15 ±20	1/16	
700-1500 700—1150 1100-1500	РК-15 (Р2)	Кварц (0,4—4 мкм)	±*15 ±20	1/20	
900-2000 900—1100 1100—200	РС-20 (РЗ)	Стекло К-8 (0,4—2,5 мкм)	±15 ±20	1/20	
1200—2500 1200-2000 2000-2200 2200 -2500	РО25 (Р4)	Стекло К-8 (0,4—2,5 мкм)	±20 ±25 ±30	1/20	
На рис. 11.6 показана конструкция телескопа ППТ-142. На
кронштейне 5 установлены элементы оптической системы и при-
емник излучения 3. Зеркало 1 фокусирует излучение объекта на
задней стороне приемника, а объектив 4 концентрирует излучение
Рис. 11.6. Конструкция те-
лескопа пирометра полного
излучения ППТ-142
16-1973
229
на передней стороне приемника. Этот объектив совместно с оку-
ляром 6 образует визирное устройство телескопа, служащее для
наводки его на объект. Калибровочный конус 2 выполняет те же
функции, что и калибровочная диафрагма в линзовых телеско-
пах. Входное отверстие телескопа защищено лавсановой пленкой,
пропускающей ПК-излучение. Снаружи пленка закрыта жалюзи.
Телескопы ППТ работают в комплекте со вторичными измери-
тельными преобразователями типа ПВ-0, которые усиливают эле-
ктрический сигнал приемника и преобразуют его в сигнал
ГСП-0-100 мВ и один из следующих 0—5 мА, 0—10 В, 4—20 мА.
В зависимости от типа преобразователя ПВ-0 производится так-
Рис. 11.7. Телескоп пирометра полного излучения ППТ-131
же линеаризация сигнала, запоминание максимального значения
сигнала и индикация. В преобразователь ПВ-0 входит устройст-
во коррекции выходного сигнала в зависимости от коэффициента
излучения объекта измерения в диапазоне его значений 0,1—1,0.
Телескопы ППТ-131 (рис. 11.7) и ППТ-142 имеют встроенную
визирную систему; ППТ-121 наводится с помощью визирной труб-
ки, входящей в состав монтажного комплекта.
В табл. 11.2 приводятся основные технические характеристи-
ки пирометров ППТ. Пирометры ППТ'работают при температуре
окружающего воздуха от 5 до 100 °C и относительной влажности
от 30 до 80%. Инерционность не превышает 2 с. Для этих пиро-
метров выпускается также комплект защитной и монтажной ар-
матуры, обеспечивающей крепление и нормальные условия экс-
плуатации на объекте.
§ 11.3.	Пирометры частичного излучения
В пирометрической практике пирометрами частичного излуче-
ния обычно называют пирометры, работающие в достаточно ши-
рокой области спектра. В таких пирометрах используют, как пра-
вило, селективные приемники излучения без фильтра (фотодио-
ды, фоторезисторы) или термоприемники с селективным широко-
полосным светофильтром.
230
ТАБЛИЦА 11.2
Модификация	Пределы изме- рения, °C	Обозначение градуировки	Показатель визирования	Тип и материал оптической системы	Обозначение градуировки	Диапазон измерения, °C	Приведен- ная погреш- ность комп- лекта, %
ППТ-142	Первичные преобразователи				Вторичный преобразователь		9
	30—300	Р-З	1/5	Зеркальная 0,4—14 мкм	РЗ-1 РЗ-2 РЗ-З	30-100 50—200 100-300	
ППТ-131	100-400	РФ-4А	1/15	Линзовая (флюорит) 0,4—8 мкм	РФ4А-1	100—400	2,5
ППТ-131—01	300 -600	РФ-6А	1/25	То же	РФ6А-1	300-600	2,5
ППТ-121 ППТ-131—03	400-1500	РК-15А	1/25 1/50	Линзовая (кварц КП) 0,4—4 мкм	РК15А-2 РК15А-3	600—1200 700—1500	2
ППТ-121—01 ППТ-131—05	900 -2000	РК-20А	1/50 1/100	То же	РК20А-1 РК20А-2	900—1800 1000—2000	2
ППТ-121—02 ППТ-131—07	1400-2500	РС-25А	1/50 1/100	Линзовая (стекло К8) 0,4—2,5 мкм	РС25А-1,	1400-2500	2,0
В Советском Союзе выпускаются и применяются стационарные
пирометры частичного излучения типа ФЭП-4, ФЭП-8, а также
пирометры ПЧД (14 модификаций) и пирометры типа «Смот-
рин-1» и «Смотрич-2». Разработаны переносные пирометры «Смот-
рич-4П» и «Смотрич-5П». В промышленности находят примене-
ние пирометры частичного излучения, построенные по схеме пря-
мого преобразования, благодаря своей относительной простоте я
надежности, с одной стороны, и гибкости, с которой они позволя-
ют видоизменять их характеристики (прежде всего, рабочую спек-
тральную область) в соответствии с особенностями того или иного
объекта измерения, с другой.
Такими являются отечественные пирометры ПЧД, в которых
в качестве приемника излучения используются германиевые и
Рис. 11.8. Конструкция телескопа пирометра частичного излучения ПЧД-131
кремниевые фотодиоды. Пирометр ПЧД включает телескоп (пер-
вичный преобразователь), вторичный преобразователь ПВ-3 и,
при необходимости, показывающий или самопишущий прибор. Те-
лескопы ПЧД разработаны в трех модификациях ПЧД-111,
ПЧД-121 и ПЧД-131 и конструктивно решены так же, как пиро-
метры ППТ (единый нормальный ряд конструктивов).
На рис. 11.8 представлена конструкция телескопа ПЧД-131.
Телескоп содержит оптическую систему, смонтированную на труб-
чатом кронштейне 9, и приемное устройство — на кронштейне f.
Линзовый объектив 10 создает изображение объекта в плоскости
полевой диафрагмы 6. Конденсор 5 создает равномерный свето-
вой поток в плоскости приемника излучения 3, который вместе со
светофильтром 4 помещен в термостате 2. Для наведения на объ-
ект в телескопе имеется окуляр, через который с помощью линзы 7
и зеркала 8 рассматривается изображение объекта в плоскости
полевой диафрагмы.
Телескопы всех модификаций выполнены в цилиндрических
корпусах диаметрами: 13 мм (ПЧД-111), 25 мм (ПЧД-121) и
50 мм (ПЧД-131). При этом только телескоп ПЧД-131 имеет
встроенное визирное устройство, в телескопах остальных модифи-
каций для наведения на объект применяется вспомогательное ви-
зирное устройство (визирная трубка). В телескопах ПЧД-131 и
ПЧД-121 приемники излучения находятся в термостатах. Элект-
рический сигнал с выхода датчика (ток короткого замыкания фо-
232
ТАБЛИЦА 11.3
233
Модификация	Пределы изме- рения. “С	Обозначение градуировки	Показатель визирования	Приемник излуче- ния	Обозначение градуировки	Диапазон изме- рения, °C	Приведен- ная логреш* кость в комплекте. %
Первич ПЧД-121-03 ПЧД-131-03	ный преобразов 450—750	атель ДГ-7,5	1'25 1/50	Ge-фотодиод (0,8—1,8 мкм)	Вторичный пр ДГ-7,5-1	еобразователь 450—750	2,0
ПЧД-121-04 ПЧД-131-04	700—1100	дг-н	1/50 1/100		ДГ-11-1	700-1100	1,5
ПЧД-121-05 ПЧД-131-05	600—1300	ДГ-13	1/100 1/200		ДГ-13-1	600—1300	1,5
ПЧД-121-06 ПЧД-131-06	1100-1700	ДГ-17	1/200 1/300		ДГ-17-1	1103—1700	1,5
ПЧД-121 ПЧД-131	800—1300	ДК-13	1/50 1/100	Si-фотодиод (0,7—1,1 мкм)	дк-13-1	800—1300	2,0
ПЧД-121-01 ПЧД-131-01	1000-2000	ДК-20	1/100 1/200		ДК-20-1 ДК-20-2	1000-1600 1100 -2000	1,5
ПЧД-121-02 ПЧД-131-02	1500- 2500	ДК-25	1/200 1/300		ДК-25-1 ДК-25-2	1500-2000 2000-2500	1,5
тодиода) усиливается и преобразуется блоками вторичного пре-
образователя. Блок ПП (промежуточный преобразователь) уси-
ливает выходной сигнал датчика до напряжения 0—2 В постоян-
ного тока. На выходные клеммы блока ПП выведено также
напряжение 0—100 мВ. В блоке осуществляется коррекция на ко-
эффициент излучения объекта в диапазоне 0,1—1 регулировкой
коэффициента усиления.
Функциональный блок (БФ) осуществляет линеаризацию сиг-
нала с выхода ПП, блок запоминания — запоминание максималь-
ного значения температуры. Блок усиления (БУ) преобразует
сигнал 0—2 В в один из унифицированных выходных сигналов
ГСП 0—5 мА, 4—20 мА и 0—10 В в зависимости от модификации.
Блок индикации (БИ) содержит показывающий вольтметр или
миллиамперметр класса 1,0 для визуального контроля выходного
сигнала ПВ-3. Все блоки питаются от блока питания (БП), в ко-
тором размещен регулятор температуры термостата приемника.
В табл. 11.3 приведены основные технические характеристики
пирометров ПЧД.
Рис. 11.9. Схема стационарного пирометра «Смотрич»
Инерционность пирометров ПЧД (вместе с преобразователя-
ми ПВ-3) не превышает 0,1 с. Как видно из таблицы, комплекс
АПИР-С включает различные модификации, имеющие одни и те
же пределы измерения, но отличающиеся другими параметрами.
Это открывает широкие возможности выбора той модификации,
которая лучше отвечает конкретному объекту измерения. Приме-
нение стабильных приемников излучения таких, как термобата-
реи, фотодиоды позволяет строить пирометры по схеме прямого
преобразования, получая при этом достаточную для практики
234
точность (1—2%). Однако применение других менее стабильных
приемников таких, как фоторезисторы, фотоэлементы (их исполь-
зование вызывается спектральными требованиями) требует нали-
чия компенсационной схемы пирометра или схемы, позволяющей
периодически контролировать
и регулировать коэффициент
передачи фотоэлектрического
тракта пирометра. По такой
схеме построены отечествен-
ные пирометры «Смотрич-1» и
«Смотрич-2». Это пирометры
прямого преобразования, име-
ющие устройство для периоди-
ческой калибровки прибора. В
качестве приемника излучения
в пирометре «Смотрич-1» ис-
пользуется фоторезистор, а в
пирометре «Смотрич-2» —
пироэлектрический прием-
ник.
На рис. 11.9 представлена
структурная схема стационар-
ного пирометра «Смотрич».
Пирометр включает первичный
преобразователь ПЧР или
ПЧП, промежуточный преобра-
зователь типа ППЧ1 или
ППЧ2, измерительный преоб-
Л
Рис. 11.10. Переносной пирометр «Смот-
рич» П
разователь типа ПВ-1 и, при необходимости, самопишущий потен-
циометр.
Принцип действия пирометра заключается в следующем. Объ-
ектив 1 создает изображение объекта измерения в плоскости по-
левой диафрагмы 6, размерами которой определяется поле зрения
прибора. Коллективные линзы 7 создают изображение апертур-
ной диафрагмы 2 в плоскости диска модулятора 8, который вра-
щается синхронным синфазным двигателем ДС-12А. Линзы 9 со-
здают в плоскости приемника излучения 14 изображение пятна в
плоскости диска модулятора. Приемник излучения и светофильтр
10 находятся в термостате 12. Переменный сигнал с приемника
усиливается предусилителем 13 и подается на промежуточный
преобразователь ППЧ. В датчике имеется система синхрониза-
ции, состоящая из пары светодиод — фотодиод 15, которая обес-
печивает работу синхродетектора ППЧ.
Наведение на объект осуществляется визирной системой, со-
стоящей из окуляра 11, неподвижного зеркала 4, матового стекла
3 и подвижного зеркала 5, которое при визировании объекта с
помощью соленоида перемещается в положение, указанное на ри-
сунке. Для калибровки (период 8 ч) в пирометре «Смотрич-1» ис-
пользуется лампочка 16 типа ТРВП ТВ-3, а в пирометре «Смот-
235
ТАБЛИЦА Н.4
Тип и модификация	Пределы измерения, °C	Обозначение градуи- ровки	Показатель визирования	Приемник излучения	Основная по- грешность, %	Быстро действие, с
«Смотрпч»-] -01	103—203	1РЧ-2	1/50	Фоторезистор PbS (1,8—2,7 мкм)		1,0
-02	150—353	1РЧ-3.5	1/150		1	0,5
-03	3 00 -700	1РЧ-7	1/150		(1,5)*	0,1
-04	500 1403	1РЧ-14	1/300			0,1
«Смотрич»-2-01	30-150	ШЧ-1,5-14	1/25	Пироэлектрический приемник МГ-30 (8—14 мкм)	2 (.5)	2,5
-02	100-350	ШЧ-3,544	1/150		1 (1,5)	1,0
-03	30-150	ШЧ-1,5-8,5	1/25	То же	2 (2,5)	2,5
-04	100-350	ШЧ-3,5-8.5	1/25	(8—10 мкм)	2 (2,0)	2,5
-05	30—150	ШЧ-1,5-5	1/25		2 (2,5)	2,5
-06	100—350	1ПЧ J3,5-5	1/25	То же	1,5 (2,0)	1 ,о
-07	300-1100	1ПЧ-11-5	1/50	(4,5—5,5 мкм)	1 (1.5)	0,25
-08	1100-1400	ШЧ-14-5	1/100		1 (1,5)	0,1
-09	1400-2200	1ПЧ-22-5	1/100		1,5 (2,0)	0,1
Примечание. Значения, указанные в скобках — это погрешность комплекта пирометра с преобразователем ПВ-1.
рич-2» излучатель 17 типа «черное тело» при температуре (100±
±1)°С, которая поддерживается с помощью регулятора.
Промежуточный преобразователь ППЧ обеспечивает необхо-
димое усиление сигнала датчика и преобразование его в напря-
жение постоянного тока 0—1 В, а также питание всех элементов
датчика и коррекцию влияния коэффициента излучения объекта
в диапазоне 0,1 — I, с дискретностью 0,01. Сигнал постоянного то-
ка с выхода ППЧ подается на вход измерительного преобразова-
теля ПВ-1, осуществляющего запоминание максимального значе-
ния измеренной температуры (БЗ), линеаризацию сигнала (БФ),
преобразование сигнала 0—1 В в один из унифицированных сиг-
налов ГСП (БУ) 0—5 мА, 4—20 мА, 0—10 В и индикацию изме-
ряемых значений температуры (БИ), для чего используется про-
фильный вольтметр или миллиамперметр М.4243 класса 1,0.
При калибровке пирометра включается опорный источник из-
лучения; возникающий при этом сигнал сравнивается нуль-инди-
катором, расположенным в ППЧ, с сигналом опорного источника
напряжения. При отсутствии равенства коэффициент передачи
фотоэлектрического тракта изменяется переменным резистором^
выведенным на лицевую панель ППЧ.
В табл. 11.4 приведены основные технические характеристики
стационарных пирометров частичного излучения «Смотрич-1» и1
«Смотрич-2».
Пирометры «Смотрич-1» и «Смотрич-2» работают в диапазоне
окружающих температур 5—50 °C. Датчики пирометров снабжа-
ются охлаждающей рубашкой и устройством отдува.
Пирометры частичного излучения «Смотрич-4П» и «Смот-
рич-5П» (рис. 11.10)—переносные приборы с цифровым отсче-
том. Питание пирометра осуществляется от встроенных аккумуля-
торов типа Д-0,556 напряжением 5 В, что обеспечивает непрерыв-
ную работу в течение 4 ч. Пирометры позволяют компенсировать
влияние коэффициента излучения объекта в диапазоне от 0,1 до
1,0 с дискретностью 0,001. На цифровом табло (пять светодиод-
ных индикаторов) отображается: режим работы, измеряемая тем-
пература, коэффициент излучения, разряд аккумуляторов. Может
осуществляться запоминание текущего значения температуры.
Пирометры работают в диапазоне окружающих температур’
от 5 до 40°C и относительной влажности до 80 % (при 30°C).
Масса пирометра 1,5 кг.
Пирометр «Смотрич-4П» использует в качестве приемника из-
лучения термобатарею, «Смотрич-5П» — Ge- или Si-фотодиод.
В табл. 11.5 приведены их основные технические характери-
стики.
Пирометрами компенсационного типа, т. е. пирометрами, в ко-
торых сравнение потоков излучения от объекта измерения и опор-
ного излучателя осуществляется непрерывно, являются отечест-
венные пирометры ФЭП-8 и ФЭП-4. Принцип действия обоих пи-
рометров одинаков, поэтому здесь рассмотрим блок-схему одного
из них — ФЭП-8 (рис. 11.11). Объектив 1 фокусирует изображение
237
объекта в плоскости полевой диафрагмы 2, за которой располо-
жен приемник излучения 3 — фоторезистор PbS с Ge-светофильт-
ром. Через отверстие диафрагмы 10 на тот же приемник попадает
излучение от опорного излучателя 11, в качестве которого исполь-
ТАБЛИЦА 11.5
Тип пирометра и его модификация	Пределы из- мерения, °C	Показа- тель ВИ зирова- ния	Приемник излуче- ния н рабочий спектральный ин- тервал	Основ- ная погреш- ность, %	Быстро- дейст- вие, с
«Смотрич»-4П-01 -02 -03 -04 -05	0—100 15-45 30 200	1/15	Напыленная Bi — Те термобата- рея <9—9 мкм)	2,0 2,5 2,0	2,5
	200—900 200-900	1/25	Фольговая термо- батарея (4,5—5.5 мкм) (2—9 мкм)	1,5	2,5
«Смотрич»-5П-01 -02	800-1500	1/150	Ge-фотодчод (0,8—1,8 мкм)	1,0	1,0
	1000-1500	1/250	Si-фотодиод (0 7—1,1 мкм)	1,0	1,0
зуется лампа накаливания типа СМ-37. Оба потока излучения по-
падают па приемник попеременно, так как оба отверстия попере-
менно перекрываются заслонкой модулятора 12 вибрационного
типа (частота колебаний 50 Гц). Таким образом, фототок прием-
ника вызывается действием двух потоков излучения, при их не-
равенстве возникает переменная составляющая фототока. Ампли-
туда переменной составляющей пропорциональна разности пото-
ков, а фаза — знаку этой разности. Переменная составляющая фо-
Рис. 11.11. Блок-схема пирометра ФЭП-8
потока является сигналом рассогласования, который усиливается
усилителем переменного тока 4, выпрямляется фазочувствитель-
ным детектором 5, через интегратор 6 и усилитель постоянного
тока 7 управляет накалом лампы сравнения. Последовательно с
238
лампой включен калиброванный резистор напряжение на ко-
тором пропорционально току лампы. Это напряжение через вы-
ходной фильтр 8 измеряется автоматическим потенциометром 9 ти-
па КСП-4.
