Рис. 59. Пирометр Холборна-Курльбаума. Разрез.
Зависимость между током и температурой нити варьируется для каждой лампы, но во всех случаях описывается формулой вида
C = a + bt + ct^2
где C — ток, t — температура в градусах Цельсия, а a, b и c — константы, зависящие от используемой лампы, которые могут быть определены путем проведения ряда наблюдений при известных температурах. Прибор калибруется таким образом производителями, и к нему прилагается шкала, по которой можно считывать температуры, соответствующие наблюдаемым токам.
Когда температура источника превышает температуру эталона при максимальном токе, на конец телескопа устанавливается поглощающее устройство E, состоящее из двух призм из темного стекла с параллельными отражающими гранями, чтобы снизить интенсивность источника ниже интенсивности лампы. С установленным поглотителем выполняется отдельная калибровка и предоставляется вторая температурная шкала, по которой производятся отсчеты при использовании поглощающего устройства. На рис. 60 представлен прибор в исполнении фирмы «Сименс» для использования в фиксированном положении: телескоп, миллиамперметр и реостат установлены на стойке, поддерживаемой треногой, а ток подается от переносного аккумулятора. Второй вариант (рис. 61) предназначен для случаев, когда требуются наблюдения в нескольких различных местах; реостат установлен на телескопе, а миллиамперметр помещен в кожаный футляр с плечевыми ремнями.
Рис. 60. Оптический пирометр Сименса на штативе.
Рис. 61. Оптический пирометр Сименса, переносной вариант.
Настройка этого пирометра проста, а условие равенства четко определено. В то время как при сопоставлении цветов двух смежных полей отдельные наблюдатели могут расходиться во мнениях на величину, соответствующую 40° C или более, расхождение в 10° C редко превышается, когда разные операторы настраивают кончик нити на исчезновение. В специальном испытании для решения этого вопроса автор сравнил наблюдения пяти человек, как обученных, так и необученных, с результатом, что все они сошлись в пределах 10° при стабильной температуре вблизи 1200° C; и в этом отношении пирометр Холборна-Курльбаума превосходит другие формы оптических пирометров. Постоянная точность показаний зависит от стабильности эталонной лампы, которая обеспечивается предварительным «пережиганием» в течение 20 часов, после чего лампа может использоваться при своем рабочем напряжении в течение длительного периода без дальнейших изменений. При использовании для эпизодических отсчетов в мастерской такая лампа прослужит год или более, не меняя яркости на величину, соответствующую 10° C при температуре 1800° C. При использовании новой лампы необходима новая калибровка; однако производители в таком случае присылают новую температурную шкалу вместе с лампой.
Пирометр Ловибонда. — С помощью наложения цветных стекол можно точно подобрать любой заданный цвет; Ловибонд, чей тинтометр для этой цели хорошо известен, применил этот метод к измерению температуры. Взяв случай стального блока в печи, можно подобрать комбинации стекол, которые при освещении стандартным источником света дадут тот же оттенок, что и сталь при любой заданной температуре. Если, например, требуется обрабатывать сталь при 850° C, предоставляются стекла, которые при просмотре в свете, проходящем от 4-вольтовой лампы накаливания при постоянном токе, соответствуют оттенку стали при 840°, 850° и 860° соответственно. Изображение стали отражается зеркалом через одно отверстие в латунной пластине, образующей конец деревянного ящика, на противоположном конце которого помещен окуляр. Второе отверстие в латунной пластине принимает свет от стандартной лампы после прохождения через стекла; затем сравнивается внешний вид двух источников света. Опытный глаз может легко обнаружить расхождение в двух полях, соответствующее 10° C; и, поочередно вводя стекла, можно наблюдать, находится ли сталь в пределах 10° C от требуемой температуры. Этот прибор дешев и прост, но, очевидно, полезен только для определения заранее установленной температуры, так как измерение при неопределенной температуре потребовало бы громоздкого количества стекол и поглотило бы значительное время. Правильные стекла для использования при данной операции определяются в рабочих условиях при температурах, измеренных стандартным пирометром; после чего любое количество приборов может быть изготовлено из стекол того же цвета и поглощающей способности, что и использованные при калибровке. Правильное сопоставление затруднительно ниже 700° C.
