ПИРОМЕТРИЯ

ТОГО ЖЕ АВТОРА

ТЕПЛОТА ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ

ТРАКТАТ О ТЕПЛОТЕ С ОСОБЫМ ВНИМАНИЕМ К ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ

Третье издание, переработанное, со 110 иллюстрациями, xiv + 430 стр. Формат Demy 8vo. Цена 12 с. 6 п. нетто.

ЖИДКИЕ КАПЛИ И ГЛОБУЛЫ

ИХ ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ. ТРИ ЛЕКЦИИ ДЛЯ ШИРОКОЙ АУДИТОРИИ

С 43 иллюстрациями, x + 84 стр. Формат Crown 8vo, в переплете. Цена 3 с. нетто.

И. и Ф. Н. Спон, Лтд., Хеймаркет, Лондон, S.W. 1

ПИРОМЕТРИЯ

ПРАКТИЧЕСКИЙ ТРАКТАТ ОБ ИЗМЕРЕНИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

АВТОР:

ЧАРЛЬЗ Р. ДАРЛИНГ

АССОЦИИРОВАННЫЙ ЧЛЕН КОРОЛЕВСКОГО НАУЧНОГО КОЛЛЕДЖА, ДУБЛИН; СТИПЕНДИАТ УИТВОРТА; ЧЛЕН ИНСТИТУТА ХИМИИ; ЧЛЕН ФИЗИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА И Т. Д.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ФИЗИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ КОЛЛЕДЖЕ СИТИ И ГИЛЬДИЙ, ФИНСБЕРИ, E.C. АВТОР КНИГИ «ТЕПЛОТА ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ»

ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ. ШЕСТЬДЕСЯТ ДЕВЯТЬ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

London
E. & F. N. SPON, Ltd., 57 HAYMARKET, S.W. 1

New York
SPON & CHAMBERLAIN, 120 LIBERTY STREET
1920

Contents

page
Preface to Second Edition | ix
Preface to First Edition | xi
chap.
I.   | Introduction |  1
II.   | Standards of Temperature |  9
| Absolute or Thermodynamic Scale—Constant Volume Gas Thermometer—Fixed Points for Calibration—National Physical Laboratory Scale—Temperatures above the Present Limit of the Gas Thermometer. |
III.   | Thermo-Electric Pyrometers | 20

General Principles—Metals used for Thermal Junctions— Changes in Thermal Junctions when constantly used—Electromotive Force developed by Typical Junctions—Practical Forms of Thermocouples— Liquid Element Thermocouples—Indicators for Thermo-electric Pyrometers—Special Features of Indicators—Standardizingof Indicators to read Temperatures directly—Standardization by Fixed Points— Standardization by Measurement of E.M.F.—Cold-Junction Compensators—Constant Temperature Cold Junctions— Special-Range Indicators—PotentiometerIndicators— Recorders for Thermo-electric Pyrometers—The Thread Recorder—The Siemens Recorder—Foster’s Recorder— Paul’s Recorder—The Leeds-Northrup Recorder— Control of Furnace Temperatures—Contact-Pen Recorders— Installations of Thermo-electric Pyrometers—Management of Thermo-electric Pyrometers—Laboratory Uses of Temperatures Thermo-electric Pyrometers—Measurement of Lower by the Thermo-electric Method—Measurement of Surface of Surface Temperatures—Measurement of Low Temperatures— Temperature of Steam, Exhaust Gases—Measurement of Differences of Temperature—Advantages of the Thermo-electric Method of Measuring Temperatures.

IV.   | Resistance Pyrometers | 101

General Principles—Measurement of Resistance by the Differential Galvanometer—Measurement of Resistance by the Wheatstone Bridge—Relation between Resistance of Platinum and Temperature—Changes in Resistance of Platinum when constantly Heated—Terms used in Resistance Pyrometry—Practical Forms of Resistance Pyrometers—Indicators—Siemens’ Indicator—Whipple’s Indicator—The Harris Indicator— The Leeds-Northrup Indicator—Siemens’ Differential Indicator—Recorders for Resistance Pyrometers—The Leeds-Northrup Recorder—Paul’s Recorder—Installation of Resistance Pyrometers—Management of Resistance Pyrometers—Special Uses of Resistance Pyrometers.

V.   | Radiation Pyrometers | 134

General Principles—Practical Forms of Radiation Pyrometers—Féry’s Mirror Pyrometer—Féry’s Spiral Radiation Pyrometer—Foster’s Fixed-Focus Radiation Pyrometer—Paul’s Radiation Pyrometer—Indicators for Radiation Pyrometers—Calibration of Indicators— Recorders—Management of Radiation Pyrometers—Special Uses of Radiation Pyrometers.

VI.   | Optical Pyrometers | 167

General Principles—Wien’s Law—Practical Forms of Optical Pyrometers—Féry’s Optical Pyrometer—Le Chatelier’s Optical Pyrometer—Wanner’s Pyrometer— Cambridge Optical Pyrometer—Holborn-Kurlbaum Pyrometer—Lovibond’s Pyrometer—Mesuré and Nouel’s Pyrometer—Colour-extinction Pyrometers— Management of Optical Pyrometers—Special Uses of Optical Pyrometers.

VII.   | Calorimetric Pyrometers | 195
| General Principles—Practical Forms—Siemens’ Calorimetric or “Water” Pyrometer—Special Uses. |
VIII.   | Fusion Pyrometers | 204
| General Principles—Seger Pyramids or “Cones“— Watkin’s Heat Recorder—“Sentinel” Pyrometers— Stone’s Pyrometer—Fusible Metals—Fusible Pastes. |
IX.   | Miscellaneous Appliances | 211
| Expansion and Contraction Pyrometers—Wedgwood’s Pyrometer—Daniell’s Pyrometer—Northrup’s Molten Tin Pyrometer—Vapour-Pressure Pyrometers—Water-Jet Pyrometers—Pneumatic Pyrometers—Conduction Pyrometers—Gas Pyrometers—Wiborgh’s Thermophones— Joly’s Meldometer—Brearley’s Curve Tracer. |
Index | 222

Предисловие ко второму изданию

С момента публикации первого издания в 1911 году значительно расширилось применение пирометров в промышленных процессах и лабораторных работах, и автор надеется, что его книга в некоторой степени способствовала этому развитию. В условиях напряжения, вызванного войной, пирометры оказались неоценимы во многих процессах, и британские производители были полностью готовы удовлетворить спрос благодаря статусу, достигнутому в довоенные годы. Растущее использование пирометрических приборов делает необходимым наличие справочного издания, которое предоставило бы пользователю информацию, позволяющую получать наилучшие результаты при работе с приборами, и есть надежда, что настоящий трактат отвечает этой потребности. При подготовке второго издания некоторые части были переработаны в соответствии с современной практикой, а также включены последние достижения. Объем книги остался прежним.

Автор выражает признательность за помощь, полученную от британских производителей пирометров, которые щедро предоставили ему самую полезную информацию, использованную им при подготовке настоящего издания.

ЧАРЛЬЗ Р. ДАРЛИНГ.

Вулич, 1920 г.

Предисловие к первому изданию

Настоящий трактат основан на курсе лекций Кантора по «Промышленной пирометрии», прочитанных автором в Королевском обществе искусств осенью 1910 года. Практика пирометрии в последние годы развивалась быстрее, чем литература по этому вопросу; и автору не известно о существовании какой-либо другой книги на английском языке, которая рассматривала бы этот предмет с точки зрения повседневного использования приборов. На последующих страницах точное измерение температуры как самоцель подчинено практической полезности пирометров при контроле различных операций; и, следовательно, описания приборов, представляющих интерес только с теоретической точки зрения, были либо опущены, либо описаны максимально кратко. Тем не менее, фундаментальные принципы во всех случаях полностью объяснены, поскольку их понимание необходимо для разумного использования приборов, рассматриваемых в книге. При необходимости приводятся численные примеры для иллюстрации применения принципов; читателю, который испытывает трудности с пониманием различных объяснений — что неизбежно требует знания многих разделов учения о теплоте, — рекомендуется обратиться к трактату автора «Теплота для инженеров», выпущенному издателями настоящего тома.

Что касается температурных шкал, автор в основном использовал градусы Цельсия, но признает, что градус Фаренгейта все еще широко применяется, и поэтому часто выражал температуры в обеих шкалах.

Число тех, кто находит преимущество в своей профессии в измерении и контроле высоких температур, постоянно растет; а производство пирометрических приборов в настоящее время обеспечивает работой значительное количество людей. Автор надеется, что настоящий трактат окажется полезным для всех, кто этим занимается, а также для тех, кто изучает увлекательную науку измерения высоких температур с чисто научной точки зрения.

В заключение автор выражает благодарность различным фирмам, упомянутым в тексте, которые предоставили клише для иллюстраций и снабдили его большим количеством ценной информации.

ЧАРЛЬЗ Р. ДАРЛИНГ.

Вулич, 1920 г.

ПИРОМЕТРИЯ

ГЛАВА I ВВЕДЕНИЕ

Термин «пирометр», ранее применявшийся к приборам, предназначенным для измерения расширения твердых тел, теперь используется для описания любого устройства для определения температур, выходящих за верхний предел ртутного термометра. Этот предел в обычной форме составляет температуру кипения ртути: 357° C или 672° F. Если перед запаиванием оставить канал трубки заполненным азотом или углекислым газом, давление, оказываемое заключенным газом при расширении ртути, предотвращает кипение; а при использовании прочного резервуара из твердого стекла показания могут быть доведены до 550° C или 1020° F. Выше этой температуры самое твердое стекло деформируется под действием высокого внутреннего давления, но при замене стекла кварцем можно получить показания до 700° C или 1290° F. Хотя такие термометры полезны в лабораторных процессах, они слишком хрупки для использования в мастерских; а если их делать такой длины, которая необходима во многих случаях, когда требуется измерить температуру печей, стоимость будет такой же, как у более прочных и удобных приборов. Однако ни один другой прибор не является таким простым для считывания, как термометр; и по этой причине он используется везде, где условия благоприятны. Последнее предложение в этом направлении принадлежит Нортрупу, который сконструировал термометр, содержащий олово в графитовой оболочке, способный измерять температуру до 1500° C и выше. Этот прибор описан на стр. 216.

Возникновение и развитие науки пирометрии служат ярким примером ценности применения научных принципов в промышленности. Сэр Исаак Ньютон был первым, кто попытался измерить температуру огня, наблюдая время, необходимое для остывания железного стержня, извлеченного из огня; но, хотя результаты Ньютона были опубликованы в 1701 году, практический прибор для измерения высоких температур был разработан только в 1782 году. В том же году Джозайя Веджвуд, знаменитый гончар, представил прибор, основанный на прогрессивном сжатии, которому подвергается глина при обжиге при повышающихся температурах, который он использовал для контроля своих печей, находя его гораздо более надежным, чем глаз самого опытного рабочего. Этот аппарат (описанный на стр. 211) оставался без серьезных конкурентов в течение сорока лет, и его использование до сих пор не было полностью прекращено.

Следующим шагом вперед стало внедрение Джоном Дэниеллом в 1822 году расширительного пирометра. Удлинение платинового стержня, заключенного в графит, приводило в действие увеличительное устройство, которое перемещало указатель по шкале, разделенной для прямого считывания температур. Хотя этот пирометр был неточным по сравнению с современными приборами, он был первым, который давал непрерывные показания и не требовал личного внимания. Расширительный пирометр — с использованием различных расширяющихся веществ — до сих пор используется в ограниченных масштабах.

1822 год был также отмечен открытием Зеебеком термоэлектричества. Генерация электрического тока нагретым спаем двух металлов, возрастающая с температурой, по-видимому, давала простую и удовлетворительную основу для пирометра, и Беккерель сконструировал прибор на этих принципах в 1826 году. Пуйе и другие также пытались измерять температуры термоэлектрическим методом, но отчасти из-за использования неподходящих спаев, а отчасти из-за отсутствия надежных гальванометров, этим исследователям не удалось получить согласованные результаты. Метод был практически заброшен до 1886 года, когда его возрождение в надежной форме привело к огромному расширению использования пирометров, наблюдаемому в последние годы.