ТАБЛИЦА II 6
Тип пиро- метра	Пределы измс реиия, °C	Показатель визирования	Приемник излучения и рабочий спект- ральный интервал	Основ- ная погреш- ность. %	Быстро- дейст- вие, с
ФЭП-4	500 -900 600—1000 600-1100	1,22 1/36 1/50	Кислородно-цезие- вый фотоэлемент ЦВ-З 0,6—1,2 мкм	1	1
ФЭП-8	100-300 150—400 200—500 250—600	1/22 —1/70	РЬБ-^фсторезпстор 1,8—3,5 мкм	1,5	1
Пирометр ФЭП-8 снабжен системой так называемого «обрат-
ного луча» для наводки на объект измерения. Поскольку пиро-
метр измеряет температуру слабонагретых объектов, т. е. несве-
тящихся, то для определения места визирования используют встро-
енную лампочку (СЦ-76), тело накаливания которой проециру-
ется объективом на поверхность объекта измерения.
В таблице 11.6 приведены основные технические характеристи-
ки пирометров ФЭП.
§ 11.4.	Монохроматические пирометры
Пирометры полного и частичного излучения, которые мы рас-
сматривали выше, — это пирометры объективные. Первые в силу
принципа действия, вторые — потому, что используют в основном
ПК-область спектра. Монохроматические пирометры, которые
получили распространение в наше время, — это и объективные и
визуальные пирометры.
Визуальные пирометры известны очень давно. По-видимому,
первым, кто предложил принцип и устройство визуального пиро-
метра с исчезающей нитью был американец Е. Морзе, однако толь-
ко пирометр, предложенный Хольборном и Курльбаумом в 1901 г.,
был по-настоящему пригоден для измерения температуры. Совре-
менные визуальные пирометры сохраняют все основные элементы
этого пирометра. Глаз человека позволяет достаточно точно и на-
дежно измерить температуру нагретого тела по яркости его свече-
ния только при сравнении ее с яркостью какого-либо опорного из-
239
лучателя, поэтому все визуальные пирометры — пирометры ком-
пенсационного типа, где в качестве обратного преобразователя
используется лампа с вольфрамовой нитью.
Рис. 11.12. Оптическая схема монохроматического визуально-
го пирометра с исчезающей нитью
На рис. 11.12 приведена оптическая схема визуального моно-
хроматического пирометра с исчезающей нитью. Объектив 2 со-
здает изображение объекта измерения 1 в плоскости нити лампы;
накаливания 4. Наблюдатель рассматривает через окуляр 6 изо-
бражение нити лампочки на фоне изображения объекта через се-
лективный (красный) светофильтр 5. При этом, если яркость ни-
ти будет меньше, чем яркость раскаленного фона, то нить будет
представляться черной; наоборот, если фон имеет меньшую, чем»
Рис. 11.13. Относительная спектральная чувстви-
тельность глаза (V) и пропускание красного све-
тофильтра (т)
нить, яркость, то нить будет выглядеть как светлая линия на тем-
ном фоне. Процесс измерения заключается в том, что наблюда-
тель, меняя ток лампочки, добивается равенства яркостей. Равен-
ство яркостей нити и фона создает эффект исчезновения нити, кото-
рая перестает быть видимой. Измерив при этом ток накала лампоч-
ки, по ее градуировке определяют яркостную температуру объекта.
240
Для монохроматизации излучения в таких пирометрах применя-
ют в основном стеклянные светофильтры, обладающие высокой
временной стабильностью своих характеристик пропускания.
Стеклянных фильтров с узкой полосой пропускания нет, по-
этому выбирают стекла с резкой границей пропускания вблизи
края видимой области спектра таким образом, чтобы сочетание
пропускания фильтра и спектральной чувствительности глаза по-
зволяло выделять узкий участок спектра (см. рис. 11.13). Обычно
в пирометрах применяют красный фильтр, так как в красной об-
ласти глаз мало чувствителен к различию цветов, что весьма важ-
но для уравновешивания или, как говорят, фотометрпрования.
Спектральный участок, выделяемый таким фильтром, будет уже,
чем, скажем, для зеленого или синего фильтра. Наконец примене-
ние красного фильтра позволяет начать измерение с более низких
температур (600—900°C), так как у излучающего тела при низ-
ких температурах большая доля энергии приходится на длинно-
волновый участок спектра, где у красного фильтра значительно
большее пропускание. В отечественных пирометрах для таких
фильтров используют стекло КС-15.
Отечественные и зарубежные пирометры некоторых типов ис-
пользуют помимо красного еще и зеленый фильтр. Наличие двух
светофильтров позволяет, кроме измерения двух яркостных тем-'
ператур, определить цветовую температуру объекта измерения
(см. гл. 10). В некоторых современных визуальных пирометрах
стеклянные светофильтры заменены интерференционными. Пре-
делы измерения визуального пирометра с исчезающей нитью из-
меняют, вводя между объективом пирометра 2 и пирометрической
лампочкой 4 нейтральный светофильтр 3 (иногда это насадка на
объектив). При этом фотометрирование состоит в сравнении не-
ослабленной яркости нити с ослабленной в несколько десятков раз
яркостью объекта. Такой метод позволяет решить две задачи: во-
первых, при измерениях любой температуры объекта не превы-
шать яркостную температуру нити пирометрической лампочки,
равную 1400—1500 °C, выше которой стабильность лампочки рез-
ко снижается и, во-вторых, расширить пределы измерения пиро-
метра, экстраполируя его шкалу за верхний предел градуировки
образцовых излучателей, предназначенных для градуировки та-
ких приборов. Это так называемые расчетные шкалы. Применяе-
мые сегодня пирометры имеют верхний предел измерения от 4000
до 10000°С (см. табл. 11.7). Связь между яркостной температу-
рой объекта Тя, т. е. температурой, соответствующей действитель-
ной, неослабленной яркости объекта и редуцированной яркостной
температурой Тяо, т. е. температурой, соответствующей ослаблен-
ной поглотителем яркости объекта (эту температуру непосредст-
венно измеряют) определяется выражением: 1/Тя—1/7’Яо=А,1пт/сг,
где X — эффективная длина волны пирометра; т — коэффициент
пропускания нейтрального поглотителя.
Величину Х1пт/с2 называют обычно пирометрическим ослабле-
нием и обозначают символом А. Значение А поглощающего филь-
241
тра определяется измерением Тя- и Дю-образцового излучателя
(лампы) и расчетом по вышеприведенной формуле. Для нейтраль-
ных поглотителей, удовлетворяющих так называемому критерию
Фута (X In const), справедливо правило аддитивности, т. е. пи-
рометрическое ослабление составного поглотителя равно сумме
пирометрических ослаблений всех входящих в него поглотителей.
В отечественных пирометрах в качестве таких поглотителей при-
меняются стекла марок НС-13 и ПС-2. Электрические измерения
в визуальных пирометрах осуществляют различными способами.
Рис. 11.14. Электрическая схема ви-
зуального переносного пирометра
«Проминь»
Рис. 11.15. Визуальный переносной
пирометр «Проминь»
В лабораторных приборах измеряют ток пирометрической лам-
почки с помощью образцовой катушки сопротивления и высоко-
точного потенциометра. В промышленных переносных пирометрах
потенциометр используют весьма редко, тогда зрительная труба и
измерительный прибор выполняются в виде двух раздельных бло-
ков. Удобнее оказывается конструкция, в которой эти элементы
совмещены. При этом можно использовать в качестве показыва-
ющего прибора амперметр, но тогда оцифрованные отметки будут
занимать только вторую половину шкалы. Если применить вольт-
метр, измеряя напряжение на зажимах пирометрической лампоч-
ки (пирометр ОППИР-09), то нерабочей окажется только треть
шкалы, но существенным будет влияние переходных сопротивле-
ний. Для использования всей шкалы в некоторых конструкциях при-
меняют амперметры с подавленным нулем (пирометр ОППИР-017).
Можно измерять и электрическое сопротивление нити лампочки
(лампочка включается в мостовую схему), поскольку вольфрам
обладает значительным температурным коэффициентом сопро-
242
iявления. В отечественных пирометрах применяют, как правило,
уравновешенные мостовые схемы. Примером такого прибора мо-
жет служить переносный промышленный пирометр «Проминь»
(рис. 11.14, рис. 11.15). Пирометрическая лампочка Л включена
в одно из плеч одинарного уравновешенного моста. Уравновеши-
вание яркостей нити и объекта осуществляется вращением фото-
метрического реостата /?ф. Затем уравновешивается мостовая схе-
ма с помощью измерительного реохорда Rизм» связанного со шка-
лой яркостных температур. При фотометрировании движки /?ф и
/?изм связаны, при уравновешивании моста они расцепляются и
включается нуль-индикатор. Мостовая схема питается от встро-
енной в рукоятку пирометра аккумуляторной батареи (напряже-
ние 6 В). Прибор имеет три шкалы, при измерении температур'
ТАБЛИЦА 11.7
Тип пирометра	Пределы изме- рения, °C	Эффективная длина волны, мкм	Мини- мальный размер объекта, мм	Основная погреш- ность, °C	Случай- ная со- ставляю- щая по- грешно- сти, °C
ЭОП-66	900—2'000		1x1	-—	2
	2000—3000				6
	3000—6000	0,65±0,01			60
	6000-10000				150
ПОВ-80	800—1400	0,65 ±0,01	IXI	—	1,5
	1400—2000				3
	2000-3000			—	6
	3000—6000	0,55±0,01		-—	20
	6000-10000				80
ЛОП-72	900—1400			—.	3
	1400—2000				4
	2000—3000		1,5X1,5	—	15
	3000—6000	0,652-0,01			60
ОМП-054	800—1400		0,1	14	5
	1200-2000	0,655±0,005		20	7
	1800—4000			90	25
ЛМП-066	800—1400	0,655 ±0,005	0,1	14	5
	1200—2000	0,525±0,012	0,1	20	7
	1800—4000			90	25
ВИМП-015	400—850	1,02±0,08		12	2,5
	800—1400			14	2,5
	1200—2000			20	4
	1800-4000	0,656 + 0,008	0,1	90	15
ПОИ-76	400—900	1,05 + 0,1	2X2	5	2
,<Проминь»	800—1400			14	6
	1200—2000	0,65±0,01			20	12
	1800-4000			90	45
ОППИР-017 I модификация	800—1400			20	
	1200—2000			30	
II модификация	1200—2000			30	
III модификация	1800-3200	0,65±0,01	—.	80	
	1500-2500			60	
	2200-6000			259	
243
выше 1400 °C вводится поглощающий фильтр. Масса прибора
1,6 кг. Технические характеристики пирометра приведены в
табл. 11.7.
Применяется еще переносный пирометр ОППИР-017, выпус-
кавшийся ранее.
Прецизионные измерения проводят визуальными пирометрами
типа ЭОП (ЭОП-51, ЭОП-66) и пирометрами ЛОП-72, ОП-48,
ОП-67. Особенность конструкции пирометров ЭОП — применение
светосильной (светосила 1:3) корригированной оптики и трех пи-
рометрических лампочек с плоской нитью, установленных в шаро-
вых шарнирах и позволяющих поворачивать и наклонять их в
любых направлениях. Пирометры ЭОП ранее использовались для
реализации Международной практической температурной шка-
лы. Теперь, когда воспроизведение МПТШ осуществляется фото-
электрическим способом, такие пирометры применяют в качестве
образцовых средств 1-го разряда.
Рис. 11.16. Прецизионный визуальный пирометр ПОВ-80
Последняя модель пирометра этого типа—-ПОВ-80 (рис. 11.16)
имеет ряд особенностей. В пирометре вместо стеклянных селек-
тивных светофильтров используются два (красный и зеленый)
интерференционных светофильтра. В нем имеется встроенный ста-
билизатор для питания пирометрической лампочки, причем руко-
ятки реостатов грубого и тонкого фотометрирования выведены на
основание пирометра.
Для измерения температуры объектов малых размеров * (по
крайней мере до 100 мкм) применяются так называемые микро-
пирометры, т. е. визуальные пирометры, оптическая система кото-
рых обеспечивает достаточное увеличение с тем, чтобы размеры
* Под размером объекта следует понимать минимальный линейный размер,
характеризующий объект, например, ширину лепты, диаметр круга, меньшую
ось эллипса и т. п.
244
изображения минимального объекта были в 3—4 раза больше
ширины (диаметра) нити пирометрической лампочки.
Если для измерения температуры малых тел применять не спе-
циальные микропирометры, а обычные визуальные пирометры,
то результат измерения будет существенно искажен влиянием ди-
фракционных и аберрационных явлений.
В СССР разработаны и широко применяются лабораторные
микропирометры ОМП-019, ОМП-054, ЛМП-066, ВИМП-015,
измеряющие яркостную температуру тел размером до 100 мкм.
Они имеют, как правило, весьма точные механизмы перемещения
зрительной трубы пирометра вокруг вертикальной и горизонталь-
ной осей с отсчетными устройствами. Для измерения может быть
использована как встроенная мостовая схема, так и внешний при-
бор, например, потенциометр. Оптическая схема микропиромет-
ров ОМП-054 и ЛМП-066 отличается от оптической схемы двух
других приборов. Объектив этих микропирометров состоит из двух
Рис. 11.17. Оптическая (а) и
электрическая (б) схемы ви-
зуального микропирометра
ВИМП-015
компонентов, из которых
только первый перемеща-
ется при фокусировании
объекта и создает его
изображение в плоскости
промежуточной диафраг-
мы. Второй компонент
увеличивает это изобра-
жение и проецирует его в
плоскость нити пирометрической лампочки. Эти приборы пред-
почтительнее для измерения микрообъектов, расположенных на
больших расстояниях. Микропирометры ОМП-019 и ВИМП-015
имеют однокомпонентный объектив и предназначены для измере-
ний на близких расстояниях.
На рис. 11.17, а приведена оптическая схема микропирометра
ВИМП-015. Объектив 1, в качестве которого использован свето-
сильный проекционный объектив РО-Ю6 (относительное отверс-
215
стие 1:2, фокусное расстояние [=120 мм), создает изображение
объекта в плоскости нити пирометрической лампочки 3. В пиро-
метре применена пирометрическая лампочка Си-2-0,07 с гглоской
нитью шириной 35—40 мкм и толщиной 7 мкм. Окулярный узел
представляет собой стандартный микроскоп МИР-2, включающий
микрообъектив 4 типа ОМ-12 (увеличение 3,7х) и окуляр Гюй-
генса 8 (увеличение 7). В качестве селективного фильтра 9 ис-
пользуется стекло КС-15, при измерении температуры выше 1400 °C
вводится поглощающий фильтр 2 из стекла НС-13.
На рис. 11.17,6 приведена электрическая схема пирометра
ВИМП-015. Пирометр может работать как с встроенной мостовой
схемой, так и при необходимости более точных измерений с внеш-
ней компенсационной схемой. Переключатель К/ осуществляет
переключение на встроенный или вынесенный прибор. Пиромет-
рическая лампочка Л включена в плечо одинарного уравнове-
шенного моста. Накал лампочки изменяется реостатами грубого
Яф и точного фотометрирования Я'ф- При этом нуль-индикатор
отключен. Между реостатом фотометрирования и реохордом мо-
стовой схемы Я существует механическая связь, при фотометри-
ровании мостовая схема подводится к балансу. Это ускоряет ра-
боту с прибором и предохраняет нуль-индикатор от повреждений
при большом разбалансе. После установления равенства ярко-
стей объекта и нити рычагом фиксатора закрепляется положение
рукоятки реостата %ф. Тем самым включается нуль-индикатор, а
затем уравновешивается мостовая схема реостатом Я, движок
которого связан с оцифрованной перемещающейся шкалой. По
шкале отсчитывается температура. Питание мостовой схемы осу-
ществляется напряжением постоянного тока 6 В от батареи или
аккумулятора. Ток, потребляемый пирометрической лампочкой
при 1400°C, не превышает 95 мА. Внутренняя мостовая схема рав-
ноценна электроизмерительному прибору класса 0.2, поэтому це-
лесообразно применять более точный внешний прибор. Обычно
используют потенциометр (КП-59, Р-306) с образцовой катушкой
сопротивления 1 Ом.
Обычно нижний предел измерений визуальных монохромати-
ческих пирометров составляет 800°C. Уменьшение нижнего пре-
дела связано с необходимой достаточно длительной адаптацией
глаза. Существуют модели пирометров, нижний предел измерения
которых 700 °C и даже 650 °C — микропирометр фирмы «Руго —
Werk» (ФРГ). Измерение такой температуры требует темновой
адаптации глаза в течение не менее 10 мин; измерение при этом
производится без красного фильтра, а погрешность измерений со-
ставляет 200 % от ее значения для диапазона 800—1400°С.
Более целесообразны попытки использовать для этой цели
электронно-оптические преобразователи изображения (ЭОП), ко-
торые позволяют получать на экране изображения объектов, на-
гретых ниже видимого свечения. Микропирометр ВИМП-015 име-
ет для этой цели второй сменный окуляр, включающий ЭОП 6
типа ПЗ (см. рис. 11.17, а) с фильтром 5 из стекла ИКС-5 и 8-
246
кратную лупу 7 ЛПШ-25. Питание ЭОП осуществляется от специ-
ального высоковольтного источника питания БП-21, выходное на-
пряжение которого равно (22±2) кВ. Благодаря использованию
электронно-оптического преобразователя изображения нижний
предел измерения пирометра ВИМП-015 снижен до 400 °C.
Спектральная рабочая область прибора находится между 0,8
и 1,2 мкм. Эффективная длина волны в диапазоне 400—850 °C из-
меняется от 1,07 мкм до 0,97 мкм, т. е. Мфф= (1,02±0,05) мкм.
Таким образом, измерение температур в диапазоне 400—850 °C
осуществляется с окуляром с ЭОП, при этом микрообъектив
ОМ-12 создает на фотокатоде ЭОП изображения объекта и нити
пирометрической лампочки. Наблюдатель лупой ЛПШ-25 рас-
сматривает на экране ЭОП эти изображения и осуществляет фо-
тометрирование, изменяя ток пирометрической лампочки. Следу-
ет иметь в виду, что при низких температурах резко возрастает
тепловая инерция нити пирометрической лампочки, поэтому вре-
мя установления показаний при температуре 400 °C составляет
7—Юс. В принципе возрастает и влияние окружающей темпера-
туры на температуру нити, поскольку увеличивается доля кондук-
тивной теплоотдачи, однако изменяя отношение поверхности к
объему нити, можно уменьшить и этот эффект. У плоской нити
это соотношение лучше, чем у круглой.
На базе серийного визуального пирометра ЛОП-72 разработан
и выпускается пирометр ПОИ-76 с электронно-оптическим преоб-
разователем изображения. В отличие от пирометра ВИМП-015
он не имеет сменного окуляра и работает только в ПК-области
спектра (0,8—1,1 мкм). Пределы измерения этого пирометра
400—-900 °C. Прибор имеет встроенный высоковольтный источник
питания ЭОП и источник питания лампочки.