Пирометр Мезуре и Нуэля. — Этот прибор, показанный на рис. 62, состоит из двух призм Николя, между которыми помещен кусочек кварца, вырезанный перпендикулярно его оси. Свет от источника при прохождении через первую призму Николя поляризуется в одной плоскости; но при прохождении через кварц поляризуется в различных плоскостях в зависимости от длины волны. Цвет, видимый после прохождения через вторую призму, используемую в качестве анализатора, будет зависеть от угла между ней и первой, или поляризующей, призмой. Анализатор соединен с вращающимся диском, разделенным на угловые градусы; при наблюдении нагретого источника цвет будет казаться красным, если анализатор повернуть в одном направлении, и зеленым, если повернуть в противоположном. Промежуточный цвет — лимонно-желтый; настройка заключается во вращении анализатора до получения этого оттенка. Затем снимается угловой отсчет, и температура считывается из таблицы, подготовленной путем проведения наблюдений при известных температурах. Наблюдатели могут расходиться во мнениях на величину до 100° C при использовании этого пирометра из-за различий в зрении и суждении о лимонно-желтом оттенке; но конкретный оператор, обучивший себя использованию прибора, может с практикой получать гораздо более близкие результаты. Основное назначение этого устройства — позволить судить о том, находится ли печь выше или ниже заданной температуры, в пределах 25° C в любую сторону в лучшем случае; поэтому мастеру или металлургу удобно носить его с собой для этой цели, когда другие пирометры не используются. Большим преимуществом является то, что прибор всегда готов к работе и не имеет аксессуаров.
Рис. 62. Пирометр Мезуре и Нуэля.
Пирометры с цветовым гашением. — Были предприняты различные попытки создать наложенные стекла или ячейки с окрашенными жидкостями, которые будут иметь эффект гашения цвета нагретого источника. В качестве примера можно подготовить три ячейки, содержащие растворы различных красителей, которые при просмотре через них будут гасить цвет при 840°, 850° и 860° C соответственно. Если требуется работать при 850°, разница в 10° в любую сторону может быть обнаружена тренированным глазом; но для отслеживания изменяющейся температуры, очевидно, потребовалось бы большое количество ячеек. Экстинкционный пирометр Хиткота в своей ранней форме состоял из наглазника, перед которым были установлены две пары ячеек с окрашенной жидкостью. При доведении печи до заданной температуры наблюдение проводилось время от времени, пока через одну пару ячеек не воспринималось слабое красное изображение, после чего подача тепла регулировалась для поддержания существующей температуры. При просмотре через вторую пару ячеек, содержащую слегка более темную жидкость, при правильной температуре красного изображения не было видно. С тренировкой рабочий мог контролировать печь с достаточной степенью точности этим способом, но операция была утомительной и полезной только для достижения одной температуры. В более позднем приборе, известном как «Пиромайк» (рис. 63), Хиткот использует одну ячейку с гибкими стенками, так что при повороте винтового конца длина столба жидкости, расположенного между глазом и печью, может быть изменена. При снятии показаний печь визируется, и винт поворачивается так, чтобы увеличить длину столба окрашенной жидкости, пока изображение не перестанет быть видимым. Прямой отсчет температуры затем получается по спиральной шкале, нанесенной на цилиндрический корпус прибора, по которой вращается винтовая часть. Это образует простой и удобный температурный датчик для использования в мастерской.
Рис. 63. Экстинкционный пирометр Хиткота или «Пиромайк».
Рис. 64. «Клиновой» пирометр.
«Клиновой» пирометр, разработанный Алдером и Кокрейном (рис. 64), состоит из небольшого телескопа, через который можно перемещать призму из темного стекла, сфокусированного на нагретом объекте. Поворачивая головку, клин можно перемещать так, чтобы вставить более толстый слой темного стекла между глазом и печью, и та же операция заставляет температурную шкалу проходить перед фиксированным указателем. Когда изображение горячего источника только что гаснет, температура считывается по отметке напротив фиксированной точки. Требуется тренировка, чтобы позволить наблюдателю судить о точной точке гашения, когда становится возможным получить результаты в 20° C в области 1300° C. С другой стороны, при использовании человеком, не привыкшим к прибору, показание может быть ошибочным на 50° C или более. В качестве помощи для суждения вблизи точки гашения можно поместить руку между телескопом и печью, когда, если гашение полное, в поле зрения не должно наблюдаться никаких изменений. Простая конструкция этого пирометра является преимуществом, так как не требуется никаких аксессуаров; и при использовании с указанными выше мерами предосторожности можно легко получить показания, достаточно близкие для многих процессов.