В 1828 году Принсеп начал использовать газовые пирометры, заключив газ в золотой резервуар. Позднее исследователи использовали фарфоровые резервуары из-за их большей тугоплавкости, но современные исследования показали, что фарфор совершенно непригоден для точных измерений, будучи пористым для определенных газов при высоких температурах, даже при наличии глазури. Газовые пирометры малопригодны в промышленности, но сейчас используются в качестве эталонов для калибровки других пирометров, причем резервуар изготавливается из сплава платины и родия.

Калориметрические пирометры, основанные на «методе смешения» Реньо, были впервые изготовлены для промышленных целей Бистремом, который запатентовал прибор этого типа в 1862 году. Этот метод получил широкое распространение, и упрощенная форма «водяного» пирометра, изготовленная Сименсом, в настоящее время ежедневно используется в промышленных целях. Однако он не способен давать результаты той степени точности, которая требуется во многих современных процессах.

Пирометр сопротивления был впервые описан сэром У. Сименсом в 1871 году и был изготовлен им для повседневного использования в печах. Было встречено много трудностей, прежде чем этот метод был поставлен на удовлетворительную основу, но непрерывные исследования фирмы Siemens & Co., а также ценные исследования Каллендара и Гриффитса привели к созданию надежных пирометров сопротивления, которые широко используются в настоящее время.

В 1872 году сэр Уильям Барретт сделал открытие, которое косвенно привело к нынешнему развитию науки пирометрии. Барретт заметил, что железо и сталь при остывании от каления внезапно становятся горячее в определенной точке из-за внутреннего молекулярного изменения; и дал название «рекалесценция» этому явлению. Исследователи стали впоследствии обнаружили, что это свойство тесно связано с закалкой металла; так, Хэдфилд заметил, что образец стали, содержащий 1,16 процента углерода, при закалке чуть ниже точки превращения не закаливался, но при аналогичной обработке на 15° C выше он становился полностью твердым. Спрос на точные пирометры в сталелитейной промышленности последовал немедленно за этими открытиями, ибо даже самый обученный рабочий не мог заметить глазом разницу в температуре, столь малую, но вызывающую столь глубокие изменения свойств готовой стали. В этом случае, как и во многих других, приборы появились, чтобы удовлетворить спрос.

Исследования Ле Шателье, опубликованные в 1886 году, ознаменовали большой шаг вперед в прогрессе пирометрии. Он обнаружил, что термоэлектрический пирометр, удовлетворительный во всех отношениях, может быть изготовлен с использованием спая чистой платины с родиево-платиновым сплавом, содержащим 10 процентов родия; в качестве индикатора использовался магнитоэлектрический гальванометр д'Арсонваля. Этот тип гальванометра, который позволяет использовать равномерно разделенную шкалу, сейчас повсеместно применяется для этой цели и сделал термоэлектрические пирометры не только практически применимыми, но и более удобными для общих целей, чем любой другой тип. С тех пор был достигнут непрерывный прогресс в связи с этим методом, который сейчас используется более широко, чем любой другой.

Попытки вывести температуру из светимости нагретого тела были впервые предприняты Эд. Беккерелем в 1863 году, но метод не был успешно развит до 1892 года, когда Ле Шателье представил свой оптический пирометр. Этот прибор, находясь полностью вне горячего источника, позволял проводить измерения при температурах, значительно превышающих температуру плавления платины, что, очевидно, было бы предельным значением для пирометра, в котором использовалась платина. Количественное распределение энергии в спектре было с тех пор разработано Вином и Планком, которые предоставили формулы, основанные на термодинамических рассуждениях, с помощью которых оптические пирометры теперь могут быть откалиброваны в терминах термодинамической шкалы температур. Другие оптические пирометры, упомянутые в тексте, были разработаны Ваннером, Хольборном и Курльбаумом, Фери и другими; и самые высокие достижимые температуры теперь могут быть удовлетворительно измерены оптическими средствами.

Изобретение радиационного пирометра Фери в 1902 году добавило еще один ценный прибор к уже имеющимся. Основанный на законе излучения четвертой степени, открытом Стефаном и подтвержденном математическими исследованиями Больцмана, этот пирометр очень полезен в промышленных операциях при очень высоких температурах, будучи полностью внешним и способным давать постоянные записи. Модификации были введены Фостером и другими, и метод сейчас широко применяется.

Регистрирующие приборы для получения постоянных свидетельств температуры печи в любое время были впервые изготовлены для термоэлектрических пирометров Холденом и Робертс-Остеном, а для пирометров сопротивления — Каллендаром. Многочисленные формы сейчас находятся в использовании, и ценность полученных записей была убедительно доказана.

Для научных целей все пирометры изготавливаются так, чтобы показывать градусы Цельсия, 100 из которых представляют температурный интервал между точкой плавления льда и точкой кипения воды при давлении 760 мм, причем точка льда отмечена как 0°, а точка пара — как 100°. В промышленной жизни, однако, шкала Фаренгейта часто используется в англоязычных странах, точка льда в этом случае обозначена как 32°, а точка пара — как 212°; интервал составляет 180°. Один градус по шкале Цельсия, следовательно, в 1,8 раза больше градуса Фаренгейта, но при нахождении чисел на каждой шкале, которые обозначают данную температуру, необходимо учитывать разницу в нулевой позиции на двух шкалах. Когда желательно перевести показания одной шкалы в соответствующие числа на другой, можно использовать следующую формулу:—

(C. reading) |  | (F. reading - 32)
————— |  =   | ——————
5 |  | 9

Таким образом, подставив в вышеприведенное выражение, можно обнаружить, что 660° C соответствует 1220° F, а 1530° F — 832° C.

Весьма прискорбно, что не все пирометры изготавливаются с индикацией в градусах Цельсия, так как путаница часто возникает из-за использования двух шкал. Соглашение по этому вопросу между производителями приборов сразу решило бы проблему, поскольку шкала Цельсия сейчас используется настолько широко, что немногие покупатели настаивали бы на маркировке по Фаренгейту.

Здесь можно отметить, что ни один отдельный пирометр не подходит для всех целей, и выбор прибора должен определяться характером выполняемой работы. Пирометр, требующий квалифицированного обслуживания, не следует доверять необученному человеку; и можно считать само собой разумеющимся, что для получения наиболее полезных результатов необходимо разумное руководство. На последующих страницах будут рассмотрены преимущества и недостатки каждого типа; но во всех случаях желательно, прежде чем делать большие затраты на пирометры, получить компетентное и беспристрастное мнение о том, какой тип лучше всего подходит для процессов, подлежащих контролю. Описания в каталогах не всегда заслуживают доверия, и нередки случаи, когда крупная сумма была потрачена на приборы, которые из-за неправильного выбора оказались практически бесполезными. Прибор, подходящий для лабораторных измерений, часто оказывается неудачным в мастерской, и все возможности такого рода следует рассмотреть, прежде чем принимать решение о типе используемого пирометра.

ГЛАВА II ЭТАЛОНЫ ТЕМПЕРАТУРЫ

Абсолютная или термодинамическая шкала температур. — Все практические приборы для измерения температур основаны на каком-либо прогрессивном физическом изменении со стороны вещества или веществ. В ртутном термометре изменение объема жидкости используется как мера степени нагретости; и аналогично изменение объема или давления газа, или изменение электрического сопротивления, проявляемое металлом, и многие другие физические изменения могут быть использованы для этой цели. В связи с измерением высоких температур во многих используемых приборах полагаются на многие различные физические принципы, и величайшее значение имеет то, чтобы все они давали одинаковые показания при одних и тех же условиях. Этот результат не был бы достигнут, если бы каждый прибор оценивался по своим собственным характеристикам. В случае ртутного термометра, например, мы можем обозначить величину расширения между температурами льда и пара при давлении 76 сантиметров, представляющую 100° Цельсия, через a; а затем предположить, что расширение 2a будет означать температуру 200°, и так далее пропорционально. Аналогично мы можем найти увеличение сопротивления, проявляемое платиной между теми же двумя фиксированными точками, и обозначить его через r, а затем предположить, что увеличение 2r будет соответствовать 200°. Если теперь мы сравним два прибора, мы обнаружим, что они не согласуются, ибо при помещении обоих в пространство, в котором платиновый прибор зарегистрировал 200°, ртутный термометр показал бы 203°. Подобное или даже большее расхождение наблюдалось бы, если бы другие физические изменения использовались для обеспечения температурных шкал на этих принципах, и поэтому весьма желательно использовать эталон, независимый от какого-либо физического свойства материи. Такой эталон можно найти в термодинамической шкале температур, первоначально предложенной лордом Кельвином. Эта шкала основана на преобразовании теплоты в работу в тепловом двигателе, процесс, который не зависит от природы используемой среды. Температурная шкала, основанная на этом преобразовании, следовательно, не связана с каким-либо физическим свойством материи и предоставляет эталон сравнения, с которым могут быть сопоставлены все практические приборы для измерения температур. [1] Когда показания выражаются в терминах этой шкалы, принято использовать букву K в сочетании с числом: таким образом, 850° K означало бы 850 градусов по термодинамической шкале.

Когда существующие приборы сравниваются с этим эталоном, обнаруживается, что шкала, основанная на предположении, что объем газа, свободного для расширения, или давление заключенного газа увеличивается прямо пропорционально температуре, находится в тесном согласии с термодинамической шкалой. Можно доказать, что если бы используемый газ был «идеальным», была бы получена шкала в точном соответствии с описанным эталоном; и газы, которые ближе всего подходят по свойствам к идеальному газу, такие как водород, азот и воздух, могут поэтому использоваться для создания практического эталона, показания которого почти идентичны термодинамической шкале. Если выбрать любое другое физическое изменение, такое как расширение твердого тела или увеличение сопротивления металла, и основывать температурную шкалу на предположении, что рассматриваемое изменение варьируется прямо пропорционально температуре, полученные результаты значительно отличались бы от абсолютного эталона. По этой причине практическим эталоном температуры, ныне повсеместно принятым, является прибор, основанный на свойствах подходящего газа.

Газовый термометр постоянного объема. — Применяя свойства газа для практического измерения температуры, мы можем разработать некоторый способ определения увеличения объема, когда газу позволяют расширяться, или можно наблюдать увеличение давления заключенного газа. Последняя процедура более удобна на практике, и прибор, используемый для этой цели, известен как газовый термометр постоянного объема, одна из форм которого показана на рис. 1. Газ заключен в резервуар B, соединенный с трубкой, изогнутой в параллельную ветвь, в изгиб которой впаян кран C, снабженный сушильной чашкой. Конечность параллельной ветви соединена с куском гибкой трубки T, которая сообщается с ртутным резервуаром, который может перемещаться по шкале, причем стержень G служит направляющей. При использовании этого прибора резервуар B погружается в лед, и кран C открывается. Когда температура падает до 0° C, ртуть доводится до отметки A путем регулировки резервуара, а затем кран C закрывается. Резервуар B теперь помещается в пространство или среду, температуру которой нужно определить, и расширение предотвращается путем поднятия резервуара так, чтобы удерживать ртуть на отметке A. Когда состояние стабилизируется, считывается высота ртути в резервуаре над уровнем A, что дает ключ к температуре B. Если известен коэффициент давления используемого газа (в данном случае воздуха), температуру можно рассчитать по уравнению

P1 = P0(1 + bt),

где P1 — давление при t°; P0 — давление при 0°; и b — коэффициент давления; то есть увеличение давления на единицу при 0° при повышении температуры на 1°. Таким образом, если P0 = 76 см; b = 0,00367; высота ртути в резервуаре над A = 55,8 см; тогда

P1 = (76 + 55,8) = 131,8 см,

и путем подстановки этих значений в вышеприведенное уравнение t оказывается равным 200°. В описанном приборе P0 равно высоте барометра, так как кран C открыт, пока резервуар погружен в лед. Коэффициент давления можно определить, поместив резервуар в пар при известной температуре и отметив повышенное давление. В данном уравнении P1, P0 и t тогда известны, и значение b может быть рассчитано.

Рис. 1. — Воздушный термометр постоянного объема.