В табл. 11.7 приводятся основные технические характеристи-
ки отечественных визуальных пирометров.
Достоинство визуальных пирометров — простота конструкции и
большая надежность прибора, недостатки связаны с использова-
нием глаза в качестве приемника излучения. По этой причине их
нельзя использовать для автоматического регулирования и реги-
страции температуры. Особенности зрения наблюдателя сказы-
ваются на результате измерения. Чтобы уменьшить ошибку субъ-
ективного фотометрирования, за результат принимают среднее
значение из нескольких измерений. Обычно точные измерения вы-
полняют два наблюдателя. Фотометрирование осуществляется
при подходе как со стороны меньшей яркости нити лампочки, так
и со стороны большей яркости. Очевидно, что такие пирометры
нельзя использовать для измерения быстроменяющихся темпе-
ратур.
Недостатки визуальных пирометров стимулировали создание
объективных пирометров, аналогичных по своим характеристи-
кам визуальным. В 40-х гг. в СССР был разработан такой пиро-
метр ФЭП-3 (затем ФЭП-4), в котором приемником излучения
вместо глаза служил сурьмо-цезиевый фотоэлемент. Кривая спек-
247
тральной чувствительности такого фотоэлемента практически со-
впадала с кривой видносги глаза. Блок-схема этого пирометра
подобна блок-схеме пирометра ФЭП-8 (см. рис. 11.11). Здесь
приемником излучения является фотоэлемент СЦВ-51 с красным
фильтром, обеспечивающий эффективную длину волны пиромет-
ра (0,65 + 0,01) мкм. Быстродействие прибора составляет 1с, что
позволяет успешно использовать его в прокатном производстве.
Пирометр «Смотрич-3» также имеет эффективную длину вол-
ны 0,65 мкм, приемником является мультищелочной фотоэлемент
Ф-15. Лучшая стабильность этого фотоэлемента позволяет
использовать периодическую проверку стабильности коэффициен-
та передачи фотоэлектрического тракта пирометра (см. рис.
11.9). В качестве лампы сравнения применена лампа типа ТРВ
ПТ8. К монохроматическим пирометрам относятся также пиро-
метр «Смотрич-1», модификации которого используют в качестве
приемника фоторезистор PbSe с фильтром, обеспечивающим по-
лосу пропускания от 4,36 до 4,5 мкм. Эффективная длина волны
такого прибора составляет 4,43 мкм.
ТАБЛИЦА 11.8
Тип пирометра и его модификация	Пределы из- мерения, °C	Показатель визирования	Приемник излу- чения и эффек- тивная длина волны	Основ- ная по- греш- ность. %	Бы- стро- дейст- вие, с
ФЭП-4	800-1300 850—1400 900—1500 950—1600	1/22—1/50	Фотоэлемент СЦВ-51 0,65 мкм	1	1
	1000-1700 1100-1800 1200-2000				
«Смотрич»-1-05	50-200	1/50	Фоторезистор	2(2,5)	1,0
-06	150-350	1/50	PbSe типа	1(1,5)	0,5
-07	300—700	1/100	СФ-4-12 3,43 мкм	1(1,5)	0,1
«Смотр ич»-3-01	800-1200	1/25	Мультищелоч-	1(1,5)	1,0
-02	1000-1600	1/50	ной вакуумный	1(1,5)	0,1
-03	1200-1800	1/100	фотоэлемент	1(1.5)	0,1
-04	1400—2000	1/200	Ф-15 0,65 мкм	1(1,5)	0,05
-05	1700—2600	1/200		1,5(2,0)	0,05
-06	2100-3500	1/200		1,5(2,0)	0,05
Примечание. Основная погрешность, указанная в скобках относится к погреш-
ности комплекта, включающего вторичный преобразователь ПВ-1. Быстродействие указано
также для этого комплекта без учета вторичного показывающего илн самопишущего элект-
роизмерительного прибора.
В табл. 11.8 приведены технические характеристики отечест-
венных объективных монохроматических пирометров.
К монохроматическим пирометрам следует отнести и различ-
ные спектропирометры и спектропирометрические компараторы,
которые в метрологической практике применяются при эталонных
248
и поверочных работах, а также научно-исследовательских рабо-
тах, требующих точного измерения температуры в различных уча-
стках спектра.
Эти приборы отличаются тем, что в них монохроматизирую-
щим элементом является монохроматор, который позволяет вы-
делить любой необходимый спектральный интервал в достаточно
широкой области спектра; в некоторых из них — это набор интер-
ференционных светофильтров. Спектропирометры отличаются на-
личием встроенной лампы сравнения, спектрокомпараторы такой
лампы не имеют и служат устройством сравнения двух излуча-
телей, как правило, температурных ленточных ламп или черного
тела и лампы. В настоящее время используются преимуществен-
но фотоэлектрические спектропирометры и компараторы. В каче-
стве приемника излучения применяются фотоумножители, фото-
диоды и фоторезисторы. Примером фотоэлектрического спектро-
пирометра может служить универсальный автоматический спект-
ропирометр УСП-1; его пределы измерения 400—4000 °C, порог
чувствительности 0,5°C, необходимая длина волны может выби-
раться в области 0,43—2,4 мкм.
Спектрокомпараторы, разработанные в НПО ВНИИМ им.
Д. И. Менделеева, входят в состав государственного первичного
и специальных эталонов единицы температуры. В состав государ-
ственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне
1064,43—2500°С входит спектрокомпаратор СП-4К (рис. 11.18).
Принцип действия спектрокомпаратора основан на нулевом мо-
дуляционном методе уравнивания яркостей двух излучателей. Объ-
ективами внешней оптики 4 и разделительной призмой 8 изобра-
жения излучающих объектов 5 (лент температурных ламп) прое-
цируются в плоскости зеркала модулятора 3, где они рассматри-
ваются в микроскоп 2. Зеркало модулятора колеблется под дей-
ствием звукового генератора 13 с частотой, приблизительно рав-
ной 700 Гц, выполняя роль оптического коммутатора, направля-
ющего на входную щель монохроматора 1 поочередно оба пото-
ка. Монохроматизированное в требуемой длине волны излучение
фокусируется на катоде фотоумножителя 12. При равных ярко-
стях обоих излучателей световой поток, попадающий на фотоум-
ножитель, остается постоянным во времени и фототок не содер-
жит переменной составляющей. При неравенстве яркостей фото-
ток содержит переменную составляющую, которая усиливается
узкополосным усилителем И и выпрямляется синхронным детек-
тором 10. К выходу детектора подключен стрелочный нуль-инди-
катор 9, фиксирующий равенство (неравенство) яркостей. Порог
чувствительности при этом составляет 0,02—0,05 К- Если в каче-
стве излучателей используются температурные лампы, то их токи
измеряются потенциометром 7 типа Р-348 класса 0,002 с образ-
цовыми катушками сопротивления 6 (номинальное сопротивле-
ние 0,001 Ом). Питание ламп осуществляется от аккумуляторов
или стабилизированных источников питания типа СИП-30. При
построении температурной шкалы в качестве одного из излуча-
17—1973
249
телей используется модель черного тела при температуре затвер-
девания золота.
В НПО «Метрология» разработаны спектрокомпараторы
СПК-3 и ПСК- Принцип действия их аналогичен, но компаратор
1
Рис. 11.18. Блок-схема фотоэлектрического спектрокомпаратора СП-4К
ПСК позволяет работать как в видимой, так и в ИК-области
спектра. Он снабжен зеркальной оптикой и сменными приемни-
ками излучения.
§ 11.5.	Пирометры спектрального отношения
В последние десятилетия этот класс пирометров получает все
большее распространение благодаря свойствам цветовой темпера-
туры, которую они измеряют. Свойства цветовой температуры рас-
сматривались в гл. 10, однако напомним еще раз, что показания пи-
рометра, измеряющего цветовую температуру, зависят не от абсо-
лютного значения коэффициента излучения измеряемого объекта,
а только от его характера. При этом для серого тела (с любым
значением ел) цветовая температура равна действительной тем-
пературе тела. На показание такого пирометра не оказывает вли-
яние неселективное поглощение промежуточной среды (пыль,
250
дым, смотровые окна и т. п.). Во всяком случае часто (но не всег-
да) это влияние так же, как и влияние щ, может быть меньше,
чем в случае использования какого-либо энергетического пиромет-
ра. Показания пирометра спектрального отношения меньше зави-
сят от размеров объекта измерения, чем показания пирометров
энергетического типа. Принцип действия пирометров спектраль-
ного отношения заключается в преобразовании (в датчике пиро-
метра) излучения объекта в двух выбранных спектральных интер-
валах в электрические сигналы, формировании сигнала, пропор-
ционального их отношению или логарифму их отношения и изме-
рению этого сигнала, который пропорционален цветовой темпера-
туре объекта. Отметим, что все выпускаемые пирометры спект-
рального отношения — это пирометры прямого преобразования.
В табл. 11.9 приведены структурные схемы этих пирометров.
По способу измерения отношения потоков излучения схемы
делятся на три вида:
1.	Схемы, использующие для измерения способ уравновеши-
вания, или иными словами способ приведения отношения к еди-
нице. В этом случае каким-либо редуцирующим устройством урав-
новешиваются обе величины (Ф] и Ф2) или (Tj и У2), и положе-
ние редуцирующего элемента в момент равновесия пропорциональ-
но отношению этих величин.
2.	Схемы, использующие способ стабилизации одной из вели-
чин, путем общего для обеих величин редуцирования. При этом
значение другой редуцированной величины пропорционально их
отношению.
3.	Схемы, использующие способ двойного редуцирования. Этот
способ является комбинацией первых двух и состоит в том, что
с помощью общего редуцирующего устройства одну из величин
поддерживают постоянной, а вторым редуцирующим устройством
уравновешивают с ней другую величину. При этом положение
редуцирующего элемента второго устройства пропорциональна
отношению обеих величин.
Все перечисленные виды схем делятся на два типа в зависи-
мости от того, редуцируются ли световые потоки (тип I) или про-
порциональные им электрические сигналы (тип II). Приведенные
в табл. 11.9 структурные схемы обобщенно показывают, как стро-
ятся или могут быть построены схемы пирометров спектрального
отношения, при этом звенья, не имеющие принципиального зна-
чения, например, усилительные опущены.
Звено с передаточной характеристикой S (см. табл. 11.9) —
это приемник излучения (с усилителем или без него, если в нем
нет необходимости). Звенья с коэффициентом передачи пип' —
это редуцирующие устройства. Для схем I типа, в которых реду-
цируются световые потоки, в качестве редуцирующего устройства
чаще всего применяют различные диафрагмы. Таким элементом
может служить серый клин или поляроидный аттенюатор. Для
схем II типа — это элементы позволяющие изменять электриче-
ские сигналы, например, реохорды или транзисторы. Иногда для
17
251

Таблица 11.9
'МЫ
этого применяют подогревные термисторы. В качестве общего ре-
дуцирующего устройства используют усилители с изменяемым
коэффициентом усиления. Если в качестве приемника применяют
фотоумножитель, то изменяют напряжение на его динодах (в
этом случае это звенья S и п).
Звенья с коэффициентом передачи К\— это различные схемы
сравнения двух электрических сигналов, а с коэффициентом Кп—
электроизмерительные приборы, показания которых а пропорцио-
нальны отношению световых потоков Ф1 и Ф2. Звенья с переда-
точным коэффициентом /С управляют редуцирующим элемен-
том. Если последний требует механического перемещения (напри-
мер, реохорд или диафрагма), то звено Kz— это обычно ревер-
сивный двигатель. Если для управления редуцирующим элемен-
том требуется электрический сигнал, то звено Kz— электрический
регулятор или преобразователь В том случае, если контур не зам-
кнут, т. е. уравновешивание или стабилизация осуществляется не-
автоматически, то звено Кг — нуль-индикатор.
Все схемы, приведенные в табл. 11.9, обладают различными
свойствами по отношению к таким факторам, как помехи, изме-
нение уровня яркости объекта при какой-либо температуре, воз-
можные пределы измерения отношения.
Кроме схем, приведенных в табл. 11.9, пирометры спектраль-
ного отношения могут строиться по «логарифмической» схеме.
Они измеряют не отношение потоков излучения, а логарифм это-
го отношения. При этом электрические сигналы, пропорциональ-
ные энергетическим яркостям объекта в двух спектральных ин-
тервалах, логарифмируют тем или иным способом и затем лога-
рифм отношения вычисляют как разность логарифмов сигналов.
Сигнал, пропорциональный разности, измеряют вторичным элект-
роизмерительным прибором, как правило, автоматическим само-
пишущим потенциометром.
В настоящее время в СССР получили распространение пиро-
метры спектрального отношения двух типов «Спектропир» и
«Веселка». В серии пирометров «Спектропир», разработанных
коллективом ленинградских инженеров под руководством В. Т,
Негруцака, имеются пирометры как узкоцелевого назначения
(Спектропир-1—для измерения температуры катодов электрон-
ных ламп, Спектропир-2 — для регулирования температуры при
наплавке зубьев буровых долот, Спектропир-4 — для контроля
температуры цементных печей), так и пирометры широкого про-
филя (Спектропир-3, Спектропир-6, Спектропир-8 и Спектро-
пир-10).
На рис. 11.19 приведена функциональная схема пирометра
Спектропир-1. Прибор построен по схеме I—2 (см. табл. 11.9).
Это двухканальный пирометр, т. е пирометр, имеющий два при-
емника излучения, каждый для своей спектральной области Объ-
ектив 1 проецирует изображение объекта измерения в плоскость
полевой диафрагмы 2, за которой расположены два приемника
излучения: Ge — фотодиод и PbS — фоторезистор. Пространствен-
253
ное и спектральное разделение потока осуществляется фильтром
3 с границей пропускания 1,8 мкм. Прошедший через фильтр по-
ток излучения Фл1; попадает на фотодиод 4, а отраженный поток
Ф>. на фоторезистор 7. Поток Ф>. сравнивается с потоком излу-
чения Фо от опорного источника 5 (лампа СЦ-76 с вольфрамовой
нитью постоянного накала) с помощью вибрационной заслонки 6.
Переменная составляющая сигнала фоторезистора, возникающая
при неравенстве сравниваемых потоков, управляет через усили-
тель 8 реверсивным двигателем 9. Двигатель меняет раскрытие
диафрагмы 10 объектива, поддерживая Фд, постоянным, при этом
Рис. 11.19. Блок-схема пирометра спектрального отношения «Спектропир»-!
значение Ф>.; и, следовательно, значение электрического сигнала
фотодиода пропорционально отношению обоих потоков излучения
и, следовательно, цветовой температуре объекта измерения. Сиг-
нал фотодиода измеряется микроамперметром М-95.
По иной схеме построен пирометр Спектропир-6 (рис. 11.20).
Для измерения отношения электрических сигналов датчика в нем
используется электронный логометр типа КСЛ-2. В комплект пи-
рометра входит датчик ДСП-6, вспомогательный блок БТС-1-02 и
логометр КСЛ-2. В датчике пирометра отсутствуют какие-либо
подвижные элементы, что, несомненно увеличивает его надеж-
ность, позволяя использовать его в самых сложных и тяжелых
производственных условиях. В датчике пирометра расположена
оптическая система, включающая объектив 1, апертурную 2 и по-
левую 3 диафрагмы, проецирующую систему 4, окуляр 7 и прием-
ники излучения 8, помещенные в термостат 5. В качестве прием-
ников излучения в пирометре используются Si — фотодиоды типа
ФКД-3. Излучение с длиной волны более 0,9 мкм пропускается
светоделительным фильтром 6 на один фотодиод (Х2 фф =
= 0,985 — 0,975 мкм), а излучение с длиной волны короче 0.9 мкм
отражается на другой фотодиод (Xi ф =0,87— 0,83 мкм). Сигна-
лы с нагрузки фотодиодов поступают на электронный логометр
КСЛ-2, который измеряет их отношение, уравнивая оба сигнала с
помощью реохордной следящей системы. При этом движок рео-
хорда связан с указателем шкалы, градуированной в единицах
254
цветовой температуры. В логометр встроен измерительный пре-
образователь ПП 11—01, на выходе которого имеется унифициро-
ванный сигнал постоянного тока 0—5 мА, который может исполь-
зоваться для подключения второго (дублирующего) прибора или
для системы автоматического регулирования. Кроме того, лого-
метр имеет контактное трехпозиционное устройство для регулиро-
вания. Вспомогательный блок БТС содержит регулятор темпера-
туры термостата фотодиодов и систему сброса показаний лого-
метра. Датчик температуры термостата 10 (термистор типа СТ
1 —17) включается в мостовую схему И, выходной сигнал которой
Рис 11.20. Блок-схема пирометра спектрального отношения «Спектропир» 6
через усилитель и тиристор (релейный усилитель 14) управляет
током нагревателя 9. Необходимость системы сброса показаний
вызывается тем, что указатель логометра при отсутствии сигнала
находится в произвольном положении. Для того, чтобы исклю-
чить возможную при этом ошибку, применяют систему сброса,
которая при температуре ниже минимальной и при малой яркости
объекта измерения перемещает указатель логометра в начало
шкалы. Для этого сигнал одного из фотодиодов сравнивается с
опорным сигналом от стабилизатора 15 и регулирующий сигнал
через предварительный 12 и релейный 13 усилители подается на
вход логометра. При необходимости для уменьшения размаха ко-
лебаний при пульсации температуры может использоваться блок
интегрирования, подключаемый на вход логометра.
Одна из последних моделей — пирометр Спектропир-10 постро-
ен по схеме II-2 (рис. 11.21). Датчик пирометра построен по то-
му же принципу, что и датчик пирометра Спектропир-6, добав-
лен лишь модулятор вибрационного типа (частота колебаний
~ 400 Гц) между объективом и полевой диафрагмой и усилители
сигналов фотодиодов. При этом в датчиках высокотемператур-
ных модификаций отсутствует разделительный фильтр, а поток
255
излучения, попадающий на второй фотодиод, отражается от по-
верхности первого фотодиода. Приемниками излучения являются
Si- и Ge-фотодиоды. Сигналы фотодиодов поступают во вторич-
ный преобразователь УП на делители напряжения, в которых ре-
дуцирующим элементом является переменное сопротивление тран-
зистора микросхемы 1 КТ 011В. Оба канала включают усилители
2 и 4, синхродетекторы 3. Сигнал одного из каналов после синх-
родетектора сравнивается со стабилизированным опорным напря-
жением 0о, а сигнал рассогласования подается на транзисторы
делителей, изменяя их сопротивление. Таким образом, один из
сигналов датчика поддерживается постоянным с помощью обще-
псм
Рис. 11.21. Блок-схема пирометра спектрального отношения «Спектрспир»-10
го (равного) для двух сигналов редуцирования. При этом вто-
рой сигнал, пропорциональный их отношению, подается на элек-
троизмерительный прибор. Блок унифицированных сигналов, встро-
енный в УП, обеспечивает сигнал постоянного тока 0—5 мА или
0—10 В, блок имеет показывающий прибор — профильный вольт-
метр 0—10 В типа М4243. В блоке преобразования кроме основ-
ной измерительной схемы расположена схема индикации уровня
яркости с индикаторными лампочками, выведенными на лицевую
панель блока; схема терморегулирования температуры термоста-
та, в котором размещаются фотодиоды, и схема интегрирования.