Эксплуатация оптических пирометров. — Осторожное обращение необходимо при работе с оптическими пирометрами, которые склонны к нарушению регулировки при грубом обращении; по этой причине за такими приборами должен следить обученный наблюдатель. Квалифицированное внимание также необходимо при снятии показаний, так как правильное сопоставление оттенков — это операция, требующая высокой степени суждения. Необходимо уделять пристальное внимание стандартным источникам света; если это пламя, необходима регулировка до стандартной высоты; если электрические лампы, следует соблюдать осторожность, чтобы не использовать их дольше, чем необходимо, для увеличения срока службы. Аккумуляторы следует регулярно перезаряжать — скажем, раз в две недели — для поддержания их в хорошем состоянии. Отдельные части, такие как поглощающие стекла, следует хранить в безопасном месте, так как их разрушение может потребовать новой калибровки. Следует помнить, что температуры, указываемые оптическими пирометрами, являются «черными» температурами; то есть они соответствуют показаниям, которые дал бы абсолютно черное тело той же степени яркости. Вследствие этого показания всегда следует снимать в условиях абсолютно черного тела, при этом меры предосторожности в этом отношении идентичны тем, которые необходимы для пирометров полного излучения, приведенным на стр. 163. В некоторых особых случаях связь между кажущейся и истинной температурами была разработана для данного типа пирометра, но из-за различной излучательной способности разных веществ общая зависимость не может быть дана.
Специальное применение оптических пирометров. — Выгодное использование оптических пирометров ограничено наблюдениями при температурах, выходящих за рамки приборов, рабочая часть которых находится в печи; или случаями, когда достаточно эпизодических отсчетов температуры. Для отслеживания изменяющейся температуры необходима непрерывная регулировка, что требует труда и, следовательно, дорогостояще. Среди применений в мастерских можно упомянуть: (1) определение температуры гончарных печей, а также стекловаренных и сталеплавильных печей; (2) при обработке сталей при очень высоких температурах, для чего пирометр может быть установлен на заданное показание, и процесс выполняется, когда наблюдается, что сталь достигла такой заданной температуры; (3) для снятия случайных отсчетов, когда используется несколько печей или когда предусмотрено несколько смотровых отверстий, как в больших кирпичеобжигательных печах; и (4) для эпизодических наблюдений за зоной обжига вращающихся цементных печей. Как исследовательский инструмент в лаборатории, хорошая форма оптического пирометра очень полезна, например, при исследовании рабочих температур электрических ламп и проведении наблюдений в электрических печах. Большим недостатком является то, что записи не могут вестись оптическими пирометрами, так как много ценной информации можно почерпнуть из точного знания температурных колебаний в большинстве операций. Этот недостаток всегда будет препятствовать широкому использованию этих приборов.
ГЛАВА VII КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ
Общие принципы. — Если кусок горячего металла известного веса и удельной теплоемкости опустить в известное количество воды при температуре t1, которая вследствие этого поднимается до t2, температуру горячего металла t0 можно получить путем расчета, как показано в следующем примере:
Пример. — Кусок металла весом 100 граммов с удельной теплоемкостью 0,1 нагревается в печи и опускается в 475 граммов воды, содержащейся в сосуде, теплоемкость которого эквивалентна 25 граммам воды. Температура воды поднимается с 5° до 25° C. Найти температуру печи.
Тепло, потерянное металлом, равно теплу, полученному водой и сосудом. Приравнивая их,
100 × 0,1 × (t0 - 25) = (475 + 25) × (25 - 5)
откуда t0 = 1025° C.
Приведенный выше расчет, который в целом применим к этому методу, зависит от точности знания удельной теплоемкости используемого металла. Это значение далеко не постоянно, увеличиваясь по мере роста температуры, и результат будет правильным только тогда, когда известно среднее значение в заданном диапазоне.