При использовании этого прибора для точных определений температуры необходимо учитывать расширение резервуара, что приводит к регистрации более низкого давления, чем было бы отмечено, если бы резервуар не расширялся. Опять же, газ в соединительной трубке имеет не ту же температуру, что и газ в резервуаре; ошибка, которую можно практически устранить, сделав резервуар большим, а канал трубки — малым. Температуру ртутного столба также необходимо учитывать, так как плотность меняется с температурой. Когда внесены различные поправки, можно получить показания высокой точности.

При применении для измерения высоких температур резервуар должен быть изготовлен из более тугоплавкого материала, чем стекло. Золото, фарфор, платина и кварц использовались различными исследователями, но наиболее надежным материалом для температур, превышающих 900° C, оказался сплав платины с 20 процентами родия. Наиболее подходящим газом для использования внутри резервуара является азот, который химически инертен по отношению к материалам резервуара и не поглощается металлами механически. При измерении высоких температур этим прибором требуется значительное давление, составляющее 1 атмосферу на каждое увеличение на 273 градуса выше точки льда, чтобы предотвратить расширение азота; и это давление имеет тенденцию деформировать резервуар и тем самым искажать показания. Эта проблема была решена Дэем, который окружил резервуар вторым, большим резервуаром и нагнетал воздух или азот в промежуточное пространство до тех пор, пока давление на внешнюю сторону резервуара термометра не становилось равным давлению, преобладающему внутри. Даже тогда не удалось получить показания выше 1550° C, так как резервуар начинал менять форму из-за размягчения материала. Эта температура представляет собой самую высокую, измеренную до сих пор по газовой шкале; но при использовании более огнеупорного материала, такого как плавленый диоксид циркония, может оказаться возможным расширить этот диапазон до 2000° C или более. Эксперименты в этом направлении весьма желательны, чтобы пирометры с высокими показаниями могли быть проверены непосредственно по газовой шкале.

Фиксированные точки для калибровки пирометров. — Очевидно, что газовый термометр совершенно не подходит для использования в мастерских или лабораториях, когда требуется быстрое определение высокой температуры. Его функция заключается в установлении фиксированных точек или температурных эталонов, с помощью которых другие, более удобные в использовании приборы могут быть проградуированы так, чтобы они согласовывались друг с другом и с самой газовой шкалой. Температурные шкалы всех современных пирометров, таким образом, выводятся, прямо или косвенно, из газового термометра. В таблице на следующей странице приведено количество фиксированных точек, определенных различными наблюдателями; ошибка, даже при самых высоких температурах, вероятно, не превышает ±2° C.

При подготовке температурной шкалы пирометра для практического использования прибор последовательно подвергается воздействию ряда температур, указанных в таблице, и таким образом на его шкале устанавливается несколько фиксированных точек. Пространство между этими точками затем соответствующим образом подразделяется для представления промежуточных температур.

Таблица фиксированных точек.

Substance. | Physical Condition. | Deg. | Deg.
Cent. | Fahr.
Water (ice) | At  Melting Point | 0  | 32
Water | ” Boiling ” | 100  | 212
Aniline | ”   ”   ” | 184  | 363
Naphthalene | ”   ”   ” | 218  | 424
Tin | ” Melting ” | 232  | 449
Lead | ”   ”   ” | 327  | 620
Zinc | ”   ”   ” | 419  | 786
Sulphur | ” Boiling ” | 445  | 833
Antimony | ” Melting ” | 631  | 1167
Aluminium | ”   ”   ” | 657  | 1214
Common Salt | ”   ”   ” | 800  | 1472
Silver (in air) | ”   ”   ” | 955  | 1751
Silver (free from oxygen) | ”   ”   ” | 962  | 1763
Gold | ”   ”   ” | 1064  | 1947
Copper (in air) | ”   ”   ” | 1064  | 1947
Copper (Graphite covered)  | ”   ”   ” | 1084  | 1983
Iron (pure) | ”   ”   ” | 1520  | 2768
Palladium | ”   ”   ” | 1549  | 2820
Platinum | ”   ”   ” |  1755  |  3190

Необходимо отметить, что цифры, приведенные в таблице, относятся только к чистым веществам, и что относительно небольшие количества примесей могут привести к серьезным ошибкам. Методы, с помощью которых физическое состояние, к которому относятся температуры, может быть реализовано на практике, будут описаны в следующей главе.

Шкала Национальной физической лаборатории. — Точного согласия в отношении фиксированных точек в разных странах еще не достигнуто, и попытка координации работы Национальной физической лаборатории, Бюро стандартов США и Рейхсанштальта с целью формирования международной шкалы была прервана войной. В 1916 году Национальная физическая лаборатория приняла набор фиксированных точек по термодинамической шкале Цельсия, в соответствии с которыми с тех пор были стандартизированы все британские пирометры. Видно, что цифры очень незначительно отличаются от тех, что приведены в предыдущей таблице, которые представляют собой средние результаты отдельных определений в разных странах.

Шкала Национальной физической лаборатории (1916)

Substance. | Physical Condition. | Deg. | Deg.
Cent. | Fahr.
Water (ice) |  At  Melting Point | 0    | 32
Water |  ” Boiling  ”  (760 mm.)  | 100    | 212
Naphthalene |  ”   ”   ”   ” | 217·9  | 424
Benzophenone |  ”   ”   ”   ” | 305·9  | 582
Zinc |  At  Melting Point | 419·4  | 787
Antimony |  ”   ”   ” | 630    | 1166
Common Salt |  ”   ”   ” | 801    | 1474
Silver (in reducing atmosphere) |  ”   ”   ” | 961    | 1761
Gold |  ”   ”   ” | 1063    | 1945
Copper (in reducing atmosphere)  |  ”   ”   ” |  1083    |  1982

Для более высоких температур используются точки плавления никеля (1452° C) и палладия (1549° C), но точность в этих случаях не так достоверна, как с веществами, названными в таблице. Полезная точка, промежуточная между медью и никелем, была установлена Э. Гриффитсом и получается путем нагревания никеля с избытком графита, когда образуется четко определенная эвтектика, которая замерзает при 1330° C или 2426° F.

Температуры выше текущего предела газового термометра. — Поскольку пока невозможно сравнить прибор непосредственно с газовым термометром выше 1550° C, все более высокие температуры должны быть получены путем процесса экстраполяции. Путем тщательного наблюдения физического изменения при температурах до предела 1550° C можно обнаружить закон, управляющий таким изменением; и, предполагая, что закон сохраняется бесконечно, более высокие температуры можно вывести путем расчета. Некоторая степень неопределенности всегда сопровождает эту процедуру, и в прошлом приводились некоторые нелепые цифры в результате неопределенной экстраполяции. Веджвуд, например, предполагая равномерное сжатие глины, указал 12001° C или 21637° F как точку плавления ковкого железа, тогда как правильная цифра составляет 1520° C согласно газовой шкале. Даже в недавние времена экстраполяция закона, связывающего температуру термопары с развиваемой электродвижущей силой, полученная путем сравнения с газовой шкалой до 1100° C, привела Харкера к выводу, что точка плавления платины составляет 1710° C, цифра на 45 градусов ниже той, что принята сейчас. Законы, управляющие излучением энергии при различных температурах, однако, по-видимому, поддаются математическому доказательству из термодинамических принципов, и температуры, выведенные из этих законов, в действительности выражены по абсолютной или термодинамической шкале. Экстраполяция этих законов при использовании для вывода температур с помощью радиационных пирометров, по-видимому, оправдана; но все же желательно расширить газовую шкалу как можно дальше, чтобы проверить такие приборы. Предполагая, что законы излучения верны, можно определить самые высокие достижимые температуры, такие как температура электрической дуги, с разумной степенью уверенности.

[1] Более полное описание термодинамической шкалы см. в трактате автора «Теплота для инженеров», стр. 391-2.

ГЛАВА III ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ

Общие принципы. — Зеебек в 1822 году сделал открытие, что при нагревании спая двух разнородных металлов на спае возникает электродвижущая сила, которая порождает электрический ток, когда нагретый спай образует часть замкнутой цепи. Беккерель в 1826 году попытался применить это открытие к измерению высоких температур, так как было замечено, что в целом Э.Д.С. возрастает по мере повышения температуры спая. Согласованных результатов получено не было, и та же участь постигла исследования других, кто впоследствии пытался создать пирометры, основанные на эффекте Зеебека. Эти неудачи были вызваны несколькими причинами, но главным образом отсутствием надежных гальванометров, которыми мы обладаем сейчас. Только в 1886 году проблема была удовлетворительно решена Ле Шателье из Парижа.

Хотя любой нагретый спай металлов порождает электродвижущую силу, из этого не следует, что любая пара, взятая наугад, будет подходить для целей пирометра. Спай железа и меди, например, порождает Э.Д.С., которая возрастает с температурой до определенной точки, после чего Э.Д.С. падает, хотя температура растет, и наконец меняет направление — явление, которому было дано название «термоэлектрическая инверсия». Очевидно, что в этом случае было бы невозможно измерять температуры по наблюдениям производимой электродвижущей силы, и любая выбранная пара должна быть свободна от этого сдерживающего свойства. Более того, используемые металлы не должны подвергаться порче или изменению термоэлектрических свойств при длительном воздействии температуры, которую желательно измерить. Эти и другие соображения сильно ограничивают выбор подходящей пары металлов, которая для достижения удовлетворительных результатов должна соответствовать следующим условиям:—

1. Э.Д.С., развиваемая спаем, должна возрастать равномерно по мере повышения температуры.

2. Точка плавления любого компонента должна быть значительно выше самой высокой измеряемой температуры. Исключение из этого правила возникает, когда используется Э.Д.С. расплавленных материалов.

3. Термоэлектрическое значение пары не должно изменяться при длительном нагревании.

4. Металлы должны быть способны вытягиваться в однородные проволоки, чтобы спай, где бы он ни был сформирован, всегда порождал одну и ту же Э.Д.С. при заданных условиях.

Дополнительным преимуществом является то, если металлы, выполняющие вышеуказанные условия, дешевы и долговечны.

Требовательный характер этих условий задержал создание надежного термоэлектрического пирометра до 1886 года, когда Ле Шателье обнаружил, что спай, образованный из платины в качестве одного металла и сплава 90 процентов платины и 10 процентов родия в качестве другого, дает согласованные результаты. При измерении производимой Э.Д.С. Ле Шателье воспользовался магнитоэлектрическим гальванометром, введенным д'Арсонвалем, который обладал преимуществами равномерно разделенной шкалы и апериодического действия. Это удачное сочетание подходящего спая с простым и удовлетворительным индикатором немедленно установило надежность термоэлектрического метода измерения температур. Поскольку платина плавится при 1755° C, а родиевый сплав — при еще более высокой температуре, тем самым было обеспечено средство контроля большинства промышленных операций, выполняемых в печах.

До сих пор эффект нагревания спая рассматривался без учета температуры остальной части цепи, и перед описанием конструкции практических приборов необходимо рассмотреть законы, управляющие термоэлектрической цепью, простейшая форма которой представлена на рис. 2. Один из проводов соединен на обоих концах с отдельными кусками другого провода, свободные концы которых подведены к гальванометру. Таким образом образуются два спая, A и B, которые, очевидно, действуют в противофазе; ибо если при нагревании A направление тока идет от A к B, то при нагревании B направление будет от B к A. Следовательно, если A и B нагреты одинаково, ток в цепи не потечет, так как устройство эквивалентно двум элементам равной Э.Д.С., включенным встречно. Термические спаи образуются на каждой из клемм гальванометра, но токи, которые они порождают при изменении температуры, противоположны и взаимно уничтожаются. Закон, который справедлив для этой цепи, можно выразить так:—

«Если в термоэлектрической цепи имеются два спая, A и B, развиваемая электродвижущая сила пропорциональна разности температур между A и B».

Рис. 2. — Двухспайная термоэлектрическая цепь.

Принято называть два спая «горячим» и «холодным» спаями; но важно помнить, что колебания температуры любого из них изменят показания на гальванометре или индикаторе.