Блок питания и модуляции питает все схемы пирометра и генери-
рует напряжение питания для вибромодулятора.
256
В табл. 11.10 приведены технические характеристики пиромет-
ров Спектропир.
Одноканальные пирометры серии «Веселка», разработанные
коллективом львовских инженеров под руководством Г. П. Сай-
ченко, по принципу действия можно разделить на две группы.
К первой группе относятся пирометры «Веселка-1», «Веселка-2»
и «Веселка-3», построенные по схеме I—1 (см. табл. 11.9). Ко вто-
рой группе — логарифмические пирометры «Веселка-4», «Весел-
ка-5» и «Веселка-6». Они входят в систему АПИР-С. На рис. 11.22
приведено устройство датчика пирометров первой группы. Объек-
тив 1 (светосильный проекционный объектив РО-106) проецирует"
О,ц 0,5 0,6 0,1 Л.мггн
Рис. Н.22. Функциональная схема датчика пирометра спектрального
отношения «Веселка»-1, 2,3
изображение объекта в плоскости полевой диафрагмы 2. Эта ди-
афрагма представляет собой калиброванное отверстие в круглой
пластине с зеркальной поверхностью. Пластина посредством ру-
коятки, расположенной на лицевой панели датчика, может пово-
рачиваться и фиксироваться в нескольких положениях. В одном
из них (положение Ф) производится наводка окуляра на рез-
кость, в другом (положение К) калибровка прибора. Изображе-
ние объекта в плоскости полевой диафрагмы рассматривается в-
визирное устройство, состоящее из зеркала 3, лупы 4 и стандарт-
ного микроскопа 5. При наводке на резкость в поле зрения ви-
зирной системы находится матовая поверхность пластины с крес-
тообразным индексом, по которому производится наводка на рез-
кость. Поток излучения, прошедший полевую диафрагму, через'
систему линз 7 и призму полного внутреннего отражения 6 по-
257
ТАБЛИЦА 11.10
Тип и модификация	Пределы из- мерения, °с	Пока- затель визиро- вания	Приемник излу- чения и Лзфф	Основ- ная по- греш- ность, %	Быстродейст- вие, с
Спектропир-1	600—1100 1000—1500	1/100	Ge-фотодиод PbS-фоторези- стор	1	2,5—8
Спектропир-2	1300-1700	1/100	Si-фотоэлемент Ge-фотодиод	1	0,01 — в режи- ме регулирова- ния 1 — в режи- ме измерения
Спектропир-3	1200—1800	1/70	251-фотодиода *, = 0,85 мкм *2=1,47 мкм		2,5—8
Спектропир-4	1200 — 1700	1/100		1	30—40
Спектропир-5	1400—1900	1/33	Si и Ge-фото- диоды	1	
Спектропир-6	900-1300 1200—1600 1200-1800 1600—2200	1/25 1/25 1/50 1/75 1/25 1/50 1/75 1/25 1/50 1/75 1/100	Два Si-фото- диода *< = 0,83— 0,87 мкм *2=0,975— 0,985 мкм	1	2,5—40
Спектропир- 7	500—800 700-1000	1/50 1/50	Два Ge-фото- диода Х1-1,5;Х2®1,7; *, = 0,9; *2= = 1,2 мкм	1	г,а — без блока интегрирова- ния, 10,0 — с блоком инте- грирования
Спектропир-8-05 -04 -01 -02 -03	300 -500 400—700 500—800 700-1000 900—1400	1/25 1/25 1/50 1/100 1/100	Два Ge-фото- диода *i = 1,5; *2 = = 1,7 мкм *1=0,9; *2= = 1,2 мкм *, = 0,83; *2= = 1,3 мкм Ge и Si-фото- диоды	1,5 1 ,о	
Спектропир-9-06 -05 -04 -03 -02 -01	300-500 400-700 5,0 -800 700 — 1000 800-1200 900 — 1300	1/25 1/25 1/50 1/50 1/50 1/50	*i= 1,5; *2= 1,7 *1 = 0,89; *2 = = 1,05 мкм	2(2,5) 1,5(2) 1,5(2) 1(1,5) 1(1,5) 1(1,5) 1(1,5)	0,5 0,5 0,25 0,25 Д25 0,25 о,25
258
ПРОДОЛЖЕНИЕ
Тип и модификация	Пределы из- мерения, °C	Пока- затель визиро- вания	Приемник излу- чеиия и 1,фф	Основ- ная по- греш- ность, %	Быстродейст- вие, с
Спектропир-10-01	500—700	1/25	7,1 = 0,92 мкм; Х2	1.5	0,05—2,5 — без
-02	600—1000	1/50	= 1,62 мкм	1.5	интегрирования
-03	909—1300	1/200		1,0	1,0—10,0 — при включении ин- тегрирования
-04	1200—2900	1/200	X, = 0,87; Т.2= = 1,55 мкм	1 ,о	
-05	1800—2200	1/500		1.0	
-06	2000-2800	1/500	7,| = 0,82; Х2 = = 1,5 мкм	1,0	
-07	2200—3000	1/500		1,0 	
Спектропир-П-01	800—1000	1/25			
-02	900—1300	1/50 1/50		1 ,5	0,03
-03	1200-1800				
Примечание. В скобках приведена погрешность при введении коррекции иа излу-
чательную способность объекта
надает на торец светопровода 9 и затем через цветной оптический
клин 10 на приемник излучения 12. При этом с помощью «бихро-
матического модулятора» 14 на приемник излучения попеременно
попадают потоки излучения объекта в двух различных участках
спектра. Для выделения двух разноспектральных потоков излу-
чения используются два цветных светофильтра, закрепленные в
диске, который вращается синхронным синфазным двигателем
АС-032. Таким образом, сигнал с приемника излучения представ-
ляет собой последовательность чередующихся прямоугольных им-
пульсов, пропорциональных энергетической яркости объекта в од-
ном и другом спектральном интервале. Эти импульсы усиливают-
ся предварительным усилителем 13 и подаются на вход элект-
ронного блока.
Рабочий селективный клин 10 имеет различное пропускание
(тк) для двух выбранных спектральных интервалов. При пере-
мещении (поз. I, II, III) он резко меняет пропускание излучения в
одном из этих интервалов. Таким образом, перемещая клин, можно
добиться того, что оба потока, попадающие на приемник излуче-
ния, будут равны. При этом положение такого клина будет про-
порционально отношению обоих потоков и, следовательно, цвето-
вой температуре объекта. Если с течением времени спектральные
характеристики оптического тракта пирометра и прежде всего
приемника излучения изменяются, то корректирующим цветным
оптическим клином 11 эти изменения можно компенсировать. Для
периодической калибровки используется вольфрамовая лампочка
СЦ-76, излучение которой через светофильтр 15 с помощью линзы
16 и призмы 8, вводимой вместо полевой диафрагмы (положение
К), через тот же оптический тракт попадает на приемник излуче-
ния.
259
Каждый из рассматриваемых пирометров «Веселка» имеет три
модификации, которые различаются способом перемещения селек-
тивного клина при уравнивании потоков. В приборах первой мо-
дификации клин, механически связанный со шкалой, перемещают
вручную, в приборах второй — клин перемещается дистанционно
с помощью встроенного в датчик двигателя типа ДК.ИР-05 и на-
конец в приборах третьей модификации такой двигатель включен
на выходе следящей..системы. Пирометр первой модификации со-
стоит из двух блоков: датчика ППП 11 и блока электроники
БЭ-11. Сигнал датчика в виде последовательности импульсов по-
ступает на вход усилителя-ограничителя, где осуществляется мно-
гократное ограничение импульсов по нижнему уровню с последу-
ющим их усилением. Это позволяет выделить очень малую раз-
ность амплитуд импульсов, что обеспечивает высокую чувстви-
тельность пирометра. На рис. 11.23 приведена схема одного кас-
Рис. 11.23. Электрическая схема одного каскада усилителя-
ограничителя
када усилителя-ограничителя. Ограничение импульсов по нижне-
му уровню осуществляется конденсатором Ci и диодом Д4. На
сопротивлении /?4 выделяются ограниченные снизу импульсы. Де-
литель Ri, R2 служит для смещения рабочей точки диода Д,1-
С сопротивления /?4 ограниченные импульсы через разделитель-
ный конденсатор С2 и делитель R5, R6 поступают на каскад уси-
ления, собранный на транзисторах ПП1 и ПП2 с разной проводи-
мостью. Усиленные импульсы с сопротивления R7 поступают на
аналогичную ступень ограничения и усиления и т. д. Выделенная
и усиленная таким образом огибающая сигнала подается на фа-
зовый детектор, преобразующий ее в сигнал постоянного тока.
На выходе фазового детектора включен нуль-индикатор, в качест-
ве которого использован стрелочный прибор М-93. Параллельно
с выхода фазового детектора выводится сигнал постоянного тока
от —5 до 0—5 мА для подключения к системам автоматического
регулирования. Сигнализатор уровня яркости контролирует амп-
литуду импульсов, поступающих на вход блока электроники, на
лицевой панели которого расположены индикаторные лампочки.
В том случае, если яркость объекта измерения ниже допустимого
уровня, горит лампочка «ниже нормы», если яркость превышает
верхний допустимый уровень, горит лампочка «выше нормы», .и
если яркость объекта в пределах нормы горит лампочка «нор-
260
ма». Первую модификацию пирометра можно использовать в ка-
честве датчика системы регулирования температуры, при этом
клин служит задатчиком требуемой температуры, которая уста-
навливается по шкале. Всякое отклонение от установленной тем-
пературы вызывает появление на выходе блока БЭ сигнала раз-
баланса соответствующей полярности и величины.
Если датчик монтируется в таком месте, где доступ к нему за-
труднен, то используются пирометры второй модификации с дис-
танционным перемещением клина как уставки регулятора. Пи-
рометры третьей модификации — это автоматические пирометры,
в которых в качестве показывающего и самопишущего прибора
применен автоматический мост типа КСМ-2.
Пирометры «Веселка»-1,2 и 3 отличаются друг от друга пре-
делами измерения и соответственно выбранными рабочими спект-
ральными интервалами, следовательно, приемниками излучения.
Пирометр «Веселка-1» использует видимую область спектра и в
г2 т
Рис. 1 Г.24. Блок-схема логарифмического пирометра спектрального от-
ношения «Веселка»-4, 5, 6
качестве приемника излучения мультищелочной фотоэлемент Ф-15,
пирометры «Веселка»-2 и 3 — ближнюю ПК-область спектра и в
качестве приемников излучения — Ge-фотодиоды и PbS-фоторезис-
тор соответственно.
Пирометры «Веселка»-4, 5 и 6 отличаются друг от друга также
пределами измерения и выбранными для этой цели рабочими
спектральными участками. Пирометр «Веселка»-4 работает в ви-
димой области спектра, приемником в нем является мультищелоч-
ной вакуумный фотоэлемент Ф-15. «Веселка»-5 и «Веселка»-6 ра-
ботают в ПК-области спектра, используя в качестве приемника
Ge-фотодиод и PbS — фоторезистор. В комплект пирометра вхо-
261
дит датчик (ПСФ, ПСД или ПСР в зависимости от типа пиромет-
ра), промежуточный преобразователь типа ППС, вторичный пре-
образователь ПВ-2 и автоматический потенциометр типа КСП-2.
На рис. 11.24 приведена блок-схема логарифмического пирометра
«Веселка».
Датчики логарифмических пирометров «Веселка» принципиаль-
но построены так же, как и датчики пирометров «Смотрич», толь-
ко вместо обычного модулятора в пирометрах «Веселка» приме-
няется так называемый «бихроматический модулятор», выполня-
ющий роль спектрального коммутатора, т. е. в отверстиях враща-
емого синхронным двигателем диска помещены селективные све-
тофильтры. В датчике отсутствует опорный калибровочный источ-
ник. Приемники излучения в пирометрах «Веселка»-5 и 6 поме-
щены в термостате.
Датчик пирометра подключается на вход промежуточного пре-
образователя, включающего блок нормирования (БН), блок ло-
гарифмирования (БЛ) и два блока питания (БП-5 и БП-6). Им-
пульсы фототока с приемника излучения, усиленные предвари-
тельным усилителем датчика, чтобы уменьшить влияние шумов
и помех (наводок) при передаче сигнала, поступают на вход БН,
который поддерживает амплитуду импульсов с предусилители в
пределах 2—5 В, обеспечивающих нормальную работу БЛ. Под-
держание амплитуды импульсов осуществляется ступенчатым из-
менением коэффициента усиления предварительного усилителя с
помощью пороговых переключателей, управляемых постоянным
напряжением, поступающим из БН. В БН осуществляется также
усиление и разделение импульсов синхронизации и формирование
стробимпульсов, управляющих работой БЛ. В том случае, когда
амплитуда импульсов, поступающих на вход БН, находится в до-
пустимых пределах на лицевой панели блока горит индикатор
«норма». С выхода БН импульсы и 1]2, пропорциональные
энергетическим яркостям объекта в двух спектральных участках,
поступают на вход БЛ реализующего передаточную функцию
t/вых = •	Л„--—+ С.
In (t/i/ t/2)+B
Выходной сигнал БЛ, т. е. Uвых связан линейной зависимо-
стью с измеряемой цветовой температурой. Логарифмирование
входных импульсов Ui и U2 осуществляется преобразованием их
в равноамплитудные импульсы, длительность которых пропорци-
ональна логарифму амплитуды входных импульсов /Д и t/2. Для
этого используется разряд конденсатора, заряд которого осущест-
вляется импульсами U{ и СД. Экспоненциально затухающее на-
пряжение сравнивается с опорным напряжением Uo. При этом пе-
риод от момента разряда конденсатора до момента совпадения на-
пряжения конденсатора с опорным равен для импульса /Д п =
= /?Cln (t/i/t/o), а для импульса U2 тг = /?С In (t/2/t/o) • Следова-
тельно, разность импульсов длительностью Т] и х2 пропорциональ-
на In (UJU2).
262
В БЛ имеется схема корректировки показаний прибора в за-
висимости от коэффициента излучения объекта, а также схема ин-
тегрирования, позволяющая ступенчато изменять время установ-
ления выходного сигнала ППС. С помощью кнопочного переклю-
чателя можно установить значения 0,05; 0,5; 2,5 и 10,0 с. Выход-
ным сигналом ППС является напряжение постоянного тока 0—1 В,
имеется выход 0—100 мВ для подключения автоматического по-
тенциометра на базе прибора КСП-2.
Блоки питания БП5 и БП6 обеспечивают питание всех схем
датчика и промежуточного преобразователя переменным и посто-
Рпс. 11.25. Комплект логарифмического пирометра «Веселка»
янным (в том числе и стабилизированным) напряжением соот-
ветственно.
При необходимости к промежуточному преобразователю может
подключаться вторичный преобразователь ПВ-2. Вторичный пре-
образователь, как и во всех приборах системы АПИР-С, включа-
ет блок запоминания максимального значения измеряемой тем-
пературы, блок усилителя, преобразующий сигнал 0—1 В в уни-
фицированный сигнал ГСП (0—5 мА, 4—20 мА или 0—10 В в
зависимости от модификации блока) и блок индикации, обеспечи-
вающий отсчет измеряемой температуры. В качестве электроиз-
мерительного прибора в нем используется вольтметр или милли-
амперметр типа М4243 класса 1,0.
Пирометры «Веселка»-4, 5 и 6 в зависимости от конкретных
условий и требований могут применяться в одной из трех моди-
фикаций. Пирометры первой модификации состоят из датчика,
промежуточного и вторичного преобразователей. Такой пирометр
может служить датчиком в системе автоматического регулирова-
ния и централизованной системе сбора информации. Пирометры
второй модификации состоят из датчика, промежуточного преоб-
разователя и автоматического потенциометра. Их можно исполь-
263
ТАБЛИЦА ll.il
264
Тип прибора	Пределы изме- рения, °C	Показатель визирования	Приемник излучения и эффектив- ные длины волн, мкм	Основная по- грешность, %	Быстродействие, с
«Веселка»-!	1400-1600 1550-1800 1700-2000 1900—2300 2200—2600 2500—2800	1/50 1/100 1/100 1/200 1/200 1/400	Фотоэлемент Ф-15 >4 = 0,51 Х2=0,67 Х' = 0,44 Х2 = 0,67 >4 = 0,43 Х2=0,65 >4 = 0,43 Х2=0,65 >4 = 0,43 2i2=0,65	0,6	0,5 для модификаций 1 и II 2,5 для модификации III
«Веселка»-'2	750-950 900—1100 1000-1300 1000—1500	1/25 1/50 1/100 1/200	Ge-фотодиод ФД-ЗА >4 = 1,26 Х2= 1,52		
«Веселка»-3	300-500 450—800	1/25 1/50	PbS-фоторезистор 40 АН >4 = 2,65 Х2=3,21	1,5	0,5 для модификаций 1 и II
«Веселка»-4	1300-1800 1600-2200 2000—2800 2500-3000	1/25 1/50 1/100 1/400	Фотоэлемент Ф-15 Х, = 0,44 Х2 = 0,68	0,6 0,6 0,6 1,0	0,05 для преобразования 2,5 для измерения
«Веселка»-5	500 -800 700-1100 900-1400	1/25 1/50 1/100	Ge-фотодиод ФД-9Э111 >4=1,25 Х2=1,65	1,5 1,0 1,0	0,25 для преобразова- ния 2,5 для измерения
«Веселка»-6	200—500 300-700 500—800	1/15 1/25 1/50	PbS-фоторезистор ФСВ-16 АН >4=2,65 Х2=3,05	2,0 2,0 1,5	0,25 для преобразова- ния 2,5 для измерения
зовать в качестве локального измерительного прибора. В пиро-
метры третьей модификации входят все элементы, т. е. датчик,
промежуточный и вторичный преобразователи и автоматический
потенциометр.
Пирометры «Веселка»-4, 5, 6 работают при температуре ок-
ружающего воздуха 5—50°C и относительной влажности 30—80 %.
При этом датчики пирометров работают в диапазоне температур
5—80 °C, однако при температуре выше 35°C датчик следует ох-
лаждать водой.
Пирометры «Веселка» снабжаются комплектом монтажно-за-
щитной арматуры, включающей устройства охлаждения и отдува
(рис. 11.25). В табл. 11.11 приведены технические характеристики
пирометров «Веселка» всех типов.
В последние годы все больший интерес вызывают методы многоволновой
или полихроматической пирометрии. Однако пирометры, реализующие эти ме-
тоды, находятся еще только в стадии экспериментальных разработок.