Металл, используемый в эксперименте, не должен легко окисляться и должен обладать высокой температурой плавления. Платина наиболее подходит, но стоимость достаточно большого куска значительно превысила бы стоимость термоэлектрического или другого комплекта. Никель является вторым по пригодности в этих отношениях и в настоящее время обычно используется для калориметрического метода до 1000° C. Удельная теплоемкость в некоторой степени варьируется у разных образцов, но может быть определена для диапазонов, используемых на практике. Это можно сделать путем нагревания заданного веса до известных температур и погружения в воду, при этом результат получается, как в предыдущем примере, где t0 в данном случае известно, а удельная теплоемкость вычисляется. Из серии таких определений можно построить кривую, связывающую удельную теплоемкость и температурный диапазон, из которой можно считывать промежуточные значения.
Рис. 65. Удельная теплоемкость никеля в диапазонах от 0° C.
Реньо, который первым предложил калориметрический метод для измерения высоких температур, пытался измерить удельную теплоемкость железа в разных диапазонах с целью использования этого металла в процессе. Однако из-за отсутствия надежных средств определения экспериментальных температур значения Реньо были значительно ошибочными. Для диапазона от 0 до 1000° C он указал среднюю удельную теплоемкость железа как 0,126, цифра, далекая от истины. Таким образом, если кусок железа нагреть до 970° C, измеренных термоэлектрическим методом, и опустить в воду, температура, рассчитанная из предполагаемой удельной теплоемкости 0,126, окажется равной 1210°, или на 240° выше. Значения, используемые в настоящее время, получены экспериментами с термоэлектрическим пирометром, так что температуры, выведенные калориметрическим методом, согласуются в пределах погрешности манипуляций с температурами стандартной шкалы. Сопровождающая кривая, рис. 65, показывает среднюю удельную теплоемкость никеля во всех диапазонах между 0° и 1000° C, и из этой кривой можно определить правильную цифру для использования в расчете для любого диапазона. Так, для печи между 800° и 900° C удельная теплоемкость была бы принята за 0,136; и хотя выбор значения требует знания температуры в пределах 100°, на практике не возникает никаких трудностей, так как легко оценить этот предел по опыту при температурах ниже 1000° C. В наиболее одобренных формах калориметрических пирометров для промышленных целей температура горячего металла может быть считана непосредственно со шкалы, подготовленной в соответствии со значением, применяемым к удельной теплоемкости в различных диапазонах.
Медь и железо все еще используются в ограниченной степени в этих пирометрах, но постоянно теряют в весе из-за окисления, чешуйки оксида отпадают при закалке, что требует взвешивания перед каждым испытанием для обеспечения точности. Никель окисляется очень мало ниже 1000° C, и, поскольку тонкая пленка оксида, которая образуется, не отслаивается легко, вес может немного увеличиться. Кварц, вероятно, был бы более подходящим, чем металлы, не изменяясь при нагревании и закалке, но, по-видимому, не был опробован для этой цели. Другой возможный материал — нихром, который сопротивляется окислению ниже 1000° C. Вес твердого тела должен составлять не менее 1/20 веса воды, чтобы обеспечить ощутимое повышение температуры, а термометр должен быть способен обнаруживать 1/20 градуса C. Повышение температуры не должно быть настолько большим, чтобы температура воды превышала температуру атмосферы более чем на 4° или 5° C, так как в противном случае потери на излучение имели бы заметный эффект. Пределы точности метода будут показаны ссылкой на примеры.
Пример I. — Кусок никеля весом 100 граммов помещается в печь и после нагревания опускается в 2000 граммов воды при 10° C, содержащейся в сосуде с водным эквивалентом 50 граммов. Температура поднимается до 16,25° C. Удельная теплоемкость никеля для этого диапазона составляет 0,137. Найти температуру печи и пределы точности, при условии, что термометр читается с точностью до 1/20° C. Приравнивая тепло, потерянное никелем, к теплу, полученному водой и сосудом:
100 × 0,137 × (x - 16,25) = 2050 × (16,25 - 10,0)
откуда x = 952° C.
Если ошибка в каждом отсчете термометра составляла 1/40°, максимальная разница в приведенном выше расчете получается путем введения измененных значений, как показано ниже:
100 × 0,137 × (x - 16,225) = 2050 × (16,225 - 10,025)
когда x = 944° C.
Максимальная ошибка из-за возможного неверного отсчета в 1/40° составляет, следовательно, менее 1 процента.