Второй закон, который применяется ко всем термоэлектрическим цепям, заключается в том, что «развиваемая Э.Д.С. не зависит от толщины проволоки». Это не означает, что отклонение гальванометра одинаково, используются ли тонкие или толстые проволоки для формирования спая. Отклонение зависит от тока, протекающего через цепь, и это, согласно закону Ома, обратно пропорционально общему сопротивлению цепи. Следовательно, использование тонких проволок данного вида будет иметь тенденцию давать меньшее отклонение, чем в случае толстых проволок, так как сопротивление первых будет больше, и если сопротивление гальванометра не велико по сравнению с сопротивлением спая, разница в отклонении будет заметной. Э.Д.С., однако, одинакова при заданных условиях, независимо от того, какая толщина проволоки используется.

Обращение к рис. 2 покажет, что для реализации этой цепи на практике один из проводов, образующих пару, должен использоваться в виде выводов к гальванометру. Это можно легко сделать, если материал проволоки дешев; но если используется платина или другой дорогой металл, а гальванометр находится на расстоянии нескольких ярдов, вопрос стоимости требует компромисса, и цепь тогда устраивается, как на рис. 3. Провода, образующие горячий спай, подведены к латунным клеммам T T, от которых медные провода ведут к гальванометру G. Это устройство приводит к трем эффективным спаям, а именно: горячий спай A к B; спай A к латуни и спай B к латуни. Будет видно, что два спая меди с латунью находятся в противофазе и взаимно уничтожаются при равном нагреве; то же самое относится к соединениям гальванометра. Цепь, таким образом состоящая из трех отдельных спаев, не позволяет получить простое выражение для чистой Э.Д.С. при изменяющихся температурных условиях, и во избежание ошибок в показаниях необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить любое заметное изменение температуры на клеммах T T в практическом приборе, устроенном согласно диаграмме.

Рис. 3. — Трехспайная термоэлектрическая цепь.

Практически полезным моментом в термоэлектрической работе является тот факт, что если провод прерван участком другого металла, как указано в C на рис. 3, ток в цепи не возникнет, если оба соединения нагреты одинаково, так как электродвижущие силы, генерируемые на каждом спае, находятся в противофазе. Таким образом, можно прервать цепь штекерным ключом или выключателем, не внося ошибки; всегда при условии, что равномерная температура преобладает в области, содержащей соединения.

Другой полезный факт заключается в том, что если две проволоки приведены в контакт, их можно скрепить над соединением пайкой или использованием третьего металла без изменения термоэлектрического значения, за редкими исключениями. Так, медно-константановый или железо-константановый спай можно подходящим образом соединить серебряным припоем, используя буру в качестве флюса, тем самым избегая неопределенности контакта, которая всегда должна возникать, когда проволоки просто скручены вместе. Сварка, однако, предпочтительнее пайки.

Металлы, используемые для термических спаев. — До недавних лет было принято использовать платино-родиевоплатиновый или платино-иридиевоплатиновый спай для всех температур, выходящих за пределы диапазона ртутного термометра. Почти запретительная цена этих металлов вызвала исследования с целью обнаружения более дешевых заменителей, с успешными результатами до 1000° C или 1800° F, тем самым охватывая диапазон температур, используемых во многих промышленных процессах. Выше этой температуры платиновая серия металлов все еще используется для точной работы, но будет большим преимуществом, если диапазон, измеряемый дешевыми или «неблагородными» металлами, может быть далее расширен. Перспективы в этом направлении открываются свойствами расплавленных металлов при использовании в термических спаях. Исследование автора показало, что в целом Э.Д.С., развиваемая спаем, не претерпевает какого-либо внезапного изменения, когда один или оба металла плавятся, а продолжается, как если бы плавления не произошло. Приняв меры для поддержания непрерывности цепи после плавления, можно будет измерять температуры, приближающиеся к точкам кипения таких металлов, как медь и олово, обе из которых выше 2000° C. Неблагородные металлы не так долговечны, как платина и родственные металлы, но поскольку стоимость замены ничтожна, этот недостаток не имеет большого значения. Более того, спаи из неблагородных металлов обычно развивают гораздо более высокую Э.Д.С., чем платиновые металлы, что позволяет использовать более прочные и дешевые гальванометры в качестве индикаторов.

Термические спаи, используемые в пирометрах.

Couple. | Upper limit to which
 Junction may be used.
Deg. | Deg.
Cent. | Fahr.
Platinum and rhodioplatinum (10 per cent. Rh) | 1400 | 2550
2 Rhodioplatinum alloys of different composition  | 1600 | 2900
Platinum and iridioplatinum (10 per cent. Ir) | 1100 | 2000
Nickel and constantan |  900 | 1650
Nickel and copper |  800 | 1475
Nickel and carbon | 1000 | 1850
Nickel and iron | 1000 | 1850
Iron and constantan |  900 | 1650
Copper and constantan |  800 | 1475
Silver and constantan |  800 | 1475
2 Nickel chrome alloys of different composition |  |
  (Hoskin’s alloys) | 1100 | 2010
Nickel-chrome alloy and nickel-aluminium alloy | 1100 | 2010
2 Iron-nickel alloys of different composition | 1000 | 1850

Электродвижущая сила, развиваемая спаем любой данной пары металлов при нагревании до данной температуры, варьируется в зависимости от происхождения металлов. Не является необычным, например, для двух образцов 10-процентного родиевоплатинового сплава, полученных из разных источников, показать разницу в этом отношении в 40 процентов при соединении с тем же куском платины. Равные или большие расхождения могут быть отмечены с другими металлами; и, следовательно, замена спая может быть осуществлена с точностью только проволоками из тех же длин, частью которых был спай. Показывая, как сама платина не является однородной, можно упомянуть, что почти любые два куска платиновой проволоки, если они не из одной длины, вызовут отклонение на чувствительном гальванометре при превращении в спай и нагревании. Поэтому принято, чтобы производители получали значительные количества проволоки данного вида, однородной, насколько это возможно, чтобы можно было изготовить ряд идентичных приборов, а спаи при необходимости заменять без изменения шкалы индикатора.

Сплав, известный как «константан», который широко представлен в вышеприведенной таблице, состоит из никеля и меди и практически идентичен сплаву, продаваемому как «Eureka» или «Advance». Он имеет высокое удельное сопротивление и очень малый температурный коэффициент и часто используется для намотки сопротивлений. Пары, образованные из константана и других металлов, при нагревании дают Э.Д.С. в несколько раз большую, чем та, что получается парами платиновой серии, и показывают столь же устойчивый рост Э.Д.С. с температурой. Этот сплав оказался очень полезным в связи с термоэлектрическим методом измерения температур. Пары, образованные из никель-хромовых сплавов, известных как «сплавы Хоскина», были введены в Британию компанией Foster Instrument Company, которые могут использоваться непрерывно до 1100° C, а для эпизодических показаний — до 1300° C. Другая пара, часто используемая в Америке, состоит из сплава 90 процентов никеля и 10 процентов хрома и сплава 98 процентов никеля и 2 процентов алюминия, которые могут использоваться до 1100° C. Другие пары, образованные из сплавов никеля, хрома, железа, алюминия и т. д., были введены различными производителями, но не оказались столь удовлетворительными, как упомянутые выше.

Изменения в термических спаях при постоянном использовании. — Ни один металл, по-видимому, не способен выдерживать высокую температуру непрерывно, не подвергаясь некоторому физическому изменению; и по этой причине Э.Д.С., развиваемая данным спаем, подвержена изменению после периода постоянного использования. При температурах выше 1100° C платина, например, претерпевает заметное изменение за сравнительно короткий период, но ниже 1000° C изменение очень незначительно, и если этот диапазон не превышается, платино-родиевоплатиновый или иридиевоплатиновый спай может использоваться годами без возникновения серьезной ошибки по этой причине. Эта подверженность изменению является одним из факторов, ограничивающих диапазон термических спаев, которые никогда не следует использовать непрерывно выше температуры, при которой изменение начинает становиться значительным. Второй причиной расхождения является возможное изменение состава сплава из-за ухода одного из компонентов в виде пара, как отмечено со сплавами иридиевоплатиновыми, из которых иридий улетучивается в ощутимых количествах выше 1100° C, вызывая падение на 10 процентов или более термоэлектрического значения спая этих сплавов с платиной. Константан, по-видимому, очень стабилен в своих термоэлектрических свойствах, и различные спаи, в которых он играет роль, показывают высокую степень стабильности, если не перегреваются. Родиевоплатиновые сплавы очень стабильны, и для температур, превышающих 1100° C, спай из двух таких сплавов разного состава более долговечен, чем тот, в котором используется чистая платина. Расширенная серия испытаний спаев из неблагородных металлов, проведенная в Америке Ковалке, показала, что непрерывное нагревание пар, полученных от производителей, значительно изменяло Э.Д.С., причем изменение в некоторых случаях представляло более 100° C на индикаторе. Стабильное состояние, обусловленное снятием напряжений или другим изменением, было наконец достигнуто, и был сделан вывод, что материалы должны быть тщательно отожжены перед калибровкой. Желательно во всех случаях периодически проверять спаи при некоторой стандартной температуре, и если отмечена какая-либо заметная ошибка, заменить старый спай новым.

В дополнение к ошибкам из-за медленных физических изменений, спай может значительно измениться, если он плохо защищен, из-за химического воздействия печных газов или твердых веществ, с которыми спай может вступить в контакт. Пары металлов, таких как свинец или сурьма, очень вредны; и платина, в частности, серьезно страдает от паров, содержащих фосфор, если находится в восстановительной атмосфере. Настолько глубоко коррозионное действие печных газов, что адекватная защита спая необходима, если нужно избежать ошибок и повреждений. Когда проволока однажды подверглась коррозии, спай, сделанный с ней, не будет развивать ту же Э.Д.С., что и раньше.

Электродвижущая сила, развиваемая типичными спаями. — Следующая таблица показывает Э.Д.С., генерируемую несколькими спаями для диапазона 100° C, взятого в средней части рабочего диапазона в каждом случае. Эти цифры подвержены значительным вариациям в зависимости от происхождения металлов.

Couple. | E.M.F. in millivolts for
 a rise of 100° at middle
of working range.
Platinum-rhodioplatinum (10 per cent. Rh)  | 1·1
Platinum-iridioplatinum (10 per cent. Ir) | 1·2
Nickel-constantan | 2·3
Copper-constantan | 5·8
Nickel-copper | 6·1
Iron-constantan | 6·7
Hoskin’s alloys | 7·4

Будет отмечено, что спаи из неблагородных металлов дают гораздо более высокие значения, чем платиновая серия, и поэтому могут использоваться с менее чувствительным, а следовательно, более дешевым индикатором. Спаи из неблагородных металлов также, вследствие большей предоставляемой Э.Д.С., способны давать более чувствительные показания в выбранном диапазоне температур.

Рис. 4. — Практическая форма термоэлектрического пирометра.

Практические формы термопар. — Когда используются дорогие спаи, применяются проволоки минимальной толщины, совместимой с прочностью и удобством конструкции, причем диаметр № 25 по стандартному калибру проволоки является подходящим. Обычное устройство показано на рис. 4, в котором J — горячий спай, провода от которого пропущены через тонкие огнеупорные трубки, служащие изоляторами (или через двухканальный огнеупор), к катушкам R R в головке пирометра, на которые намотано количество запасной проволоки, чтобы позволить делать новые спаи при необходимости. Две латунные полоски S привинчены к проволокам на одном конце и снабжены винтовыми клеммами на другом конце, от которых провода ведут к гальванометру или индикатору. Защитная трубка T окружает провода и горячий спай. Головка H может быть изготовлена из дерева, фибры или фарфора и должна быть изолятором для электричества и тепла. Существуют различные модификации в использовании, но общий описанный метод принят большинством производителей. Чтобы защитить от ошибок, возникающих из-за изменений температуры холодных спаев в конце пирометра, некоторые фирмы конструируют головку так, чтобы оставить полое пространство, через которое постоянно циркулирует холодная вода (рис. 5), устройство, известное как «головка с водяным охлаждением». В некоторых формах запас проволок сделан в виде двух спиральных пружин в полой головке, причем верхние концы пружин подведены к клеммам.

Рис. 5. Пирометр с головкой водяного охлаждения.