Одна из основных тенденций современной пирометрии — минимизация ме-
тодической погрешности пирометрических измерений температуры. Существу-
ют различные методы и устройства, исключающие такую погрешность в оп-
ределенных условиях. К ним относятся методы, использующие поляризацию из-
лучения, методы активной и пассивной (метод зеркальной полусферы) «под-
светки» объекта, метод искусственной полости и т. п. Эти вопросы рассмот-
рены в работах Поскачея А. А., Чубарова Б. П. и Чарихова Л. А.
ГЛАВА 12
ПОВЕРКА ПИРОМЕТРОВ
Пирометры поверяют по излучению черного тела или темпера-
турных ламп, излучение которых соответствует фиксированным
температурным точкам. Существуют следующие методы градуи-
ровки и поверки пирометров: непосредственного сличения, сличе-
ния при помощи компаратора и прямых измерений.
§ 12.1.	Аппаратура, используемая при градуировке
и поверке пирометров
Черные тела для градуировки пирометров, модели абсолютно
черного тела. Под моделью абсолютно черного тела понимается
тепловой излучатель, являющийся приближением к абсолютно чер-
ному телу, служащий для практического воспроизведения излуче-
ния черного тела. Модели черного тела по форме излучающей по-
лости бывают цилиндрические, сферические, трубчатые, кониче-
ские и клиновидные.
Наиболее распространена цилиндрическая модель черного те-
ла, излучающая полость которой имеет форму цилиндра с одним
концом для вывода излучения. Температура черного тела опреде-
18-1973
265
ляется техническими характеристиками электрической нагрева*
тельной печи (рис. 12.1), внутрь которой монтируется излучающая
полость. Внутри графитовой трубы 1, которая используется как
нагреватель, установлен ряд диафрагм 4. Диафрагмы имеют от-
верстия только со стороны визирования излучающей полости 2
графитового цилиндра 3. Отверстия, через которые производится
визирование источника излучения, должны быть достаточно ма-
лы по сравнению с длиной излучающей полости, чтобы излучение
внутри ее многократно отражалось от стенок. Отношение длины
трубы к диаметру должно удовлетворять условию	где I —
длина участка от задней стенки излучающей полости до точки на
оси печи с перепадом температур не более ±5% температуры
задней стенки; d — диаметр отверстия излучающей полости. Излу-
Рис. 12.1. Схема устройства электропечи «Черное
тело»
чение задней стенки излучающей полости 2, приближается к излу-
чению абсолютно черного тела. Коэффициент черноты излучате-
ля рассчитывают по геометрическим размерам и коэффициенту
отражения материала внутренней полости (графита).
Температуру модели черного тела регулируют и контролируют
термоэлектрическими образцовыми термометрами, чувствитель-
ный элемент которых расположен в зоне излучающей полости,
или образцовыми пирометрами.
Моделью черного тела в диапазоне температур от 400 до 1300 К
служит нагревательная печь, состоящая из двух коаксиальных
керамических труб с обмоткой из нихрома и теплоизолирующей
засыпкой между ними. Обмотка наружной трубы имеет самосто-
ятельные секции, что обеспечивает во внутренней трубе постоян-
ную температуру в пределах 0,5 К на протяжении 40—50 мм. Во
внутреннюю трубу помещается модель цилиндрической формы из
никеля. Эффективный коэффициент излучения модели по расчету
соответствует 0,997. Корпус нагревательных печей часто охлаж-
дается водой, пропускаемой через токоподводы. Например, для
реализации модели черного тела, служащего для получения излу-
чения при температуре затвердевания золота применяется гори-
зонтальная двухобмоточная печь, равномерность температурного
266
Рис. 12.2. Температурная лампа
поля в которой составляет 1 К на длине 100 мм. Тигель с золотом
устанавливается в зоне печи (изготовленной из графита) с наи-
меньшим градиентом температур. Модель черного тела для реа-
лизации температур в диапазоне 2500—3000 К может представ-
лять собой цилиндрическую полость с конусным дном, выполнен-
ную из молибдена. Для уменьшения окисления и испарения моли-
бдена полость заполняется очищенным и подогретым аргоном.
Нагрев осуществляется от нагревателя в виде змеевика из гра-
фита. Модель имеет эффективный коэффициент излучения, равный
0,9991.
Температурная лампа. Лампа накаливания (рис. 12.2), тело
накала которой выполнено в виде ленты, предназначенная для
воспроизведения и передачи температурной шкалы по излучению,
называется температурной. Лам-
па состоит из стеклянного, чаще
всего, цилиндрического балло-
на 1 с круглым плоским смотро-
вым окном 2, расположенным
напротив вольфрамовой ленты
4. Лента имеет п-образную фор-
му и приварена к молибденовым
держателям 5, электрически сое-
диненным с цоколем лампы. У
широко применяемой лампы ти-
па ТРВ1100—2350 (СИЮ—300)
общая длина ленты около 40 мм,
ширина 2,8 мм, толщина 40 мкм.
Рабочий участок ленты (место
визирования) отмечен специаль-
ным указателем (индексом) 3.
Индекс выполнен в виде тонкой
г-образной проволоки и прива-
рен к одному из держателей. Для температур до 1800 К целесооб-
разнее использовать вакуумные лампы, а для более высоких тем-
ператур — лампы, наполненные инертными газами.
Максимум температуры на рабочем участке ленты газонапол-
ненных ламп выше середины из-за влияния температурного поля
газа. Поэтому место визирования и индекс у этих ламп располо-
жены выше середины ленты. Для газонаполненных ламп из-за
влияния конвективных потоков газа наличие заметной зависимо-
сти яркостной (цветовой) температуры ленты от угла, под кото-
рым она визируется, требует строго и однозначно задавать направ-
ление визирования. Для этого на задней стороне баллона темпе-
ратурной лампы нанесена юстировочная метка (чаще всего в
виде креста). Ось визирования должна проходить через конец ин-
декса и центр креста и быть перпендикулярна к плоскости ленты.
Питание температурных ламп осуществляется от стабилизато-
ров типа МТКС-35, СНП-40, СИП-35 или любых других, имеющих
аналогичные характеристики.
18*
237
Излучательные характеристики вольфрама в отличие от излу-
чения абсолютно черным телом коррелируются специальным све-
тофильтром ПС-5, выполненным из стекла толщиной 5 мм. Для
удобства сравнения яркостей рядом со стеклом ПС-5 иногда мон-
тируют линзу, увеличивающую визируемый участок в процессе
излучения. Излучение лампы со стеклом ПС-5 и излучение чер-
ного тела при той же температуре имеют одинаковые функции рас-
пределения энергии по спектру в интервале видимого спектра, ис-
пользуемого в монохроматических пирометрах.
При работе с температурной лампой для уменьшения погреш-
ности воспроизведения яркостных (цветовых) температур необхо-
димо делать выдержку времени, указанную в стандарте на по-
верку, после установления нового значения тока в лампе. Лампы
изготавливают в соответствии с ГОСТ 14008—82, СТ СЭВ
1061—78 для видимой части спектра, инфракрасной и ультра-
фиолетовой.
Температурные лампы — основной тип образцового прибора
для оптической пирометрии. Каждая температурная лампа граду-
ируется индивидуально в соответствии с требованиями ГОСТ
8.155—75 и на каждую выдается свидетельство. В свидетельстве
указывают зависимость силы тока, протекающего через ленту, от
яркостной (цветовой) температуры.
§ 12.2.	Поверка монохроматических пирометров
Пирометры монохроматические с исчезающей нитью накала
образцовые 1 и 2-го разрядов и рабочие прецизионные поверяют
по ГОСТ 8.212—77, пирометры визуальные с исчезающей нитью
общепромышленные — по ГОСТ 8.130—74 и ГОСТ 8335—81.
При проведении поверки общепромышленных визуальных пи-
рометров с исчезающей нитью выполняют следующие операции:
внешний осмотр; проверку уравновешенной подвижной системы
встроенного измерительного прибора; правильности перемещения
реохорда реостата; перемещения объектива и окуляра вдоль оп-
тической оси пирометра; определение основной погрешности и
среднего квадратического значения случайной составляющей ос-
новной погрешности.
Основную погрешность и среднее квадратическое отклонение
случайной составляющей основной погрешности определяют ме-
тодом прямого измерения температуры образцовой температур-
ной лампы на установке УПО-6М2 или подобной ей.
Установка УПО-6М2 смонтирована в виде стола, в средней
части которого находится оптическая скамья с температурной
лампой (иногда со стеклом ПС-5). Лампа укреплена в коретке,
имеющей регулировочные винты поворота, наклона и поперечно-
го перемещения.
Объектив и держатель поверяемого пирометра крепится на об-
щей стойке, на которой их можно наклонять, перемещать в про-
дольном и поперечном направлениях и поворачивать. На столе
238
размещены потенциометр Р363-3, нормальный элемент и изме-
Рис. 12.3. Электрическая схема
установки для поверки моно-
хроматических пирометров
рительная катушка сопротивления.
Полупроводниковый стабилизатор напряжения СНП-40, рас-
положенный на специальной тележке, служит для питания образ-
цовой температурной лампы и регулировки ее тока. Пределы не-
посредственной поверки пирометров по образцовому излучателю
1100—2300 К. Ток температурной лампы изменяется в пределах
6—35 А. Электрическая схема установки представлена на рис.12.3.
Измерительный прибор 1, темпера-
турная лампа 2, катушка 3, источ-
ник питания 6 и реостат 5 вклю-
чены последовательно. Падение на-
пряжения на катушке сопротивле-
ния измеряется образцовым потен-
циометром 4. Образцовая темпера-
турная лампа, имеющая свидетель-
ство включается последовательно
с измерительной катушкой сопро-
тивления R = 0,001 Ом. Образцовый
потенциометр измеряет падение на-
пряжения на катушке с R = 0,001 Ом,
благодаря чему его показания соответствуют току температурной
лампы. Основную погрешность и случайную составляющую основ-
ной погрешности пирометров для шкал в диапазоне температур
от 1100 до 2300 К определяют по образцовой температурной лам-
пе; основную погрешность пирометров в интервале температур от
2300 до 6000 К определяют расчетным методом на основании экс-
периментально найденного значения пирометрического ослабле-
ния А соответствующего светофильтра.
При определении основной погрешности в цепи образцовой тем-
пературной лампы медленно увеличивают силу тока до значения,
соответствующего первой температуре, при которой проводится
поверка. Корректируют значение силы тока после 30 мин выдерж-
ки и вносят в протокол. Реостатом пирометра пять раз уравнива-
ют яркость нити пирометрической лампы с яркостью ленты тем-
пературной лампы, и при этом каждый раз отсчитывают показа-
ния по шкале измерительного прибора пирометра. В пирометрах,
у которых нет встроенного измерительного прибора (ЭОП ЛОП-72
и других), отсчет ведется по прибору, включенному в цепь пиро-
метрической лампы. Нить пирометрической лампы между от-
счетами обязательно попеременно делают ярче и темнее ленты тем-
пературной лампы. Поверку шкалы пирометра производят по
всем числовым отметкам шкалы. Для каждой поверяемой тем-
пературы вычисляют среднее арифметическое отсчетов tcp.
Основную погрешность определяют по формуле
=	—	(12.1)
где Др — среднее арифметическое значение пяти отсчетов; t —
значение температуры, установленной на образцовой температур-
ной лампе.
269
Значение основной погрешности сравнивают с требованиями
ГОСТ 8335—81. Для яркостных температур в интервале 900—
1400 °C среднее квадратическое значение случайной составляю-
щей основной погрешности вычисляют по формуле
§ = 0,05^	(12.2)
i=i
где /?;— разности между максимальными и минимальными пока-
зателями пирометра для пяти измерений, проведенных при по-
стоянных температурах 900; 1000; 1100; 1200; 1300 и 1400 °C (/=
= 1—5). Для пирометров, имеющих шкалу с верхним пределом
измерения выше 2000 °C по данным шкалы для нижнего предела
измерения, составляют график зависимости поправок от темпе-
ратуры.
При определении основной погрешности пирометров с диапа-
зоном измеряемых температур от 2000 до 6000 °C рассчитывают
значение пирометрического ослабления А.
Для светофильтров, расширяющих шкалу до 3200 °C, пиромет-
рическое ослабление А определяют для температур 1800, 1900 и
2000 °C; для светофильтров, расширяющих шкалу до 6000 °C,—
при температурах 2100 и 2200 °C.
Пирометрическое ослабление определяют по формуле
Д =-------!-------------!---- (12 3)
/исп + 273,15 t + 273,15 ’	'
где /исп — показание пирометра по основной шкале с учетом по-
правки, найденной по графику, при введенном соответствующем
светофильтре; т— температура образцовой температурной лампы.
Измерения А проводят при всех температурах, соответствующих
пределу шкалы, и сравнивают с допускаемым значением, указан-
ным в ГОСТ 8.130—74. В соответствии с найденным значением А
для каждой поверяемой точки высокотемпературной шкалы пи-
рометра, кратной 100°С, определяют значение кажущейся яркост-
ной температуры по основной шкале. К полученным значениям
температур по основной шкале прибавляют значение поправок.
С помощью реостата пирометра устанавливают указатель прибо-
па н i значение /исп по основной шкале пирометра, а по высоко-
температурной шкале отсчитывают показания пирометра /п. За-
тем определяют основную погрешность для всех числовых отме-
ток шкалы пирометра и полученные данные сравнивают с допу-
скаемыми значениями.
Пирометры, не имеющие основной шкалы, перед определени-
ем пирометрического ослабления А градуируют при выведенных
поглотителях в интервале температур 800—1400 °C, для чего по-
следовательно с пирометрической лампой включают измеритель-
ную катушку сопротивления и потенциометром измеряют падение
напряжения на ней. Вычисляют силу тока и составляют график
зависимости силы тока в пирометрической лампе от температуры,
который при дальнейшей поверке заменяет шкалу. Измерение и
поверку далее проводят по вышеприведенной методике.
270
§ 12.3.	Поверка преобразователей (телескопов] пирометров
полного и частичного излучения
Рабочие преобразователи пирометров полного излучения пове-
ряют по ГОСТ 8.330—78 методом сличения их показаний с пока-
заниями образцовых термопреобразователей 3-го разряда, кото-
рые в свою очередь поверяют по ГОСТ 8.238—77. Образцовый и
поверяемые преобразователи должны иметь однотипную систему,
обеспечивающую одинаковые закономерности пропускания длин
волн. При поверке преобразователей осуществляют такие опера-
ции поверки, как внешний осмотр и определение основной погреш-
ности.
Для поверки преобразователей пирометров полного излучения
с диапазоном рабочих температур 20—600°С применяют установку
УНТ-74А, а для диапазонов 600—2000 °C — установку типа
УРПТ-2, либо установку УРПД-3.
Установка УНТ-74А выполнена в виде стола, на котором рас-
положены механизм держателей пирометров, потенциометр Р363-3
и автотрансформаторы для грубой и тонкой регулировки тока в
излучателе. Излучатель выполнен на штативе без жесткого креп-
ления к установке. Минимальное расстояние от пирометра до из-
лучателя 0,02 м. Показания поверяемого преобразователя пиро-
метра сличаются с показаниями образцового при визировании те-
лескопов на излучатель. Показатель визирования поверяемых те-
лескопов от 1/100 до 1/5.
Установка УРПТ-2 предназначена для поверки преобразовате-
лей пирометров полного излучения с показателем визирования не
более 1/20. Установка выполнена в виде стойки, на столе которой
расположены механизм держателей преобразователей пиромет-
ров и узел излучателя. Слева установлен потенциометр Р363. Из-
лучателем служит температурная лампа ТРУ 1100-2350. В тумбе
стола размещен стабилизированный источник постоянного тока
СИП-35. Узел излучателя выполнен в виде металлической короб-
ки с отверстием, в котором может перемещаться короткофокус-
ный светосильный конденсор, состоящий из двух плосковыпуклых
линз. Перед конденсором, почти вплотную к нему, попеременно
устанавливают образцовый и поверяемый преобразователи. Уст-
ройство крепления преобразователей состоит из двух держателей,
размещенных на подвижной каретке, которая перемещается в на-
правлении, перпендикулярном к оптической оси, до совмещения
попеременно оси каждого преобразователя с оптической осью ус-
тановки. Это совмещение контролируется фиксатором.
Методика поверки преобразователей на установках УНТ-74А
и УРПТ-2 одинакова.
Методика определения основной погрешности сводится к сле-
дующему: температуру излучателя регулируют так, чтобы ТЭДС
образцового преобразователя отличалась от указанной в свиде-
тельстве для первой поверяемой температуры, соответствующей
указанной в ГОСТ 8.330—78, не более чем на 5 К, а скорость из-
271
менения температуры не превышала 1 К/мин. Образцовый и по-
веряемый преобразователи повременно наводят на излучатель и
измеряют ТЭДС каждого из них. За результат принимают сред-
нее арифметическое значение трех измерений. Значения ТЭДС
для каждой поверяемой температуры определяют по формуле
ДВОВ (О = Добр (О “I- (ДповСр - Добрср),	(12.4)
где Добр — значение ТЭДС образцового телескопа для температу-
ры t, указанное в его свидетельстве; Дпов гр , Добр. — среднее
арифметическое значение трех измерений ТЭДС.
Рис. 12.4. Схема устройства установки УРПД-3
Основную погрешность преобразователя вычисляют по формуле
А/
ПОВ --
Впов ( О £ст( О
Д£Ст(/)/Д/
(12.5)
где Дпов(/)—значение ТЭДС, определенное по формуле (12.4);
Дет.(О —значение ТЭДС по ГОСТ 10627—71 или по НТД на пре-
образователь; i\Ecr(t)/\t — производная, взятая по температуре/.
Основная погрешность Д/пов не должна превышать значений, при-
веденных в ГОСТ 6923—81 или НТД на телескоп конкретного
типа.
Для поверки преобразователей пирометров полного излучения
с диапазоном излучения от 600 °C и выше с показателем визиро-
вания 1/20 и более применяется установка типа УРПД-3, в кото-
рой поверяемый и образцовый преобразователи расположены по
обе стороны излучателя. Поверку проводят методом компаратора,
т. е. ТЭДС поверяемого преобразователя сравнивается с ТЭДС не
образцового, а вспомогательного преобразователя того же типа,
проградуированного предварительно по образцовому преобразо-
вателю, на место которого устанавливается поверяемый.
Установка УРПД-3 (рис. 12.4) включает блок излучателя, дер-
жатели преобразователей 2 и блок управления 3. ТЭДС измеря-
ется потенциометром. Блок излучателя представляет собой кино-
272
проектную лампу 5 с двумя конденсорами 4 и вентилятором 6.
Конденсоры фокусируют излучение в направлении держателей,
расположенных по обе стороны от излучателя.