Выбор защитной трубки имеет большое значение. Очевидно, что такая трубка не должна размягчаться при достижении максимальной температуры, а при использовании дорогостоящих металлов для формирования спая оболочка не должна быть проницаемой для газов или паров. Она также должна, по возможности, обладать хорошей теплопроводностью, чтобы спай мог быстро реагировать на изменение температуры окружающей среды, и обладать достаточной механической прочностью. Трудно обеспечить все эти свойства в одном материале, поэтому выбор оболочки определяется условиями, в которых будет использоваться термопара. Вещества, применяемые для этих целей, их свойства и особенности использования можно перечислить следующим образом:

1. Железо или мягкая сталь. Для температур, не превышающих 1100° C, чехлы из железа или мягкой стали являются дешевыми и эффективными с точки зрения теплопроводности, хотя и подвержены порче из-за окисления. Склонность к окислению значительно уменьшается при «калоризации» внешней поверхности по процессу Рудера, при котором железо нагревается в смеси металлического алюминия и оксида алюминия, в результате чего образуется поверхностный сплав, устойчивый к окислению. Почти такой же результат можно получить, смазав поверхность мелким алюминиевым порошком и нагрев до белого каления. Эта обработка значительно продлевает срок службы железной оболочки. Некоторые производители используют внутреннюю стальную трубку вокруг проводов и внешнюю трубку, которая контактирует с печными газами; коррозия последней обнаруживается до того, как внутренняя трубка выйдет из строя и обнажит спай. Некоторые производители не считают безопасным подвергать нагретую платину воздействию железной поверхности при наличии только воздушной прослойки, поэтому используют внутренний чехол из кварца или фарфора, который внешняя железная или стальная трубка защищает от механических повреждений. Для обычных работ удовлетворительны бесшовные паропроводные или гидравлические стальные трубки со сварным концом; но для погружения в расплавленный свинец или другие металлы трубку следует высверливать из цельной заготовки. Большим преимуществом железной или стальной оболочки является ее механическая прочность, которая защищает термопару от повреждений в случае грубого обращения.

2. Нихром. Некоторые сплавы никеля и хрома, особенно известный как «Нихром II», могут выдерживать температуру 1100° C без заметного окисления; поэтому оболочки из этого материала можно использовать вплоть до указанной температуры. Помимо большей долговечности по сравнению с железом, нихром обладает теми же преимуществами прочности и хорошей теплопроводности; с другой стороны, он более дорогостоящий.

3. Молибден. Этот металл, имеющий температуру плавления около 2500° C, можно погружать в расплавленную латунь, бронзу, медь и т. д. без разрушения; он использовался для изготовления наконечника защитной трубки, предназначенной для измерения температуры расплавленных сплавов. Спай, покрытый только тонкой трубкой из молибдена, быстро достигает температуры окружающей среды.

4. Графит и графитовые композиции. Углерод имеет самую высокую температуру плавления среди всех известных веществ, и в форме искусственного графита или графита Ачесона его легко обрабатывать для придания любой желаемой формы. Графитовые оболочки иногда используются для погружения в расплавленные металлы, но при температуре 1000° C и выше графит Ачесона легко окисляется и становится хрупким. Он является хорошим проводником тепла, но легко ломается. Композиции из природного графита и огнеупорных земель, такие как «Саламандра» фирмы Morgan, уступают чистому графиту по теплопроводности, но прочнее, не так легко окисляются и могут использоваться для изготовления оболочек при температурах до 1400° C или, возможно, выше, когда проникновение печных газов к спаю не имеет существенного значения.

5. Фарфор. Этот материал в своих лучших формах может использоваться при температурах до 1400° C, но должен быть эффективно глазурован для предотвращения проникновения печных газов к спаю. Он легко разбивается при ударе, и, когда позволяют обстоятельства, его следует защищать железной оболочкой. Разновидность, известная как «Марквардт», оказалась очень удовлетворительной для высокотемпературных термопар. Фарфор не является хорошим проводником тепла, и заключенный в него спай не реагирует быстро на внешние изменения температуры.

6. Витрифицированный кварц (плавленый кварц). Это вещество, которое можно обрабатывать в пламени кислородно-водородной горелки, широко используется в качестве защитной трубки. Однако не рекомендуется использовать его для непрерывной работы при температуре выше 1100° C, так как выше этой температуры происходит расстекловывание и трубка становится пористой. Он является довольно хорошим проводником тепла и выдерживает быстрые изменения температуры без растрескивания. Он очень хрупкий, и по этой причине его обычно заключают в железо.

7. Алунд. Этот материал изготавливается из плавленого боксита и имеет температуру плавления 2050° C. Специальная форма алунда, используемая для защитных трубок, является непористой до 1300° C и образует удовлетворительное покрытие. Алунд является умеренно хорошим проводником тепла, но легко ломается.

8. Карборунд. Это продукт электропечи, который можно нагревать выше 2000° C без повреждений. Для изготовления пирометрических трубок его связывают подходящим материалом и обжигают после придания формы. Карборунд и аморфная разновидность, известная как «силфракс», оказались полезными для защиты спаев при температурах до 1600° C. Теплопроводность относительно хорошая, но трубки легко ломаются.

9. Магнезия. Трубки из этого материала, который плавится при температуре значительно выше 2000° C, использовались для специальных работ. Магнезия является плохим проводником тепла и обладает низкой механической прочностью.

10. Диоксид циркония (циркония). Это очень огнеупорный материал, температура плавления которого превышает 2500° C. Из него можно изготовить стекловидную разновидность, которая является непористой и устойчивой к резким перепадам температуры. В настоящее время доступна только формованная пирометрическая трубка, изготовленная из порошка диоксида циркония; материал, обработанный таким образом, называется «циркит». Хотя диоксид циркония является плохим проводником тепла, его другие качества таковы, что он представляет собой отличный материал для работы при самых высоких температурах, возможных для термопар; и когда появится стекловидная разновидность, он может получить широкое распространение.

Рис. 6. Пирометр со специальным холодным спаем в головке.

Из вышесказанного видно, что идеальная защитная трубка еще не найдена, и пользователь должен выбрать ту, которая наиболее близка к его требованиям. Особое внимание следует уделять случаям, когда присутствуют химические пары, и выбирать оболочку, которая не подвергается их воздействию и не проницаема для них.

Возвращаясь к спаю, рекомендуется всегда сваривать провода, а не полагаться на контакт, возникающий при их скручивании. Платину и платиновые сплавы можно легко сварить, поместив спай в пламя каменноугольной горелки, питаемой кислородом вместо воздуха. Для работы при более низких температурах платиновые металлы можно спаять с помощью небольшого количества золота в пламени горелки Бунзена.

При использовании дешевых металлов для спая конструкция может быть значительно изменена, зачастую с преимуществом. На рис. 6, например, где представлена термопара производства A. Gallenkamp & Co., используются медь и константан, а горячий спай, закрепленный серебряным припоем, дополнен холодным спаем из тех же металлов, расположенным в головке. Медный провод от горячего спая проходит непосредственно к медной клемме, откуда медный вывод идет к гальванометру; та же процедура выполняется с медным проводом от холодного спая, тем самым реализуя схему, показанную на рис. 2. Холодный спай хранится в масле, температура которого регистрируется коротким термометром, что позволяет (как будет объяснено позже) определить правильную температуру горячего спая при любых обстоятельствах. В этом приборе для изоляции проводов используется двухканальная огнеупорная глина, а защитная трубка выполнена из железа, чего достаточно для верхнего предела (800° C), при котором может использоваться спай. Железо и константан можно использовать таким же образом, применяя железные выводы к гальванометру.

Другой тип прибора, ставший практичным благодаря использованию дешевых металлов и который можно назвать «тяжелым типом», изготавливается из толстых кусков металлов, сваренных вместе, вместо проводов, что обеспечивает большую прочность и более длительный срок службы. Фирма Crompton & Co. первой представила термопары этого типа, состоящие из тяжелой стальной трубки, к одному концу которой приварен никелевый стержень, другой конец свободен, а длина стержня соответствующим образом изолирована от стальной трубки; выводы от стержня и трубки идут к гальванометру. На рис. 7 показана термопара такого типа производства Paul, состоящая из железной трубки, внутри которой проходит константановый стержень, изолированный от трубки магнезией. На сужающемся конце два металла сварены вместе, а на свободном конце специальный колпачок, установленный поверх трубки и стержня, контактные части которого изолированы друг от друга, служит для обеспечения возможности вывода к гальванометру. Подобные термопары производятся компанией Foster Instrument Company (рис. 8) и являются простыми, дешевыми и надежными до 900° C с железо-константановой термопарой и до 1100° C с нихромовыми термопарами. Когда они изнашиваются, их можно заменить с минимальными затратами на другие, изготовленные из той же партии металла.

Рис. 7. Пирометр «тяжелого типа» из дешевых металлов.

Недостатком использования углерода в качестве одного из материалов для спая является трудность обеспечения хорошего контакта с металлом, с которым он соединен. В никель-углеродных спаях контакт иногда обеспечивается с помощью пружины, которая прижимает два вещества друг к другу. Такое устройство, очевидно, не так надежно, как то, в котором материалы сварены, и дефектный контакт, возникающий по любой причине, приведет к серьезной ошибке. Более предпочтительный план — ввинтить оба стержня, никелевый и углеродный, в поперечину из любого из этих элементов.

Рис. 8. Пирометр Foster из дешевых металлов.

При использовании термопары для измерения температуры поверхности, например паропроводов или внешней стороны печей, провода можно пропустить через тонкий металлический диск диаметром около ¼ дюйма и припаять с обратной стороны. Подходящими материалами являются медь и константан, припаянные к тонкому медному диску серебряным припоем и выведенные к холодному спаю в головке прибора, как показано на рис. 6. Концевая часть изоляции может быть выполнена из твердого дерева с отверстиями, зенкованными так, чтобы закрыть припой и позволить дереву касаться диска, который при прижатии к горячей поверхности быстро приобретет ее температуру. Автор обнаружил путем испытаний в различных условиях, что этот метод измерения температуры поверхности дает надежные и согласованные результаты. Для очень высоких температур поверхности будет достаточно платинового диска с одной из обычных термопар из платиновых металлов, припаянных к диску чистым серебром, и куском двухканальной огнеупорной глины, подведенной к задней части диска, что подходит для большинства случаев, возникающих на практике. Для пайки проводов к диску лучше всего подходит пламя небольшой горелки, причем в первом случае используется бура в качестве флюса; но при пайке платиновых металлов чистым серебром флюс не требуется.

При определении длины термопары необходимо помнить, что записываемая температура — это температура, преобладающая в области горячего спая. Когда температура в печи равномерна, достаточно, чтобы конец термопары выступал внутрь примерно на 12 дюймов, но при отслеживании изменения температуры объектов в печи конец должен располагаться рядом с объектами. Если расстояние от внешней стороны печи до объектов превышает 2 фута, термопару следует вставлять через крышу так, чтобы она висела вертикально, так как при установке через боковую стенку она провиснет под собственным весом при высоких температурах. Расстояние между внешней стороной печи и холодными спаями должно составлять не менее 15 дюймов во всех случаях, когда нагрев холодного спая не компенсируется автоматически. После вставки термопары отверстие в стенке печи следует закрыть подходящей замазочной глиной.

В некоторых случаях, например в дымоходах, необходимо использовать длинный прибор в горизонтальном положении. В таком случае через дымоход в подходящем месте можно поместить рейку, которая будет служить опорой и предотвращать провисание.

Термопары с жидкими элементами. Исследование, проведенное автором и А. У. Грейсом, показало, что непрерывность ЭДС, создаваемой при повышении температуры, не прерывается при плавлении, за исключением случаев висмута и сурьмы, которые оба демонстрируют резкое изменение термоэлектрических свойств в точке плавления. Поэтому представляется возможным измерять температуру, сконструировав термопару так, чтобы сохранить цепь после плавления; преимущество заключается в том, что диапазон ограничивается температурой кипения металлов, а не температурой плавления, что делает возможными более высокие показания. Температуры кипения некоторых распространенных металлов приведены ниже:

Metal. | Boiling Point.
|  Deg. C.  |  Deg. F 
Aluminium     | 1800 | 3270
Silver | 1955 | 3550
Tin | 2270 | 4120
Copper | 2310 | 4190
Nickel | 2330 | 4225
Iron | 2450 | 4440

При изучении этих цифр видно, что если бы удалось получить подходящую термопару, можно было бы использовать обычные металлы для измерения температур, равных или даже превышающих предел диапазона, охватываемого проволочными спаями из металлов платиновой группы. Вместо использования двух металлов один из элементов пары мог бы составлять графит, при условии, что не существует возражений против его использования по другим причинам.

Рис. 9. Термопара с жидким элементом.

Форма термопары, разработанная автором для обеспечения возможности использования расплавленных элементов, показана на рис. 9. Стержень из огнеупорного материала R имеет два продольных отверстия, через которые пропущены стержни термоэлементов A и B. Нижние концы A и B вставлены в графитовый блок G, который соединен своей верхней гранью с R; все это окружено огнеупорной оболочкой C. При плавлении одного или обоих элементов цепь поддерживается через G, который также служит для предотвращения смешивания A и B в расплавленном состоянии, не влияя при этом на развиваемую ЭДС. Чтобы учесть расширение металлов при плавлении, A и B сделаны так, чтобы они свободно входили в R. При вставке в печь на глубину, представленную EF, расплавится только часть металлов, прилегающая к закрытому концу, а внешние части останутся твердыми. В настоящее время не удалось получить огнеупорные детали в форме, пригодной для коммерческого использования, но когда это препятствие будет преодолено, этот тип термопары должен оказаться полезным для измерения температур, выходящих за рамки обычных спаев из неблагородных металлов.

Индикаторы для термоэлектрических пирометров. Поскольку электродвижущая сила, развиваемая одним спаем при нагревании, мала, для индикации слабого тока, протекающего через цепь, требуется чувствительный гальванометр. Повсеместно используются чувствительные милливольтметры подвижно-катушечного типа, так как они обладают преимуществом равномерно разделенной шкалы в сочетании с необходимой степенью чувствительности. Оригинальный гальванометр д’Арсонваля, состоящий из катушки, подвешенной на металлической ленте между полюсами подковообразного магнита, использовался Ле Шателье, который с его помощью смог заложить основы этой области пирометрии. В настоящее время используются три формы этого прибора, а именно: (a) зеркальный тип с подвесной катушкой; (b) стрелочный тип с подвесной катушкой; и (c) цапфовый тип. Примеры каждого из них будут описаны ниже.

Рис. 10. Зеркальный гальванометр Холдена-д’Арсонваля.

На рис. 10 представлен зеркальный гальванометр, работающий по принципу д’Арсонваля, разработанный генералом Холденом, членом Королевского общества. Подковообразный магнит является шихтованным, а между полюсами помещен железный сердечник, поддерживаемый стойкой. Катушка, которая движется в пространстве между сердечником и полюсами магнита, подвешена на тонкой плоской полоске фосфористой бронзы, несущей небольшое круглое зеркало. Аналогичная полоска из фосфористой бронзы прикреплена к нижней части катушки и продолжается до регулировочного винта в основании. Концы подвесных полосок сообщаются с клеммами гальванометра, и ток, входящий через одну клемму, проходит через металлические подвесы и катушку к другой. Эффект прохождения тока через катушку, расположенную в мощном магнитном поле, заключается в создании осевого движения, стремящегося скрутить подвесные полоски, которое значительно увеличивается пятном света, отраженным от зеркала на удаленную шкалу. Когда ток прекращается, раскручивание полоски возвращает катушку в прежнее положение. Гальванометры этого типа удивительно «апериодичны» в действии, то есть движение и восстановление катушки происходят без вибрации. Полупрозрачная шкала, расположенная на расстоянии 1 метра и имеющая длину 50 сантиметров, подходит для использования с этим гальванометром. При использовании в мастерских необходимо защищать зеркальный гальванометр от вибраций, создаваемых оборудованием, которые могут привести к неустойчивости светового пятна. Лучший метод достижения этого показан на рис. 11, на котором представлен способ подвески, разработанный У. Дж. Ламбертом для использования в Королевском артиллерийском заводе, Вулиджский арсенал. Обычные опоры гальванометра упразднены, и прибор подвешен на кольце латунного штатива так, чтобы три пружины находились частично в сжатом состоянии. При подвеске таким образом зеркальный гальванометр вполне пригоден для коммерческого использования; в тишине лаборатории можно использовать обычные опоры. Преимущество использования зеркального типа заключается в том, что возможна гораздо более длинная шкала, чем у приборов, снабженных стрелкой, и, следовательно, может быть обеспечена большая точность при определении показаний температуры.

Рис. 11. Антивибрационная подставка Ламберта для гальванометров.

Рис. 12. Термоэлектрический индикатор Сименса.

В приборах с подвесной катушкой, снабженных стрелкой, конструкция отличается от вышеописанной только в деталях. Вместо зеркала к подвесу прикреплена легкая стрелка, которая опирается на катушку, и предусмотрена шкала, по которой движется стрелка. Рис. 12 является примером этого типа, изготовленного фирмой Siemens, причем подвес находится в трубке, которая поднимается из корпуса прибора. Максимальная длина шкалы, по которой движется конец стрелки, составляет около 6 дюймов, так как более длинная и, следовательно, более тяжелая стрелка снизила бы чувствительность ниже уровня, необходимого для термоэлектрических работ.

В типе с двойными цапфами подвес исключен, а к каждому концу подвижной катушки прикреплены цапфы, которые опираются на подшипники. Поворот катушки сжимает волосковую пружину, изготовленную из фосфористой бронзы; когда ток прекращается, разматывание этой пружины возвращает катушку в прежнее положение. Катушка несет стрелку, которая движется по шкале. Эти приборы не так чувствительны, как те, в которых катушка подвешена, но могут быть сделаны достаточно чувствительными для работы с любым типом спая, используемым на практике. Цапфовая форма дешевле и прочнее подвесной и используется везде, где она достаточно чувствительна.

Гальванометр «Uni-pivot» (одноцапфовый), изготовленный Р. У. Полом, показан на рис. 13 и 17. Катушка, несущая стрелку, имеет круглую форму и движется вокруг сферического железного сердечника, помещенного между полюсами магнита. В железном сердечнике просверлено отверстие, и катушка опирается на единственный подшипник в нижней части этого отверстия. Контрольная пружина из фосфористой бронзы служит для возврата катушки в нулевое положение. Уменьшенное трение благодаря использованию единственной цапфы позволяет сделать этот прибор очень чувствительным при необходимости, так что относительно небольшое повышение температуры спая может заставить стрелку пройти всю длину шкалы.

Рис. 13. Принцип работы одноцапфового гальванометра.

Особенности индикаторов. Все подвижно-катушечные приборы, как подвесные, так и цапфовые, подвержены изменению нулевой точки из-за так называемого «ползучести». Подвесная лента при первой установке в положение обычно обладает определенным начальным кручением, которое проявляется постепенно и вызывает небольшое движение катушки. Аналогично, в цапфовом приборе сила или форма контрольной пружины сначала претерпевают постепенное изменение, заставляя стрелку отклоняться от нулевого положения. По этой причине установлены регулировочные приспособления, с помощью которых световое пятно или стрелку можно вернуть к нулю. Эта ползучесть прекращается через некоторое время — часто требуется двенадцать месяцев — и если прибор не подвергается никаким нагрузкам, ошибка по этой причине больше не повторяется в сколько-нибудь заметной степени. В зеркальном гальванометре лучше переместить шкалу или повернуть гальванометр вокруг своей оси, чтобы восстановить правильный ноль, а не скручивать катушку обратно; но при фиксированной шкале и стрелке единственным средством является поворот катушки целиком. В одноцапфовом индикаторе, постоянно используемом в лаборатории автора, ползучесть составила движение конца стрелки на угол 2 градуса за первые несколько месяцев, после чего, по прошествии нескольких лет, никаких дальнейших изменений не произошло. Рекомендуется время от времени проверять нулевую точку индикатора путем размыкания цепи, и если обнаружена ошибка, стрелку следует переустановить или внести поправку при снятии показаний.

Сопротивление индикатора должно быть настолько высоким, чтобы показания заметно не изменялись из-за любых колебаний сопротивления цепи, которые могут возникнуть на практике. Если для соединения пирометра с индикатором используются выводы значительной длины и они подвержены довольно большим изменениям температуры, то последующие изменения сопротивления таких выводов будут заметны на низкоомном индикаторе; аналогично, если пирометр вставляется в печь на разную глубину в разное время, нагревая тем самым разную длину проводов спая, по той же причине возникнет расхождение. Однако сопротивление индикатора нельзя повышать выше определенного предела, не снижая чувствительность ниже требуемого предела. Зеркальный гальванометр описанного типа может иметь сопротивление — частично в катушке и частично в добавленном последовательном сопротивлении — 1000 Ом или более и при этом оставаться достаточно чувствительным; а в последних типах приборов, снабженных стрелками, сопротивление может быть доведено до 1000 Ом, хотя чаще оно составляет 400–500 Ом. Однако используется много индикаторов, сопротивление которых составляет 100 Ом или менее. Поскольку, согласно закону Ома, ток обратно пропорционален общему сопротивлению в цепи, любое изменение сопротивления должно быть малым по отношению к общему, чтобы сделать ошибку пренебрежимо малой. Этот момент проясняется в следующем примере:

Пример. Термопара и выводы имеют сопротивление 5 Ом и подвержены изменениям, составляющим 1 Ом. Найти ошибки, возникающие при использовании индикаторов с сопротивлением 800, 400 и 50 Ом соответственно.

Согласно закону Ома, C = E/R, изменение C при постоянном E составит 1 к 805, 1 к 405 и 1 к 55 соответственно. Поскольку показания пропорциональны току, вызванные изменения составят приблизительно ⅛ процента, ¼ процента и 2 процента. Первыми двумя можно пренебречь; последнее может быть весьма серьезным и привести к срыву операции.

Из вышесказанного видно, что низкоомные индикаторы следует использовать только для стационарных термопар и коротких выводов, не подверженных изменениям температуры, или, другими словами, в цепи с фиксированным сопротивлением.

Сопротивление индикатора, если оно неизвестно, можно найти следующим методом, предложенным автором: магазин сопротивлений соединяется одним концом с одной клеммой индикатора. К другой клемме подключается довольно толстый железный провод длиной 18 дюймов, а аналогичный по длине константановый провод соединяется с другим концом магазина сопротивлений. Свободные концы проводов скручиваются в спай, который погружается в кипящую воду. Отмечается отклонение, полученное при отсутствии сопротивления в магазине (D1), а затем сопротивления (R) отключаются до тех пор, пока отклонение (D2) не станет приблизительно равным половине D1. Сопротивление (G) индикатора, без учета сопротивления проводов, тогда дается формулой

|  | D₂R
G |   =   | ——————
|  | D₁ - D₂

что легко доказывается из закона Ома, при условии, что E постоянно. Этот метод чрезвычайно прост и достаточно точен.

Надежные индикаторы теперь можно приобрести у многих производителей приборов по сравнительно небольшой цене, причем прогресс в этом направлении был наиболее заметным в последние годы, особенно в случае цапфовых приборов. Наиболее удобная форма для использования в мастерской изготавливается с торцевой шкалой (рис. 14) и может быть установлена в подходящем положении, закрепленном на кронштейне. Плоская шкала предпочтительнее для использования на лабораторном столе или для переносного пирометра. Секторная модель также хороша для использования в мастерской, так как циферблат виден на расстоянии.

Рис. 14. Индикатор с торцевой шкалой.

Стандартизация индикаторов для прямого считывания температур. Температурная шкала индикатора для использования с данной термопарой всегда размечается производителем в случае приборов, снабженных стрелкой, и, вообще говоря, является правильной в разумных пределах. Принято и необходимо прикладывать к прибору указание температуры холодного спая, для которой разметка является правильной; скажем, 20° C или 60° F. Пользователь должен затем стараться поддерживать холодный спай при этой указанной температуре при снятии показаний, иначе может возникнуть значительная ошибка. Однако крайне желательно, чтобы пользователь мог выполнить стандартизацию самостоятельно, хотя бы для целей проверки; а при использовании зеркального гальванометра в качестве индикатора необходимо проводить стандартизацию на месте, где установлен прибор. Умение подготовить температурную шкалу полезно еще и тем, что любой хороший милливольтметр с диапазоном от 0 до 20 милливольт может быть использован для термоэлектрических работ всех видов и может быть откалиброван для различных спаев, при этом добавляется подходящее последовательное сопротивление, чтобы позволить измерять ЭДС выше 20 милливольт. Таким образом, такой прибор может стать чрезвычайно полезным как в мастерской, так и в лаборатории.