Поверку производят в следующей последовательности. Образ-
цовый преобразователь 7 закрепляют в одном держателе, а вспо-
могательный 1 — в другом, где в процессе всей поверки он нахо-
дится неизменно. Устанавливают температуру излучателя по об-
разцовому преобразователю (она не должна отличаться более
чем на 5 К от температуры, требуемой для поверки по норматив-
ным данным). Измеряют ТЭДС образцового преобразователя и
разность iXE(t) = ЕВ№— Eo5v без изменения Евсп.
Среднее арифметическое значение &E(t)cv определяют при
каждой поверяемой температуре при ее повышении и понижении.
Вычисляют значение ТЭДС вспомогательного телескопа по фор-
муле
£Всп(о = £0бр(о+дтР.	(12.6)
Образцовый преобразователь заменяют поверяемым и сличают
показания поверяемого и вспомогательного преобразователя, ана-
логично описанному и определяют ТЭДС поверяемого преобразо-
вателя по формуле
Епов (0 - £Всп (О - ЛЕ (/)ПОВср,	(12.7)
где ДД(/)ПОв —среднее арифметическое значение разности
ТЭДС вспомогательного и поверяемого преобразователя. Далее
определяют основную погрешность по формуле (12.5) и делают
соответствующие выводы.
Пирометры частичного излучения (ПЧД) поверяют методом
сличения с однотипными образцовыми преобразователями 3-го
разряда на установках, применяемых для поверки пирометров
полного излучения.
§ 12.4.	Поверка пирометров спектрального отношения
Пирометры спектрального отношения поверяют методом пря-
мого измерения по образцовой температурной лампе или образ-
цовому излучателю черное тело. По образцовым температурным
лампам поверяют пирометры, работающие в видимой и ближней
инфракрасной области спектра. По образцовому излучателю чер-
ное тело — пирометры, работающие в области более 2 мкм.
При поверке пирометров спектрального отношения по МИ
149—78 выполняют внешний осмотр, определяют основную по-
грешность и стабильность градуировочных характеристик.
За основную погрешность пирометра спектрального отношения
принимают разность между цветовой температурой, измеренной
поверяемым пирометром, и цветовой температурой, установлен-
ной по данным градуировки образцовой температурной лампы,
указанных в свидетельстве. Вместо температурной лампы исполь-
зуют модель черного тела, температуру которого определяют по
273
Данным градуировки образцового термоэлектрического преобра-
зователя или образцового оптического пирометра.
Для определения основной погрешности пирометра по образ-
цовой температурной лампе в ней устанавливают ток, соответст-
вующий нижнему пределу измерения поверяемого пирометра. По-
веряемый пирометр фокусируют на рабочий участок ленты образ-
цовой лампы. Измеряют ток образцовой лампы, который должен
Совпадать с указанным в свидетельстве на образцовую лампу в
пределах ±0,001 А.
Поле зрения пирометра перекрывают непрозрачным экраном.
Затем его убирают и снимают показания пирометра. Операцию
проводят три раза и вновь измеряют ток в образцовой темпера-
турной лампе.
Вычисляют среднее арифметическое значение тока в образцо-
вой температурной лампе /Ср и среднее арифметическое показа-
ний пирометра tn.
Описанные измерения проводятся для температур, соответст-
вующим целым сотням градусов от нижнего до верхнего предела
поверяемого пирометра, при повышении и понижении температу-
ры лампы.
Основная погрешность пирометра
А/ = /п-^л,	(12.8)
где /п— среднее арифметическое значение температуры поверяе-
мого пирометра; /л — среднее арифметическое значение темпера-
туры образцовой температурной лампы при повышении и пони-
жении ее температуры. Полученный результат сравнивают с допу-
скаемым значением основной погрешности пирометра и при откло-
нении значений в одной точке поверку осуществляют при той же
температуре повторно.
Пирометр бракуют, если при повторной поверке основная по-
грешность превышает допускаемое значение.
Поверку по излучателю модели черного тела проводят анало-
гично в соответствии с техническими требованиями по эксплуата-
ции излучателя.
ГЛАВА 13
ПРИМЕНЕНИЕ ПИРОМЕТРОВ
Пирометры находят с каждым годом все более широкое приме-
нение в самых различных отраслях промышленности и научных
исследованиях. Причем во многих случаях применение их оказы-
вается не только предпочтительным по сравнению с контактными
средствами измерения температуры, т. е. термометрами, но и един-
ственно возможным.
274
Это прежде всего касается измерения температуры объектов,
контакт с которыми затруднен или невозможен, вследствие дви-
жения объекта (струя металла при выпуске из печи или ковша,
слиток в процессе проката, лопатка вращающейся турбины), его
удаленности или недоступности (линии электропередач, изделия
в вакуумных печах или камерах).
Поскольку пирометры принципиально не имеют ограничения
верхнего предела измерения и не требуют контакта с объек-
том, то они применяются для измерения высоких и сверхвысо-
ких температур (пламена, плазма), для измерения температуры
агрессивных сред (жидкий металл, особенно цветной). Термомет-
ры при таких измерениях теряют свои метрологические свойства
или просто разрушаются.
Применение пирометров предпочтительно в ряде случае при
автоматизации процесса там, где необходим непрерывный конт-
роль температуры, при измерении температуры в быстропротека-
ющих процессах (взрыв, вспышка, импульсный нагрев), так как
постоянная времени фотоэлектрических приемников излучения
чрезвычайно мала и это делает пирометрический контроль прак-
тически безынерционным.
И, наконец, пирометры необходимы в тех случаях, когда недо-
пустимо искажение температурного поля объекта, которое может
произойти в результате контакта термометра с объектом измере-
ния. Это элементы микросхем, биологические объекты и т. п. При
необходимости иметь картину температурного поля объекта (тер-
мограмму) незаменимы сканирующие пирометры (тепловизоры).
§ 13.1. Измерение температуры в металлургии
Измерение температуры играет ключевую роль в самых раз-
личных видах производств как черной, так и цветной металлур-
гии.
Доменное производство — основа черной металлургии. Одним
из важнейших факторов, влияющих на качество и эффективность
доменного процесса, является температура жидких чугуна и шла-
ка. Контролировать температуру при управлении доменным про-
цессом часто оказывается более удобным, чем другие параметры.
При этом к точности и надежности измерений температуры предъ-
являются высокие требования. Пирометры в доменном процессе
применяют для измерения температуры жидкого чугуна при выпу-
ске из печи, для измерения температуры фурменной зоны, а в
последнее время и для измерения температуры горячего дутья.
Наиболее пригодны для измерения температуры чугуна на выпу”
ске из доменной печи фотоэлектрические монохроматические пи-
рометры и пирометры спектрального отношения. В отечественной
практике для этой цели применяют пирометр ФЭП-4 и ря^ пиро-
метров спектрального отношения. Например, на Магнитогорском
металлургическом комбинате для измерения температуры жидко-
го чугуна на двух доменных печах использовали пирометры спек-
275
трального отношения «Спектропир-10», показания которых конт-
ролировались термопарами ПР 30/6. Расхождение между показа-
ниями пирометров и термопары не превышало ±20 °C. Бурый дым
высокой плотности оказывает влияние на показание пирометра
спектрального отношения, однако значительно меньшее (в 5—8
раз), чем на показания пирометра энергетического типа. Практи-
ка показала, что целесообразно применить интегрирование выход-
ного сигнала пирометра (оптимальное время интегрирования по-
рядка нескольких минут).
В США, Франции и Италии применяют фотоэлектрический пи-
рометр Spectray-65 фирмы Leeds-Northrup, в ФРГ пирометр спек-
трального отношения Ardocol (фирма Siemens). Погрешность из-
мерения при этом составляет примерно ±(20—30) °C.
Фурменная зона—основной очаг выделения тепла в доменной
печи. В очаге горения перед фурмами находятся твердый кокс,
жидкие чугун и шлак, а также газообразные продукты горения
кокса. Излучательная способность
очага фурменной зоны близка (с точ-
ностью ±5%) к единице в диапазоне
0,5—2,5 мкм. Поэтому для измерения
температуры в этом случае удобно
использовать пирометры энергетиче-
ского типа. Например, пирометр ча-
стичного излучения «Фурмопир» с
Si-фотодиодом в качестве приемника
излучения. Пределы измерения пиро-
метра 1600—2100 °C, показатель ви-
зирования 1/50, основная погрешность
±0,6%. Пирометры заменяют термо-
пары также при измерении температу-
ры горячего дутья. Раньше эта темпе-
ратура измерялась нихром-никелевы-
ми и платинородий-платиновыми тер-
мопарами. Однако в связи с тенденци-
Рис. 13.1. Измерение температуры дутья в до-
менных печах:
1 — пирометр; 2 — защитная арматура; 3 —визирная
труба; 4 — визируемый полый кирпич
ей к увеличению температуры дутья применение термопар стано-
вится экономически неоправданным. На рис. 13.1 показано уст-
ройство для измерения температуры дутья в доменных печах. В
стенку воздуховода установлен пустотелый кирпич, торцевая по-
верхность которого выступает над поверхностью обмуровки. На
эту поверхность визируется пирометр, установленный на наружной
поверхности воздуховода. Коэффициент излучения визируемой пи-
рометром поверхности близок к единице, поэтому используется
пирометр полного излучения.
Контроль температуры чугуна имеет столь же большое значе-
276
ние и в литейном производстве. Наиболее распространенным на
сегодняшний день плавильным агрегатом остается вагранка. При
выпуске чугуна из вагранки или копильника, при заливке из ков-
ща в формы контролируют температуру струи металла. В боль-
шинстве случаев для контроля используют пирометры частичного
излучения с Si-фотодиодами. При измерении струи чугуна на по-
казания пирометра заметно влияют шлаковые включения, появ-
ляющиеся в поле зрения прибора и занижающие результат изме-
рения. Чтобы избавиться от этого влияния и в известной мере от
дыма визируют струю металла снизу (рис. 13.2). Если это по ка-
ким-либо соображениям неудобно или невозможно, то следует
применять запоминание максимального значения температуры за
определенный промежуток времени, для чего пирометры системы
АПИР-С снабжены блоком запоминания. Период запоминания под-
бирают эмпирически соответствующей рукояткой настройки бло-
ка запоминания.
Рис. 13.2. Измерение температуры
струи металла при выпуске из печи:
1 — желоб; 2 — визирная труба; 3— дат-
чик пирометра
Рис. 13.3. Измерение температуры ван-
ны металла с использованием визир-
ной трубы:
/ — датчик пирометра; 2 — калильный
стакан
Соблюдение температурных условий разливки — основное ус-
ловие получения качественных изделий и предотвращения брака.
Так, для ковкого чугуна допустимые пределы колебания темпера-
туры при разливке составляют 1470—1490 °C. Строгое соблюдение
температуры разливки позволило, например, на заливке блоков
цилиндров автомобильных двигателей сократить брак с 22 до 8%.
Для измерения температуры ванны жидкого металла в ковше
или вагранке применяют метод визирной трубы с закрытым кон-
цом (калильный стакан). Суть метода заключается в том, что
пирометр визируют на дно трубы, погружаемой в металл (рис.
13.3). Хотя труба контактирует с расплавом и к ее стойкости
предъявляются такие же требования, как к наконечнику термо-
277
пары, однако выбор материалов шире. Труба из смеси графита с
ZrO2 выдерживает погружение в жидкий чугун 2,5 ч. Этот метод
устраняет влияние на показания пирометра шлака и окисных пле-
нок на поверхности металла и, что самое главное, при этом со-?
здаются условия излучения черного тела. Степень приближения
к черному телу зависит от конструктивных размеров трубы и глу-
бины погружения. В этом случае можно использовать любые пи-
рометры энергетического типа, но чаще пирометры полного излу-
чения.
В сталеплавильном производстве, при выплавке стали в мар-
теновских печах или конверторах необходимы измерения темпе-
ратуры по ходу плавки, при выпуске и разливке.
Применение термопар для измерения жидкой стали ограничи-
вается высокой температурой (1400—1700°С) и большой химиче-
ской активностью расплава. Для пирометров же эти факторы не
имеют значения, но при их применении возникают затруднения,
связанные в основном с селективностью излучения стали. Тради-
ционно для измерения температуры стали при выпуске и разлив-
ке используют визуальные монохроматические пирометры. Одна-
ко их точность, во-первых, сильно зависит от индивидуальных
свойств зрения и опыта пирометриста, во-вторых, измеренная яр-
костная температура сильно отличается от действительной темпе-
ратуры стали. Введение поправки недостаточно надежно вследст-
вие значительного разброса значений коэффициента излучения
стали, который во многом зависит от наличия поверхностной
пленки окислов. Поэтому для контроля температуры стали при-
менять пирометры спектрального отношения. Это вызвано тем, что
отличие истинной температуры стали от цветовой температуры,
как правило, меньше, чем от яркостной температуры. Например,
для углеродистой стали при температуре 1500 °C, ее цветовая тем-
пература (длины волн 0,53 и 0,65 мкм) равна 1537°C, яркостные
температуры при тех же длинах волн 1350 и 1390 °C соответст-
венно.
Необходимая точность измерения температуры диктуется тех-
нологическими требованиями. Прежде всего, должна быть исклю-
чена аварийно-холодная разливка и обеспечено необходимое ка-
чество слитков (отсутствие определенных дефектов поверхности
и структуры слитков). Для этого выпуск и разливка стали долж-
ны осуществляться в определенных температурных пределах.
Исследования показали (по количеству брака на блюминге),
что, например, интервал оптимальной температуры при выпуске и
разливке должен составлять 20—25 °C для углеродистых сталей
с содержанием углерода 0,1—0,4 % и 40 °C — для сталей с со-
держанием углерода 0,5 %. Отсюда вытекает необходимая погреш-
ность измерения температуры. Увеличение погрешности сужает
допустимый уровень колебания температуры выпуска или раз-
ливки.
Погрешность применяемого прибора должна позволять выпу-
скать плавку при температуре, близкой к нижнему пределу тем-
278
пературы выпуска. Это позволит экономить на продолжительно-
сти плавки и расходе топлива, уменьшить износ огнеупорной
кладки печи. В противном случае сталевар должен перегревать
металл с учетом неточности определения температуры.
Контроль температуры сводов мартеновской печи, как прави-
ло, проводят пирометрами полного излучения, хотя в отдельных
случаях можно использовать и пирометры спектрального отноше-
ния. Последние хотя и сложнее, но значительно меньше реагиру-
ют на размеры поля зрения (маскирование смотрового отверстия
сталактитами), на запыленность оптики.
Пирометрами также контролируют температуру в процессе не-
прерывного литья заготовок. В машинах непрерывного литья за-
готовок (МНЛЗ) необходим прежде всего контроль температуры
в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения. Движение
слитка затрудняет применение контактных методов. Температуру
по периметру слитка следует измерять в нескольких зонах: не-
посредственно за кристаллизатором (1200—1400°C), в зоне вто-
ричного охлаждения (1000—1200°C) и между валками в двух-
трех сечениях по длине слитка (600—1000°C). При этом к конт-
ролю температуры сразу за кристаллизатором предъявляются на-
иболее жесткие требования по точности и быстродействию, так
как перегрев и, как следствие, прорыв жидкого металла — это
аварийная ситуация. Условия измерения температуры на МНЛсГ
характеризуются, прежде всего, наличием в промежуточной среде
большого количества паров воды. Поэтому наиболее оптимальным
для измерения является интервал 0,7—1,1 мкм, характерный для
пирометров с Si-фотоприемником. Можно использовать и соответ-
ствующие пирометры частичного излучения, либо пирометры
спектрального отношения.	।
। Широко применяются пирометры й в прокатном производстве.
Повышение производительности прокатного оборудования и улуч-
шение качества проката связано с автоматизацией процесса, что
позволяет обеспечить наименьшие допуски, сократить разнотол-
щинность катаного листа. Условия работы пирометров на прокат-
ных станах достаточно тяжелые, так как на их показания влияют
водяной пар, частицы воды и окалина, которая, имея более низ-
кую температуру чем металл, попадает в поле зрения пирометра
и занижает его показания. Для того, чтобы устранить влияние
воды, лучше всего использовать спектральную область кремние-
вых фотоприемников. Пирометры спектрального отношения с та-
кими приемниками практически не ощущают воздействия воды и
ее паров. При использовании фотодиодных пирометров необходи-
мо применять отдув водяной пыли, однако и это не устраняет
искажения показаний прибора. Сравнение на блюминге показало,
что фотодиодный пирометр дает показания на 10—40 °C ниже,
чем пирометр спектрального отношения. Чтобы исключить влия-
ние окалины, находящейся на поверхности слитка, используют за-
поминание максимального значения температуры, соответствую-
щего температуре металла.
279
В цветной металлургии для металлов характерны более низ-
кий диапазон температур, меньший коэффициент излучения объ-
екта, большая агрессивность среды.
При выплавке цветных металлов в большинстве случаев тем/-
пературу измеряют периодически с помощью термопар. Однако
желателен точный и непрерывный контроль температуры, напри-
мер, при рафинировании меди, так как по технологическим причи-
нам разлив металла производится в узком интервале температур.
Применение пирометров в таких случаях весьма целесообразно,
но ограничивается из-за низкого коэффициента излучения метал-
ла. Например, для меди в диапазоне температур 900—1250°С ин-
тегральный коэффициент излучения равен 0,16—0,13, а спектраль-
ный 0,165—0,128 при А,=0,65 мкм.
При горячей прокатке меди и ее сплавов температура также
является одним из определяющих параметров процесса. Расчет и
эксперименты показывают, что контроль температуры каждого
слитка и соответствующая корректировка обжатия валков обес-
печивает сокращение разного лщинности катаных полос в 1,5—2
раза.
Как показал опыт, температуру движущихся слитков в диапа-
зоне 650—1000 °C лучше всего измерять пирометрами частичного
излучения с Si и Ge-фотодиодами в качестве приемников излуче-
ния. Испытания пирометров с Ge-фотодиодом (градуировка по об-
разцам меди и латуни) на стане горячей прокатки 800 показали,
что общая погрешность измерения температуры слитков не пре-
вышала 1,5%. Пирометр устанавливали после щеточной машины,
очищающей поверхность слитка от окалины и загрязнения, а по-
казания контролировали штыревой термопарой ХА.
Не менее важное значение имеет, например, контроль темпе-
ратуры заготовок из алюминиевых сплавов перед прессованием.
Скорость прессования зависит от температуры заготовки. При
этом максимальную скорость прессования можно обеспечить, если
температуру заготовки на выходе из нагревательной печи выдер-
живать равной некоторому оптимальному значению. Всякое от-
клонение от этого значения снижает скорость прессования, и,сле-
довательно, производительность оборудования.
При работе с алюминием и его сплавами следует учитывать,
что при малых коэффициентах излучения алюминия (они могут
достигать значения 0,05—0,1) и низких рабочих температурах
200—500 °C возможна значительная погрешность из-за отражен-
ного света. Коэффициент излучения слитков может сильно ме-
няться в зависимости от состояния поверхности, что также влия-
ет на показания пирометра.