Стандартизация может быть осуществлена либо путем воздействия на горячий спай несколькими известными температурами и фиксации соответствующих отклонений; либо путем измерения электродвижущей силы, развиваемой спаем, и расчета соответствующей температуры по формуле, которая, как известно, справедлива для диапазона, охватываемого прибором. Первый метод проще; и при тщательном проведении он вполне точен. Последний метод обладает тем преимуществом, что показания в милливольтах могут быть переведены непосредственно в температуры, когда известны константы данной термопары. Сейчас принято размечать индикаторы двойной шкалой: одна считывает милливольты, а другая — температуры.

Стандартизация по фиксированным точкам. Взяв любой милливольтметр, который при максимуме 20 милливольт на клеммах даст полное отклонение шкалы, первым шагом будет обеспечить, чтобы стрелка (или световое пятно) оставалась на шкале при самой высокой температуре, достигаемой спаем. Это можно сделать, поместив горячий спай в кипящую воду и отметив полученное отклонение, либо в милливольтах, либо в равных произвольных делениях, а также температуру холодного спая. Наблюдаемое отклонение обусловлено разностью температур (100-t) град. C, где t — температура холодного спая. Если самая высокая измеряемая температура в 10 раз превышает (100-t), отклонение должно быть несколько меньше 1/10 шкалы, и аналогично для любого другого требуемого температурного предела. Если наблюдаемое отклонение превышает эту пропорцию, следует добавить последовательное сопротивление до тех пор, пока не будет получено правильное значение. Это сопротивление затем постоянно устанавливается в цепи для использования с испытываемым спаем.

Прежде чем двигаться дальше, необходимо рассмотреть, будет ли пирометр иметь один холодный спай с определяемой температурой (как на рис. 6) или он будет устроен с двумя холодными спаями в головке, как на рис. 4. В первом случае проще подготовить шкалу «разностей»; то есть такую, которая считывает разности температур между горячим и холодным спаями, из которой температуру горячего конца можно получить, прибавив к разности температуру холодного спая. Во втором случае холодный конец следует поддерживать искусственными средствами при температуре, которая, вероятно, будет достигнута на практике — скажем, 25° C — для этой цели подходит водяная баня. При стандартизации рекомендуется снять защитный экран пирометра, чтобы обнажить горячий спай, так как тогда можно получить более точные показания.

Затем из таблицы фиксированных точек (стр. 16) выбирается ряд материалов — желательно дешевых — с известными температурами кипения или плавления, чтобы получить около шести точек, распределенных довольно равномерно по шкале. В качестве примера, если бы возникло желание подготовить температурную шкалу от 0° до 1000° C, можно было бы выбрать следующие:

Substance and Condition. | Temperature.
Water at boiling point |   100° C. |   212° F.
Tin at melting point |   232 |   449
Zinc at melting point |   419 |   786
Antimony at melting point |   631 |  1167
Common salt at melting point |   800 |  1472
Copper at melting point (covered with graphite)  |  1084 |  1983

Горячему спаю дают последовательно достичь этих температур, и в каждом случае отмечается соответствующее отклонение. Затем можно разделить всю шкалу для прямого считывания температур.

Первое показание снимается путем помещения спая в сосуд с кипящей водой, и для местности вблизи уровня моря при обычных работах нет необходимости учитывать колебания температуры кипения из-за изменений атмосферного давления. Чтобы убедиться, что другие показания сняты, когда вещества находятся точно в точке плавления, процедура такова: около 2–3 фунтов вещества расплавляются в тигле «Саламандра», и в расплавленную массу вставляется небольшая трубка из огнеупорной глины, закрытая с одного конца. Горячий спай помещается в трубку из огнеупорной глины, а промежуточное пространство заполняется асбестовым волокном. Необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы спай не касался расплавленного вещества. Теперь тиглю дают остыть, и каждые полминуты снимают показания отклонения. Когда вещество находится точно в точке затвердевания — идентичной в общем случае с точкой плавления — отклонение остается неподвижным в течение нескольких последовательных отсчетов из-за выделения скрытой теплоты плавления в количестве, достаточном для компенсации потерь за счет излучения. Это неподвижное показание отмечается для каждого вещества и представляет собой отклонение, даваемое, когда горячий спай находится при температуре, соответствующей точке плавления, а холодный спай или спаи — при температуре, существующей во время наблюдения. Для плавления материалов удобна печь Дэвиса с большой горелкой Теклу или Мекера до 850° C; но для плавления меди необходима паяльная лампа. Расплавленной массе можно дать остыть в печи.

На основе этих наблюдений можно построить калибровочную кривую либо для разностей между горячим и холодным спаями, либо для установившейся температуры холодных спаев. Для иллюстрации процедуры прилагаются два набора данных.

Temperature of Hot Junction. | Pyrometer 1. Iron-constantan. | Pyrometer 2.
(Series resistance in | Platinum-iridioplatinum.
galvanometer circuit.) |
Deflection. | Cold Junction. | Difference. | Deflection. | Cold Junction.
  100° C. | 8·9   |   15° C. |    85° C. | 5·5   |  ┐
  232 | 21·8   |   17 |   215 | 15·6   |  │ Constant
  419 | 40·6   |   19 |   400 | 29·4   |  ├  at
  631 | 63·8   |   19 |   612 | 45·5   |  │ 25° C.
  800 | 83·0   |   20 |   780 | 59·0   |  │
 1084 | . . .    |   . . . |    . . . | 82·0   |  ┘

Рис. 15. Калибровочные кривые для двух термоэлектрических пирометров.

Рис. 15, A, представляет собой калибровочную кривую для термопары 1, связывающую отклонения с соответствующими разностями между температурами горячего и холодного спаев. Чтобы считать с этой кривой температуру горячего конца, показание, соответствующее наблюдаемому отклонению, прибавляется к существующей температуре холодного спая. Таким образом, если при температуре холодного спая 25° было получено отклонение 56 делений, температура горячего спая составила бы (540 + 25) = 565° C. Преимущество этого метода калибровки заключается в том, что нет необходимости принимать меры для поддержания холодной спая при постоянной температуре; и когда используется один холодный спай, как на рис. 6, этот план следует соблюдать всегда. Следует отметить, что эта кривая проходит через ноль, так как отсутствие отклонения означает отсутствие разности температур.

Рис. 15, B, представляет собой калибровочную кривую для пирометра 2 и такова, что можно получить прямые показания, соответствующие любому заданному отклонению, для температуры холодного спая 25°. Эта кривая, следовательно, пересекает ось нулевого отклонения при 25°, так как нулевое отклонение соответствует состоянию, когда оба спая, горячий и холодный, находятся при 25°. Этот метод калибровки можно с преимуществом использовать для термопар типа, показанного на рис. 4, где в головке существуют два холодных спая и простое правило прибавления температуры холодного спая не применяется. Было сделано много предложений по коррекции изменений температуры холодного конца такой термопары, но ни одно из них не является точным, и для получения правильных показаний необходимо поддерживать эту часть при температуре стандартизации. В обеих вышеуказанных калибровках использовался гальванометр, имевший шкалу, разделенную на 100 равных произвольных делений.

При создании постоянных температурных шкал из этих кривых для прикрепления к существующей шкале гальванометра можно брать интервалы по 100° и отмечать их напротив соответствующих делений на существующей шкале. Каждые 100° затем могут быть равномерно подразделены на столько частей, сколько позволяет длина шкалы, и пронумерованы через подходящие интервалы. Если используемая термопара дает калибровочную кривую, сильно отклоняющуюся от прямой линии, следует брать интервал каждые 50° или, при необходимости, каждые 25°. В приведенных примерах обе кривые являются почти прямыми линиями в рабочей области, а именно: от 400° до 800° для железо-константановой термопары и от 500° до 1100° для платино-иридиево-платиновой.

Одной мерой предосторожности, необходимой при стандартизации индикатора этим методом, является обеспечение чистоты используемых металлов, так как примеси снижают точки плавления. Если заказывать их как «чистые» у любого авторитетного дилера, металлы, как правило, окажутся удовлетворительными. Используемая поваренная соль должна быть обычной солью, продаваемой в блоках, а не подготовленной столовой солью. Вторая мера предосторожности при наблюдении точек плавления — остерегаться возможной ошибки из-за того, что вещество становится «переохлажденным»; в этом случае температура падает ниже обычной точки замерзания до начала затвердевания. Однако, когда происходит замерзание, температура поднимается до истинной точки плавления и остается на ней, а увеличение отклонения после постепенного падения всегда указывает на переохлаждение. Достигнутое затем более высокое отклонение является истинной точкой замерзания. Сурьма часто переохлаждается до 600° перед замерзанием, но при затвердевании поднимается до правильной цифры — 631°. Все металлы и соли время от времени подвержены переохлаждению.

Стандартизация путем измерения ЭДС. В результате экспериментов было установлено, что соотношение между ЭДС, развиваемой спаем, и его температурой — при постоянных условиях холодного спая — может быть выражено приблизительно формулой, приведенной ниже:

log E = A log t + B (формула Холмана),

где E = электродвижущая сила в микровольтах, t = температура в градусах Цельсия, а A и B — константы, зависящие от спая. Для некоторых спаев эта формула может применяться в рабочей части шкалы с ошибкой, не превышающей 2° C, но для других расхождение больше. Чтобы определить константы A и B, необходимо измерить ЭДС при двух известных температурах, которые следует выбирать как можно дальше друг от друга в рабочей области. Когда эти константы известны, измерение E позволяет найти температуру t путем расчета.

Пример. Ле Шателье обнаружил, что спай при температуре расплавленного алюминия (657° C) давал 6200 микровольт; при точке плавления меди на воздухе (1062° C) цифра составляла 10580. Применяя вышеуказанную формулу

log 6200 = A log 657 + B и log 10580 = A log 1062 + B,

значение A равно 1,2196, а B — 0,302, что можно найти, взяв логарифмы и решив уравнения относительно A и B.

Значения констант A и B варьируются для разных спаев, а также для разных плавок того, что считается одними и теми же материалами. После того как они определены для количества однородных проводов, к которым формула применяется с достаточной точностью, очевидно, что индикатор со шкалой в милливольтах может быть сделан так, чтобы считывать температуры напрямую без необходимости дальнейших экспериментов, хотя всегда рекомендуется провести одно контрольное измерение в фиксированной точке рабочего диапазона.

Рис. 16. Потенциометрический метод измерения ЭДС.

Для определения ЭДС спая при различных температурах используется потенциометрический метод, при котором ЭДС испытуемой термопары уравновешивается известной ЭДС, обеспечиваемой постоянным элементом. Схема показана на рис. 16, где B — аккумулятор, который посылает ток через сопротивления R1, R2 и калиброванный провод DE. Холодные концы термопары присоединены в точке P так, чтобы быть в противофазе к B, и в эту ветвь цепи включены чувствительный гальванометр G и часть провода DE. Стандартный кадмиевый элемент S подключен между R1 и R2 на одном конце и может быть включен в цепь с гальванометром через переключатель A. В начале S подключается к гальванометру, и R1 регулируется до тех пор, пока на G не будет получено нулевое отклонение. Переключатель A теперь переводится в цепь термопары, и клемма F перемещается вдоль провода до тех пор, пока снова не будет получено нулевое отклонение. ЭДС термопары определяется из соотношения

E of junction |  | Resistance of DF
———————— |   =   | ————————
E of standard cell |  | R₂

Подвергая горячий конец спая последовательным стандартным температурам и поддерживая холодные концы при известной постоянной температуре, можно получить необходимые данные для включения в формулу.