Для выбора лучшего с этой точки зрения пирометра в завод-
ских условиях испытывали пирометры трех типов: пирометр пол-
ного излучения РАПИР, пирометр частичного излучения с Ge-
фотодиодом и пирометр спектрального отношения с рабочими дли-
нами волн 1,5 и 1,86 мкм. Испытания показали, что наибольшее
влияние состояние поверхности слитков оказывает на показания
280
пирометра полного излучения, расхождение достигало 120 °C, для
пирометра частичного излучения — 40 °C, а для пирометра спект-
рального отношения не превышало 10°С.
§ 13.2.	Измерение температуры в промышленности
строительных материалов
В промышленности строительных материалов пирометры ис-
пользуют при производстве цемента и стекла.
Вращающаяся цементная печь представляет собой медленно
вращающийся наклонный цилиндр длиной от 150 до 230 м и диа-
метром от 3,5 до 7 м. С верхнего конца печи поступает исходный
материал (пульпа, порошок), на нижнем конце расположены
форсунки. С точки зрения технологии чрезвычайно важен конт-
роль температуры в зоне спекания, так как ее температурный ре-
жим связан с качеством клинкера, для контроля применяются пи-
рометры полного излучения и пирометры спектрального отно-
шения.
Характерная особенность цементной печи — наличие пыли в
атмосфере печи, поскольку вдуваемый обратно в печь теплый воз-
дух несет большое количество пыли от сухих окатышей. Запылен-
ность заметно сказывается на показаниях пирометров энергети-
ческого типа. Так, сравнение пирометра полного излучения типа
Ardometer и пирометра спектрального отношения Ardocol фирмы
Siemens, показало, что расхождение в их показаниях достигло
200—270°C и уменьшалось с ростом температуры и уменьшени-
ем содержания пыли.
Вторая существенная особенность вращающейся цементной пе-
чи как объекта измерения — наличие пламени, которое может по-
падать в поле зрения пирометра. Избавиться от него на практике
весьма сложно. Влияние такого пламени, обычно имеющего высо-
кую цветовую температуру и малую интенсивность излучения,
сильнее сказывается на показаниях пирометра спектрального от-
ношения и меньше на показаниях пирометров энергетического ти-
па. Например, показания пирометра Ardocol увеличиваются в этом
случае примерно на 200 °C, в то время как пирометра Ardometer
только на 50 °C.
В СССР для цементных печей разработан пирометр спект-
рального отношения «Спектропир-4». В соответствии с характе-
ром процесса обжига и условиями измерения быстродействие пи-
рометра должно быть порядка нескольких минут. «Спектропир-4»
снабжен для этого специальным блоком интегрирования.
Иногда предпочитают контролировать температуру внешней
поверхности печи с помощью сканирующих пирометров, измеря-
ющих профиль температур вдоль всей печи, что позволяет эффек-
тивно контролировать состояние футеровки печи.
В стекольной промышленности температура также является
одним из основных параметров технологического процесса. При
этом важное значение имеет не только температура стекломассы
или изделия, выходящего из стеклоформующих машин, но и тем-
19-1973
281
пература узлов и деталей этих машин, а также температура по-
верхности стекловаренной печи. Измерение температуры поверх-
ности печи, особенно на уровне зеркала стекломассы, позволяет
контролировать износ огнеупоров, тем самым предотвращая ава-
рийную ситуацию, и за счет своевременного «горячего» ремонта
продлевать срок службы печи. Значительное влияние на качество
изделий, выходящих из стеклоформующих машин, оказывает тем-
пература форм (рабочей и наружной их поверхности). Использо-
вание контактных методов для измерения температуры форм не-
Рис. 13.4. Зависимость Коэффициентов пропускания и отражения
стекла от длины волны:
/ — пропускание стекла; 2 — отражение стекла
ремещается или вращается со сравнительно большой скоростью.
Контроль температуры капли стекломассы на выходе из питате-
ля— один из ключевых в стекольном производстве. Измерение
температуры капли стекломассы позволяет подобрать и поддер-
живать оптимальную (обычно в диапазоне 1200—1500 °C) тем-
пературу стекломассы в момент ее поступления в форму для вы-
работки изделия.
Температуру футеровки стекловаренной печи, пресс-формы при
прессовании изделий из стекла, массы стекла в питателе можно
измерять обычными пирометрами полного излучения или пиро-
метрами частичного излучения, например, с Si-фотодиодом. Одна-
ко измерение температуры открытой поверхности стекла имеет
свою специфику, связанную с прозрачностью стекла в видимой и
ближней ИК-области вплоть до 3,5—4 мкм. На рис. 13.4 при-
ведена кривая пропускания оконного стекла толщиной 6 мм.
Из рисунка видно, что после 8 мкм растет коэффициент отраже-
ния стекла. Поэтому для измерения температуры стекла при тол-
щине до 50 мм целесообразно использовать спектральный интер-
вал от 4 до 8 мкм. К таким случаям относится измерение темпе-
282
ратуры капли стекломассы на выходе из питателя или листового'
стекла при отжиге.
Некоторые специалисты считают, что оптимальным является
более узкий спектральный интервал от 4,8 до 5,6 мкм, так как в
более коротковолновой области сказывается поглощение СО2
(4,3—4,6 мкм), а в более длинноволновой (5,5—8 мкм)—погло-
щение парами воды.
В СССР специально для стекольной промышленности разра-
ботаны несколько типов пирометров, в том числе пирометр ПС-1
на основе серийного пирометра полного излучения РАПИР. Теле-
скоп ТЕРА-50 снабжен фильтром, выделяющим спектральную об-
ласть 5,0—7,5 мкм. Разработан также фотоэлектрический пиро-
метр частичного излучения с диапазоном измерения 150—1800°C
(четыре диапазона). В качестве приемника излучения использован
PbS-фоторезистор (тип ФСА-I). Рабочий спектральный диапазон
1,3—3,5 мкм, допускаемая погрешность не превышает 1,5 %, вос-
производимость показаний 1—3°С.
В стекольной промышленности можно применять также пиро-
метры системы АПИР-С: серийно выпускаемые пирометры полно-
го излучения ППТ и частичного излучения ПЧД, а также пиро-
метры «Смотрич».
За рубежом для измерения температуры стекла широко ис-
пользуются специальные стационарные и переносные пирометры
фирмы «Land» (Англия).
§ 13.3.	Измерение температуры тонких нитей и проволок
При изготовлении проволоки температурный контроль необхо-
дим прежде всего при волочении. Он обеспечивает оптимальные
условия волочения и требуемые механические свойства проволо-
ки. Большое значение имеет температурный контроль в процессе
покрытия проволоки, например, при покрытии стальной проволо-
ки медью или алюминием, так как только строгое соблюдение
температурного режима обеспечивает высокое качество покрытия.
Измерение температуры проволоки эффективно при проверке из-
готовленной проволоки на неоднородность или какие-либо дру-
гие дефекты. При этом через проволоку пропускают ток и выяв-
ляют зоны с аномальной температурой, что позволяет определить
места дефектов.
Бесконтактный метод — наиболее подходящий метод измере-
ния температуры движущихся в процессе волочения проволок
особенно при высоких скоростях волочения, так как обеспечива-
ет необходимую непрерывность и безынерционность контроля тем-
пературы. Температурный контроль проволок должен осуществ-
ляться в различных процессах в диапазоне примерно от 50 до
2000 °C. Следует отметить, что диапазон коэффициентов излуче-
ния материала велик, так как для изготовления проволоки ис-
пользуются самые различные металлы и сплавы.
Особенность проволоки, как объекта измерения, заключается
19:
283
прежде всего в ее относительно небольших линейных размерах в
поперечном направлении, поэтому мощность излучения проволо-
ки, попадающая на приемник излучения, невелика. Эта особен-
ность предъявляет определенные требования к оптической схеме
пирометра, предназначенного для измерения температуры прово-
локи. Оптическая система пирометра должна сконцентрировать
максимальное количество энергии излучения на приемник излу-
чения, который также должен отвечать определенным требова-
ниям. Один из вариантов решения этой проблемы — применение
так называемой цилиндрической оптики. Цилиндрические линзы
имеют меридиональный размер в несколько раз больше сагги-
тального, что хорошо сочетается с характером объекта, протя-
женного по длине и небольшого в поперечном направлении. При
этом приемник излучения и объект измерения располагают парал-
лельно образующей линзы. Здесь можно получить освещенность
в несколько раз большую, чем от сферической линзы. По такой
схеме был разработан пирометр «Пиронит-015», позволяющий
обеспечить измерение температуры проволоки диаметром 0,3—
3 мм в диапазоне от 200 до 1000 °C. Однако для проволок мень-
ших диаметров такая схема не годится. Как только изображение
объекта не будет перекрывать поле зрения пирометра, то показа-
ния его будут зависеть и весьма существенно от размеров (диа-
метра) проволоки. В этом случае можно рекомендовать использо-
вать пирометры спектрального отношения с большим динамиче-
ским диапазоном, т. е. позволяющие работать в большом диапа-
зоне изменения яркости объекта, так как изменение толщины про-
волоки будет восприниматься пирометром как неселективное ос-
лабление яркости. Нижний предел измерения таких пирометров
составляет 200—300 °C.
Для измерения температуры проволоки в широком диапазоне
толщин и материалов, а также при более низких температурах
эффективен метод цилиндрической полости. Суть его состоит в
Рис. 13.5. Функциональная схема пирометра
для измерения температуры движущейся
проволоки
том, что проволока движет-
ся внутри полости практи-
чески черного тела. На при-
емник излучения с по-
мощью колеблющегося зер-
кала попадает поперемен-
но излучение стенки поло-
сти и проволоки. Наличие
переменной составляющей
сигнала приемника излуче-
ния указывает на различие
их температур, отсутст-
вие — говорит об их равен-
стве, которое достигается изменением температуры черного
тела. На рис. 13.5 приведена принципиальная схема такого
пирометра. В качестве приемника излучения использован пи-
роэлектрический детектор 1 (рабочая спектральная область
284
0,6—35 мкм). Черное тело 4 представляет собой медный цилиндр,
покрытый изнутри черным лаком, длиной 25 и внутренним диамет-
ром 4 см. Через отверстие в стенке цилиндра плоское зеркало 2,
приводимое в действие от небольшого синхронного двигателя
(10 об/мин), направляет излучение на неподвижное сферическое
зеркало 5, которое концентрирует пучок на приемнике излучения.
Прибор позволяет измерять температуру проволок диаметром от
0,4 до 1 мм в диапазоне 50—300°C. Испытания пирометра камед-
ной проволоке диаметром 0,6 мм при 80 °C показали, что порог
чувствительности прибора составляет 1 °C. При увеличении часто-
ты осцилляции плоского зеркала его можно довести до 0,1 °C. Та-
ким пирометром можно измерять температуру стеклянных нитей
и капилляров, а также температуру нитей из других синтетических
материалов. Рассматриваемый метод может быть также реализо-
ван с помощью цилиндра с хорошо отражающей внутренней по-
верхностью, по образующей которого расположена термобатарея
в качестве приемника излучения.
При исследованиях, в лабораторных условиях, когда проволо-
ка неподвижна, ее температуру можно измерять визуальными
микропирометрами такими, как ОМП-054, ЛМП-066 или ВИМП-
015. Можно применять и обычные визуальные пирометры, если
использовать метод сравнения. Суть его заключается в том, что
тонкая проволока рассматривается на фоне нагреваемой плоской
поверхности, например, ленты вольфрамовой лампы или нихромо-
вой ленты. Меняя ток, нагревающий ленту, добиваются, чтобы
проволока «исчезла» на фоне ленты. При этом яркостные темпе-
ратуры обоих объектов будут одинаковы и измерение не представ-
ляет трудностей.
Специальную установку для измерения температуры проволо-
ки, основанную на этом принципе, разработала фирма «Heimann»
(ФРГ). В установке используются два объективных пирометра
типа КТ-13, один из которых визирует првволоку, а другой фон.
Разность выходных сигналов обоих пирометров управляет нагре-
вом электропроводящей поверхности, служащей фоном.
Укажем еще на одну особенность проволоки, как объекта из-
мерения. Обычно при волочении проволока не только движется
в продольном направлении, но и смещается в поперечном направ-
лении (вибрирует), выходя из поля зрения прибора. Это может
иметь нежелательные последствия особенно, если пирометр слу-
жит датчиком системы регулирования, следовательно, прибор дол-
жен еще и «следить» за проволокой. Для этого конструируют при-
боры с «плавающим» полем зрения, используя, как правило, ко-
леблющуюся полевую диафрагму, причем амплитуда ее переме-
щения соответствует допуску на размах колебаний проволоки.
Интересно отметить, что сходная проблема возникает при кон-
троле температуры сварного шВа труб, так как объект по своим
свойствам сходен с тем, что мы рассматриваем. В этом случае
также необходимы пирометры с «плавающим» полем зрения, по-
зволяющим следить за смещением объекта. На рис. 13.6 приведе-
285
на схема, иллюстрирующая применение пирометра, контролирую-
щего температуру сварного шва, в качестве датчика системы ав-
томатического регулирования сварочного генератора.
Рис. 13.6. Применение пирометра для контроля темпе-
ратуры сварного шва при автоматической сварке труб:
I — фотоумножитель, 2 — датчик пирометра, 3— обжимаю-
щие валки, 4 — электронный блок; 5 — индукционная катушка;
6 — ВЧ-геиератор, 7 — объектив
§ 13.4.	Измерение температуры пламен
При исследовании процессов горения, для поддержания их оп-
тимальных условий необходимо измерение температуры пламени.
Пламя представляет собой весьма сложный объект измерения
вследствие сложности происходящих при горении физико-хими-
ческих процессов и самой структуры пламени.
Пламена разделяются на два вида: светящиеся и несветящи-
еся. Первые часто называют еще сажистыми или коптящими
вследствие частиц сажи, находящихся во взвешенном состоянии
в факеле, вторые—прозрачными, вследствие отсутствия сажис-
тых частиц. Свойства этих пламен различны, отличаются и мето-
ды измерения их температуры.
Светящиеся или сажистые пламена образуются при сгорании
топлива, в состав которого входят углеводороды, при недостатке
кислорода или при недостаточном перемешивании. Частицы угле-
рода (сажи), содержащиеся во взвешенном состоянии в таком
пламени имеют размеры долей микрометра (по одним данным
0,005—0,08 мкм, по другим 0,1—0,3 мкм). Из-за малого размера
частицы обладают высоким коэффициентом конвективной тепло-
отдачи, вследствие чего температура частиц сажи с точностью до
286
.долей градуса равна температуре окружающего их газа. Нахо-
дящиеся в пламени частицы сажи излучают, как твердые тела,
т. е. обладают сплошным спектром излучения с довольно высо-
ким коэффициентом излучения. Однако спектр излучения откры-
тых сажистых пламен не носит «серого» характера, так как на
•спектр излучения твердых частиц накладывается спектр рассея-
ния, что придает излучению такого пламени селективный харак-
тер.
Пламена, образующиеся при горении в закрытом объеме при
большом давлении, как правило, имеют поглощение, независимое
ют длины волны и близкое к единице. К таким пламенам приме-
нимы обычные пирометрические методы, т. е. для измерения их
температуры могут применяться как энергетические пирометры,
так и пирометры спектрального отношения. Практически, такая
возможность встречается также в больших промышленных печах
и котельных топках, работающих на тяжелых горючих, таких
как мазут, пылевидное топливо и т. п. Для открытых техниче-
ских пламен, поглощение которых зависит от длины волны, эти
пирометры могут быть применены при условии одновременного
определения коэффициента излучения пламени. Если не вводить
поправку на коэффициент излучения, то методическая погреш-
ность, т. е. разность между измеряемой условной и истинной тем-
пературами, может составить сотни градусов для монохроматиче-
ских пирометров и десятки градусов для цветовых.
Один из наиболее распространенных методов измерения тем-
пературы пламен — метод лучеиспускания и поглощения, предло-
женный Г. Рибо, который также называют методом выравнивания
яркости. Это компенсационный метод, использующий вспомога-
тельный источник излучения. Суть метода заключается в том, что
пламя просвечивается этим источником, например, ленточной лам-
пой, меняя накал которой добиваются, чтобы ее яркость, видимая
сквозь пламя, была равна яркости вне пламени. Можно показать,
что при этом яркостная температура лампы Тял равна истинной
температуре пламени Тя.
Условие вышеупомянутого равенства можно записать следую-
щим образом: Ei = E2 + Li(1— а), где Li — яркость ленточной лам-
пы вне пламени; L2—яркость пламени; а — коэффициент погло-
щения пламени. Отсюда aLt = L2 или, учитывая справедливость
закона Кирхгофа, (а = е), eLi = L2.
Выразим яркость пламени через яркость черного тела и коэф-
фициент излучения пламени, т. е. £2=еЕ°тп. Тогда предыдущее
равенство можно записать как Ц = Ь°Т . Поскольку яркость мож-
но выразить формулой Планка (Вина), в которой вместо истин-
ной температуры Т будет яркостная температура Тя, то ЕотЯ1 =
= Л °т Отсюда следует, что Тял — Тя, т. е. яркостная температура
лампы равна истинной температуре пламени.
При измерении этим методом обычно с помощью линзы на
пламя проецируют изображение ленты лампы, которое визируется
287
сквозь пламя монохроматическим пирометром. Меняя накал лам-
пы, определяют зависимость яркостной температуры от тока лам-
пы. Полученную кривую накладывают на градуировочную кривую
той же лампы. Точка пересечения кривых дает истинную темпера-
туру пламени.
По схеме, представленной на рис. 13.7, можно одновременно
визировать ленту лампы вне пламени и сквозь пламя, используя
визуальный монохроматический пирометр. Изменяя накал лампы,
уравнивают яркости обоих изображений; измеренная при этом
яркостная температура равна температуре пламени. Очевидно
возможны самые различные варианты конкретной реализации
данного метода. Например, при использовании двух объективных
монохроматических пирометров, один из которых визирует лен-
Рнс. 13.7 Измерение температуры пламени с одновре-
менным визированием просвечивающего источника
сквозь пламя и вне его
ту лампы сквозь пламя, а другой вне его, разность их выходных
сигналов может управлять накалом лампы. Инструментальная по-
грешность метода зависит от точности фиксации момента равен-
ства яркостей и связана с коэффициентом излучения пламени.
В 1947 г. И. И. Киренков предложил метод, в котором не тое-
бовалось производить выравнивание яркостей. Температуру пла-
мени (Тп) при этом рассчитывают по измеренным яркостным т< м-
пературам ленты (Л), пламени (Тг) и ленты сквозь пламя (7з).
Формула для расчета Та имеет вид
7,п-1 = Л-1 + — 1пе,
са
где е — коэффициент излучения пламени; с2— постоянная излуче-
ния; А— длина волны;
е находят из соотношения L3 = L2+Ti(1 — a), Lif Lz> L3— ярко-
сти, соответствующие температурам Т\, Т2, Т3, т. е. е = а—(7-1 +
+ 7-2— L3)ILi.
Такой метод более удобен при измерении быстроменяющихся
температур, а также в случае отсутствия необходимого вспомо-
гательного источника излучения, позволяющего выравнивать яр-
кости.
Иногда применяют упрощенную модификацию этого метода,
заменяя просвечивающий источник зеркалом. В этом случае изо-
288
бражение пламени в зеркале служит источником сравнения. Ме-
тод прост, но точность его не велика.
Несветящиеся или прозрачные пламена образуются при пол-
ном сгорании топлива, твердые взвешенные частицы сажи в та-
ком пламени отсутствуют. Спектр излучения таких пламен опре-
деляется спектром собственного излучения газов и имеет харак-
тер линий и полос в узких спектральных участках. В ультрафио-
летовой и видимой области спектра он определяется излучением
образующихся при горении неустойчивых радикалов СН, ОН,
Н2, С2, а в ближней инфракрасной области — излучением основ-
ных продуктов сгорания СО2, О2, N2, Н2О. На рис. 13.8 изобра-
жен спектр ИК-излучения типичных молекул газообразных про-
Рис. 13 8. Типичный спектр газообразных продук-
тов сгорания в прозрачных пламенах
дуктов сгорания и спектр излучения черного тела. Отсутствие
сплошного спектра у прозрачных пламен требует и особых прие-
мов при измерении их температуры. Для этой цели можно исполь-
зовать собственное излучение продуктов сгорания, например, СО2
(линии 2,7 и 4,3 мкм), поскольку излучение таких пламен в ИК-
области имеет тепловую природу, в отличие от УФ-области, где
излучение может быть вызвано хемилюминесценцией, т. е. носить
нетемпературный характер.
При этом для измерения температуры можно использовать мо-
нохроматические ИК-пирометры с весьма узким рабочим спект-
ральным участком (не превышающим ширины выбранной линии),
но если не вводить поправку на коэффициент излучения е, то ме-
тодическая погрешность будет недопустимо велика, так как е та-
ких пламен, например, для Х = 2,7 мкм равен 0,05—0,3.
Таким образом, для определения температуры пламени необ-
ходимо вводить поправку на е пламени или применять метод вы-
равнивания, используя те же линии. При этом линии СО2 будут
наблюдаться в форме пиков на сплошном фоне. Инструменталь-
289
ная погрешность метода при точности уравнивания 1 % и е = 0,05
для Х = 2,7 мкм составит 50 К при температуре пламени 2000 К и
20 К при 1000 К. Еще более удобен в данном случае метод Кирен-
кова. На рис. 13.9 приведена блок-схема монохроматического ИК-
пирометра, который применял Р. Турин для измерения темпера-
туры различных прозрачных пламен. Излучение от источника'
сравнения И с помощью плоского и сферического зеркал Зг и 32:
направляется через пламя на систему зеркал 3$— 35, которая на-
правляет луч в монохроматор 1, за которым расположен детек-
тор 2 и усилитель 3. Особенность пирометра заключается в том, что
он снабжен двумя модуляторами и М2. Mi — модулирует из-
лучение от источника сравнения И, второй модулятор Л42 поме-
Рис. 13.9. Блок-схема ИК-пирометра для измерения тем-
пературы прозрачных пламен:
1 — монохроматор; 2 — приемник излучения; 3 — усилитель;
4 — самопишущий прибор
щен в фокусе зеркала З3 между зеркалами 3± и Зз. Наличие двух
модуляторов позволяет разделить сигналы, связанные с излуче-
нием пламени и сигналы от источников сравнения. При измерении
яркости пламени перекрывает поток от И, а ЛЕ модулирует-
только собственный поток излучения пламени. В тот момент, ког-
да работает Mi, на приемник 2 поступает модулированное излуче-
ние И, ослабленное пламенем, и постоянное немодулированное-
излучение пламени (М2 в этот момент не работает). При этом на
выход усилителя 4 проходит только переменная составляющая сиг-
нала, пропорциональная ослабленной пламенем яркости источни-
ка сравнения. Оба переменных сигнала могут либо быть запи-
саны на самописце 4, а затем по этим данным рассчитана темпе-
ратура пламени (сигнал, пропорциональный яркости И без пла-
мени фиксируется заранее), либо на выходе усилителя включает-
ся счетно-решающее устройство, определяющее отношение ярко-
сти пламени к его коэффициенту излучения. Это отношение равно
яркости черного тела при температуре пламени, температура оп-
ределяется предварительной градуировкой прибора. Если яркость
пламени измеряется непосредственно, то коэффициент излучения
находится из измерения ослабленной пламенем и неослабленной
им яркостей источника сравнения И.
290
Эффективны методы измерения температуры прозрзчных пла-
мен, использующие введение в пламя атомов какого-;1и^° метал-
ла с низким потенциалом возбуждения, имеющим резонансную
линию в видимой области спектра (обычно вводят сйли натрия,
чаще NaCl). При этом применяются два метода измйРения тем"
пературы: метод интенсивности спектральных линий il метод об-
ращения спектральных линий. Суть метода интенсивносТИ спект-
ральных линий заключается в том, что введенные в п^амя атомы
щелочного металла (обычно Na) приходят в термине^06 Равн0‘
весне с пламенем, и излучение их будет определяться температу-
рой пламени и их концентрацией. При этом, при концентрации
вводимых атомов Na не ниже определенной, интенсивйость в Цен-
тре линии достигает предельного значения для данной температу-
ры и соответствует черному излучению для этой темпе?атУРь1- Это
и используется для измерений. Практически черное из.®Учение лии"
нии достигается в спектральном участке порядка десзтых Д°леи
ангстрема и 0,1—0,2 А для резонансной линии Na (дублет 589,0
589,6 нм) Из этого следует, что для выделения столь узкого уча,-
стка требуется спектральная аппаратура с достаточна большой
разрешающей силой.
Как показали эксперименты В. В. Кандыбы и др., лля темпе-
ратуры пламени порядка 2000 К необходимая концен!РаЦия ат0‘
мов должна составлять 1013—Ю14 атомов на 1 см3, чт<> практиче-
ски не влияет на кинетику горения и, следовательно, 11е изменяет
температуру пламени. При этом может быть достигнута погреш-
ность порядка 1 %.
Наиболее распространенный метод измерения темп£РатУРы не"
светящихся пламен — метод обращения спектральных линий. Суть
метода в том, что пламя просвечивается вспомогательным ист04'
ником так, чтобы излучение его, прошедшее через пла^я> попада-
ло в пирометр. В этом случае на фоне сплошного спеКтРа источ-
ника будет выделяться линия введенного металла, ко'РРая будет
темнее или светлее фона в зависимости от температуры этого ис-
точника. При равенстве истинной температуры пламеня и яркост-
ной температуры источника линия исчезает на фоне этого источ-
ника. Изменяя температуру источника, добиваются и^чезновения
(обращения) спектральной линии. Зная температуру источника в
этот момент, определяют температуру пламени. При о1Ш1мальных
условиях этот метод может обеспечить измерение температуры
пламени с погрешностью ±10 К- Возможно также ис(юльзование
метода Киренкова, который в этом случае называют обобщенным
методом.
29 Г
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерение температур. — М.: Изд-во
стандартов, 1970.
2	Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы.—
М : Высшая школа, 1972.
3.	Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.:
Энергия, 1978.
4	Точность контактных методов измерения температу'ры/Гордов А. Н., Мал-
ков Я В., Эргардт Н Н., Ярышев Н. А. — М.: Изд-во стандартов, 1976.
5.	Андреев А. А. Автоматические электронные, показывающие, регистриру-
ющие и регулирующие приборы.— Л.: Машиностроение, 1981.
6	Дульнев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в радиоэлектронных аппа-
ратах.— Л.: Энергия, 1968.
7.	Кулаков М. В., Макаров Б. Н. Измерение температуры поверхности
твердых тел. — М.: Энергия, 1979.
8.	Ярышев И. Л. Теоретические основы измерения нестационарных тем-
ператур.— Л.: Энергия, 1967.
9.	Щ'л-ей.деу П. Ицжжцкж. 'ку'зблот.ъг	.— М.л ИЛ,
1960.
10.	Линевег Ф. Измерение температур в технике. — М.: Металлургия, 1980.
И. Контактные методы и приборы для измерения температур/Зимин Г. Ф.,
Михайлова М. Г., Пугачев И. С., Серова Т. Б. — М.: Издфо стандартов, 1980.
12.	Приборы для измерения температур контактным способом/Под общей
ред. Р. В Бычковского. — Львов: Выща школа, 1979.
13.	Самсонов Г. В, Киц А. И., Кюздени О. А. и Др- Датчики для изме-
рения температуры в промышленности. — Киев: НауковЛ думка, 1972.
14.	Бордов А. И. Основы пирометрии. — М.: Металлургия, 1971.
15.	Киренков И. И. Метрологические основы оптической пирометрии. — М.:
Изд-во стандартов, 1976.
16	Свет Д. Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при
непрерывном спектре излучения. — М.: Наука, 1968.
17.	Чернин С. М., Коган А. В. Измерение температуры малых тел пиро-
метрами излучения. — М.: Энергия, 1980.
18.	Излучательные свойства твердых материалов. Справочник/Под редак-
цией А. Е. Шейндлина. — М.: Энергия, 1974.
19.	Абрамович Б. Г., Картавцев В. Ф. Цветовые индикаторы температур
ры. — М.: Энергия, 1978.
20.	Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. —
Киев: Наукова думка, 1979.
21.	Олейник Б. Н., Лаздин В. П. Погрешность измерения температуры по-
верхности, обусловленная искажением температурного поля объекта при ис-
пользовании термоиндикатора. Вопросы радиоэ.текгроНИКи//Тепловые режимы
термостатирование, охлаждение, 1983, вып. 2, с. 55—69.
22	Геращенко О. А., Бордов А. Н. и др. Температурные измерения. Спра-
вочник.— Киев: Наукова думка, 1984.
23.	Кадышевич А. Е. Измерение температуры пламени. — М.: Машгиз,
1962.
24.	Олейник Б. Н. Фундаментальные метрологические исследования в об-
ласти термометрии. Сборник научных трудов НПО «ВНИИМ им. Д. И. Мен-
делеева».— Л.: Энергоатомиздат, 1982, с. 3—6.
292
25	Поскачей А. А., Чарихов Л. А. Пирометрия объектов с изменяющейся
излучательной способностью.—М.: Металлургия, 1978.
26	Жагулло О. М. О построении схем пирометров спектрального отно-
шения //Приборы и системы управления, 1971, № 10, с. 25—28.
27-	Дукарский С. М. Термометрия продуктов доменной плавки. — М.: Ме-
таллургия, 1976.
28	Солгык В. Я. Бесконтактное измерение температуры жидких метал-
лов и сплавов. — Киев: Наукова думка, 1969.
29-	Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. — М.: Наука,
1965.
30	Поскачей А. А., Чубаров Б. П. Оптико-электронные системы измерения
температуры. — М.: Энергия, 1979.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Температура и температурные шкалы.................................................3
§	1.1.	Основные сведения о термометрии -..............................3
§	1.2.	Термодинамическая температурная шкала	(ТТШ)	....	5
§	1.3.	Практические температурные шкалы...............................9
§	1.4. /Международная практическая температурная шкала 1968 г
(редакция 1975 г.)............................................12
§	1.5.	Временная температурная шкала 1976	г.	в	диапазоне	0,5—30 К	15
Т л а в а 2. Государственные первичные и специальные эталоны единицы
температуры и поверочные схемы....................................17
§ 2	1. Общие положения об эталонах.................................................17
§ 2.2.	Поверочные схемы..............................................................19
§ 2.3.	Государственный первичный эталон единицы температуры .	.	22
§ 2.4.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 1,5—4,2 К.............................................28
§ 2.5.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 4,2—13,81 К.........................................  29
§ 2.6.	Государственный специальный эталон единицы температуры
в диапазоне 1800—3000 К...........................................30
§	2.7.	Государственный	специальный	эталон	единицы	температуры
в диапазоне 500—2300 К.........................................................31
§	2.8.	Государственный	специальный	эталон	единицы	температуры
в диапазоне 10000—15000 К......................................................33
§	2.9.	Государственный	специальный	эталон	единицы	температуры
в диапазоне 1-Ю3—1  105 К.....................................................34
§ 2.10.	Основные направления совершенствования эталонов ...	35
Г л а в а 3. Термометры	расширения и манометрические термометры .	.	37
§ 3.1.	Стеклянные	жидкостные термометры.............................................37
§ 3.2.	Термометры	манометрические...................................................49
§ 3.3.	Термометры	дилатометрические.................................................57
§ 3.4.	Термометры	биметаллические...................................................59
Глава 4. Термометры	термоэлектрические................................................61
§ 4.1.	Общие сведения..............................................................  61
§ 4.2.	Основы теории термоэлектрических преобразователей .	.	.	61
§ 4.3.	Основные требования, предъявляемые к термоэлектродным
материалам .......................................................65
§ 4.4.	Методы градуировки термоэлектрических преобразователей.
Введение поправки на температуру свободных концов ...	66
§ 4.5.	Классификация термоэлектрических преобразователей. Основ-
ные технические и метрологические характеристики ...	68
§ 4.6.	Конструкция и типы термоэлектрических преобразователей 78
§ 4.7.	Измерение ТЭДС термопреобразователя с помощью милли-
вольтметров .	  86
§	4.8.	Измерение ТЭДС компенсационным методом.89
§	4.9.	Основные метрологические	характеристики	термоэлектриче-
ских термометров	99
Глава 5.	Термометры сопротивления....................................................ЮЗ
§	5.1.	Общие сведения............................................................ .103
§	5.2.	Требования к материалам,	применяемым для	изготовления
преобразователей сопротивления .................... . Ю4
'294
§ 5.3.	Классификация термопреобразователей сопротивления и их
основные параметры................................................. 106
§ 5.4.	Конструкция и типы металлических и полупроводниковых
термопреобра юнателей сопротивления ............................. 111
§ 5.5.	Компенсационный метод измерения сопротивления термопреоб-
разователей .....................................................,119
§ 5.6.	И [мерение сопротивления термопреобразователей мостовым
методом..........................................................122
§ 5.7.	И шерение сопротивления термопреобразователей логометри-
чсским методом ..................................................130
§ 5.8.	Основные метрологические характеристики термометров со-
противления .....................................................131
Глава 6.	Специальные термометры..........................................................................................135
§	6.1.	Полупроводниковые термометры ...................................................................................135
§	6.2.	Акустические термометры.........................................................................................137
§	6	3.	Кварцевые термометры......................................................................................1 1(1
§	6.4.	Квадрупольные ядерные термометры.........................1-10
§	6.5.	Магнитные термометры .........................142
§	6.6.	Шумовые термометры.........................142
§	6.7.	Термоиндикаторы .	........................144
Глава 7. Основы теории погрешностей, обусловленных теплообменом
термопреобразователя с объектом измерения температуры	. 151
§ 7.1.	Основные понятия теории теплообмена..............................................................................151
§ 7.2.	Показатель тепловой инерции термопреобразователей .	.	. 158
§ 7.3.	Погрешность, обусловленная теплоотводом по термопреоб-
разователю ......................................................1(1(1
§ 7.4.	Методические погрешности, обусловленные влиянием теплооб-
мена излучением..................................................|0-|
§ 7.5.	Погрешность, обусловленная высокими скоростями галопы \
сред ............................................................1(17
Глава 8.	Поверка	и градуировка термометров...............................................................................|(ill
§	8.1.	Методы	градуировки и поверки. 10'1
§	8.2.	Аппаратура для воспроизведения температурной	шкалы	.	.170
§	8.3.	Поверка	стеклянных жидкостных термометров	.	.	.	.	.	|Н|
§	8.4.	Поверка	манометрических термометров.......................................................................182
§ 8.5.	Поверка термопреобразователей термоэлектрических термо-
метров	.................................................  |Н4
§ 8.6.	Поверка термопреобразователей сопротивления .	.	.187
§ 8.7.	Поверка термоэлектрических термопреобразователей п термо-
преобразователей сопротивления для измерения температуры
поверхностей твердых тел............................	.... ИХ)
§ 8.8.	Поверка электроизмерительных приборов, входящих в ком-
плект термометров............................................ ||)|
Глава 9. Измерение температуры газов, жидкостей, поверхности твер-
дых тел и внутри тела...............................................ИИ)
§ 9.1.	Измерение температуры газов ...............
§ 9.2.	Измерение температуры жидкостей ....
§ 9.3.	Измерение температуры поверхности твердых тел
§ 9.4.	Измерение температуры внутри твердого тела .
Глава 10. Основные законы излучения...................
НИ!
1'18
•.’(>1
205
200
§ 10.1.	Тепловое излучение. Основные понятия........................200
§ 10.2.	Законы излучения.........................................  2011
§ 10.3.	Условные температуры.........................................2Н
Глава 11. Пирометры излучения
§ 11.1.	Классификация пирометров излучения
218
218
209
§ 11.2.	Пирометры полного излучения..............................223
§ 11.3.	Пирометры	частичного излучения...........................230
§ 11.4.	Монохроматические пирометры..............................239
§ 11.5.	Пирометры	спектрального отношения........................250
Глава 12. Поверка	пирометров.....................................265
§ 12.1.	Аппаратура, используемая при градуировке и поверке пиро-
метров ........................................................  265
§ 12.2.	Поверка	монохроматических	пирометров ....................268
§ 12.3.	Поверка преобразователей (телескопов) пирометров полного
и частичного излучения .	 ..........................271
§ 12.4.	Поверка	пирометров спектрального	отношения...............273
Глава 13. Применение пирометров .....................................274
§ 13.1.	Измерение температуры в металлургии......................275
§ 13.2.	Измерение температуры в промышленности строительных ма-
териалов ........................................................281
§ 13.3.	Измерение температуры тонких нитей и проволок .... 283
§ 13.4.	Измерение температуры пламен.............................286
Список литературы.............................................. .	. 292
Борис Николаевич Олейник, Светлана Ивановна Лаздина,
Вячеслав Петрович Лаздин, Олег Михайлович Жагулла
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Редактор И. А. Еськова
Переплет художника Г. Г. Саленкова
Технический редактор Н. С. Гришанова
Корректор Е. А. Богачкова
ИБ № 348
Сдано в наб. 17.04 86. Поди, в печ. 22 12.86.	Т-24035.
Формат 60x90415. Бумага типографская № 2. Гарнитура
литературная. Печать высокая. 18,5 усл. п. л. 18,5 усл. кр.-отт.
20,18 уч.-изд. л. Тираж 15 000 экз. Зак. 1973. Цена 95 коп.
Изд. № 7404/7
Ордена «Знак Почета» Издательство стандартов,
123840, Москва, ГСП, Новоиресненский пер., 3
Великолукская городская типография управления издательств,
полиграфии и книжной торговли Псковского облисполкома,
182100, г. Великие Луки, ул. Полиграфистов, 78/12