При фиксации постоянной температурной шкалы, рассчитанной по формуле, на милливольтметре необходимо помнить, что значения, полученные в результате эксперимента, являются абсолютными и не зависят от сопротивления цепи, состоящей из термоэлемента и гальванометра. С другой стороны, милливольтметр размечен для считывания разности потенциалов на своих клеммах; и если он включен последовательно со спаем и выводами заметного сопротивления, его показания не будут являться ЭДС спая. Пример прояснит этот момент.

Пример. Милливольтметр имеет сопротивление 100 Ом и размечен для считывания разности потенциалов (P.D.) на своих клеммах. Термопара и выводы, подключенные к милливольтметру, имеют сопротивление 5 Ом. Найти соотношение между истинной ЭДС спая и показаниями индикатора.

Если E = ЭДС, развиваемая спаем, а V, показание милливольтметра, = P.D. на его клеммах, то ток в цепи = E/105 = V/100; и V = (100/105)E. То есть показания на 5 процентов ниже, чем истинная ЭДС спая. Таким же образом низкоомный вольтметр, если его применить к элементу с высоким сопротивлением, показывает более низкое значение, чем ЭДС элемента.

Этот пример показывает, как можно рассчитать таблицу, связывающую истинные ЭДС с показаниями в милливольтах, когда известны соответствующие сопротивления. Предполагается при подготовке шкалы таким образом, что сопротивление термопары не будет подвержено таким изменениям, которые могли бы повлиять на показания.

Преимущества этого метода калибровки очевидны, когда из данной партии проводов изготавливается несколько спаев, так как необходимо только разделить шкалу индикатора так, чтобы она представляла милливольты — простая операция — а затем прикрепить температурную шкалу. Эта процедура гораздо более быстрая, чем стандартизация каждого индикатора по нескольким фиксированным точкам, когда их много, но для одного спая метод фиксированных точек проще. Потенциометрический метод измерения ЭДС также может быть использован для определения температур вместо индикатора и очень полезен в случаях, когда требуются особо точные показания, будучи гораздо более чувствительным к обнаружению малых разностей температур, чем индикатор. Специальные потенциометры для термоэлектрических работ производятся компаниями Cambridge and Paul Instrument Company, Siemens и другими, и полезны при проведении точных исследований, но слишком сложны для мастерской или обычной лабораторной практики.

Компенсаторы холодного спая. Необходимость уделять внимание холодному спаю привела к различным попыткам автоматически компенсировать изменения температуры в этой части пирометра. Термометра, расположенного рядом с холодным спаем, как на рис. 6, достаточно для коррекции двухспайной цепи; но когда используется трехспайная цепь, правильное показание не достигается путем прибавления избыточной температуры термометра сверх температуры калибровки к показанию на индикаторе. В устройстве Бристоля ртутный термометр с большим резервуаром и широким стержнем установлен у холодного спая и участвует в любом изменении температуры. В стержне помещена петля из тонкой платиновой проволоки, которая является частью цепи пирометра. Когда ртуть нагревается, она расширяется вверх по стержню и закорачивает часть петли, тем самым уменьшая сопротивление цепи пирометра и стремясь увеличить отклонение на индикаторе. Одновременно холодный спай будет нагреваться, стремясь уменьшить ток и, таким образом, вызвать меньшее отклонение. Путем регулировки эти две тенденции могут быть уравновешены, так что показание останется неизменным, но такая регулировка будет применима только к данной ЭДС и, следовательно, к одной температуре горячего спая. Поэтому этот метод не находит общего применения.

Компенсированные выводы Пика предназначены для устранения ошибок холодного спая путем переноса этого спая, по сути, к гальванометру. Они используются для пирометров, в которых применяются платиновые металлы, и состоят из проводов двух различных сплавов меди и никеля, которые соединяют холодный конец с индикатором. Эти сплавы таковы, что электродвижущие силы, возникающие на спаях в головке — Pt и Cu-Ni 1, и Pt-Ir с Cu-Ni 2 — равны и противоположны при всех рабочих температурах, и поэтому изменения на холодных спаях не влияют на показания. Однако на индикаторе изменения температуры вызвали бы изменение отклонения; но так как индикатор обычно располагается вдали от печи и не подвержен заметному нагреву или охлаждению, возможные ошибки значительно уменьшаются при использовании этих выводов. Они, очевидно, не имеют ценности для использования с пирометрами из неблагородных металлов, так как провода, используемые в них, могут быть продлены до индикатора с идентичным результатом.

Рис. 17. Компенсатор Дарлинга, установленный на гальванометре.

Автоматический компенсатор для использования с пирометрами из неблагородных металлов был разработан автором и проиллюстрирован на рис. 17 и 18. Спираль, изготовленная из составной полоски двух металлов, прикреплена к стрелке индикатора и скручивается или раскручивается при охлаждении или нагревании, тем самым перемещая стрелку по шкале. Длина спирали такова, что изменение температуры на заданное число градусов перемещает стрелку на то же число градусов по шкале — или, другими словами, температурная шкала пирометра идентична шкале спирали. Металлы, образующие спай, продолжаются в виде проводов внутрь гальванометра, где образуется холодный спай, который всегда будет иметь ту же температуру, что и спираль. Шкала сконструирована так, чтобы представлять разности температур между горячим и холодным спаями, и перед подключением пирометра стрелка указывает температуру спирали; то есть холодного спая. При подключении термопары стрелка перемещается катушкой индикатора на величину, представленную разностью температур между двумя спаями, и поэтому в конечном итоге указывает температуру горячего спая.

Рис. 18. — Индикатор, оснащенный компенсатором Дарлинга.

Пример. Если бы холодный спай находился при температуре 20°, стрелка перед подключением термопары указывала бы на шкале 20°. Если бы горячий спай был на 580° горячее холодного, то при замыкании цепи стрелка переместилась бы еще на 580 градусов по шкале, так что показанное значение составило бы (20 + 580) = 600°, что соответствует температуре горячего спая. Если бы теперь индикатор нагрелся на 10°, спираль стремилась бы увеличить отклонение на 10°, но одновременно отклонение, обусловленное спаями, уменьшилось бы на 10°, и показание по-прежнему составляло бы 600°.

Этот метод компенсации делает показания независимыми от температуры холодного спая и, помимо использования для высоких температур, позволяет просто и правильно считывать обычные и низкие температуры, как будет показано далее. Спираль расположена в башне, возвышающейся над верхней частью индикатора на рис. 18.

В методе компенсации Пола термопара и индикатор включены в мост Уитстона, два плеча которого содержат медные сопротивления, а сопротивления в двух других плечах выполнены из манганина. Любое изменение температуры холодного спая распределяется между этими четырьмя сопротивлениями, и, хотя это влияет на сопротивление медных частей, в манганиновых частях изменений не происходит, так как этот сплав имеет пренебрежимо малый температурный коэффициент. Поэтому, если бы мост был первоначально сбалансирован при 20° C, а температура поднялась до 30°, возросшее сопротивление меди нарушило бы баланс и позволило бы небольшому току проходить через индикатор. Падение температуры до 10°, уменьшая сопротивление меди, вызвало бы прохождение равного тока через индикатор в противоположном направлении. Величина этого тока подобрана таким образом, чтобы в одном случае прибавлять повышение температуры холодного спая к показаниям индикатора, а в другом — вычитать падение, тем самым сохраняя истинные показания для той температуры холодного спая, при которой была проведена калибровка термопары.

Холодные спаи с постоянной температурой. Если холодный спай можно поддерживать при постоянной температуре, компенсаторы не нужны, однако до сих пор не было разработано хороших практических средств для достижения этой цели. О головках с водяным охлаждением уже упоминалось, но во многих ситуациях соединительные трубы, которые они требуют, были бы нежелательны, и поэтому такое устройство используется нечасто. Альтернативный метод, предложенный профессором А. Зелени, заключается в закапывании холодного спая в землю. Недавние эксперименты, проведенные в Кембридже Р. С. Уипплом, показали, что температура спая, закопанного на глубину 10 футов, не изменялась более чем на 2° C в течение трех лет. Это привело к использованию закопанных спаев в особых случаях; однако вероятно, что в почве под большими печами наблюдались бы гораздо большие колебания, и в этом случае преимущества данной процедуры были бы утрачены. Распространенный цеховой метод заключается в размещении холодного спая в термосе, наполненном маслом, что позволяет поддерживать температуру с точностью до 2° C, даже если изменения температуры окружающего воздуха могут достигать 15° C. Для специальных работ в термосе можно использовать лед, обеспечивая тем самым абсолютную постоянство, но эта процедура невыполнима в обычных заводских условиях.

Индикаторы специального диапазона. Когда рабочий диапазон пирометра составляет от 600° C и выше, очевидно, что часть шкалы, занятая первыми 600°, бесполезна, и было бы преимуществом, если бы вся шкала могла быть использована для специального рабочего диапазона, чтобы получить более точные показания. Этого можно достичь путем «настройки» (set-up) против движения стрелки, вызванного термопарой, чтобы предотвратить любое движение по шкале до достижения заданной температуры. Например, термопара, развивающая 12 милливольт при 1000° C, может быть подключена к индикатору, в котором полное отклонение стрелки достигается при 6 милливольтах. Если ЭДС в 6 милливольт противопоставить термопаре, отклонения не будет до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой термопара развивает 6 милливольт, — в этот момент встречная ЭДС будет преодолена. Эта температура может составлять 500° C, так что вся шкала может быть разделена между 500° и 1000°. Таким образом, длина шкалы индикатора эффективно удваивается; и при использовании различных значений для настройки очевидно, что можно получить любой желаемый диапазон в пределах чувствительности индикатора. Метод получения встречной ЭДС варьируется у разных производителей. Компания Cambridge and Paul Instrument Company использует сухой элемент и последовательное сопротивление, подключенные так, чтобы противодействовать термопаре; регулируя сопротивление, можно получить любую желаемую настройку, значение которой в градусах можно считать, подключив элемент и сопротивление к индикатору при отключенной от цепи термопаре. Таким образом, для настройки диапазона 500°–1000° на индикаторе, дающем полное отклонение шкалы при 500°, сопротивление регулируется так, чтобы один только элемент заставлял стрелку переместиться до конца шкалы. Метод, принятый Полом, состоит в использовании соответствующих сопротивлений, включенных в мост Уитстона, который может быть выведен из равновесия, создавая тем самым встречную ЭДС правильной величины на клеммах индикатора.

Механическая настройка была внедрена компанией Cambridge and Paul Instrument Company, причем индикатор в этом случае имеет подвесную катушку. Поворачивая головку с накаткой, можно придать кручение подвесной ленте, а поворотом второй головки стрелку можно вернуть к нулю, сохранив начальное кручение, которое противодействует кручению, создаваемому током от термопары. Таким образом, если приложенное кручение было таково, что переместило стрелку к отметке 400° на шкале, температура, указываемая термопарой, была бы равна наблюдаемому показанию плюс 400. Этим методом можно получить любой желаемый диапазон в пределах возможностей индикатора. Опасность возникновения ошибок из-за «ползучести» (creeping) считается пренебрежимо малой.

Рис. 19. — Схема «Пировольта» Нортрупа.

Потенциометрические индикаторы. Преимущество измерения ЭДС потенциометрическим методом заключается в том, что результат не зависит от сопротивления тестируемой цепи, тогда как на индикатор влияют изменения сопротивления цепи, в которую он включен. При использовании длинных проводов для подключения термопары к индикатору могут возникать заметные ошибки из-за переменного сопротивления проводов, вызванного изменением температуры; кроме того, сопротивление проводов термопары варьируется в зависимости от температуры и глубины погружения в печь. Поэтому были предприняты попытки создать индикаторы, основанные на принципе потенциометра, пригодные для использования в цехах, и одна из форм, известная как «Пировольт» (Pyrovolter) Нортрупа, устроена так, как показано на рис. 19, A. Элемент D посылает ток через реостат R, медную катушку C и манганиновую катушку S. Медная катушка имеет такое же сопротивление, как медная обмотка индикатора G. Термопара подключена вместе с G в цепь параллельно манганиновой катушке S, сопротивление этого материала не зависит от температуры. Регулируя R до тех пор, пока на G не будет наблюдаться отклонение, падение напряжения на S делают равным ЭДС термопары. Чтобы измерить это падение, нажимают кнопку, изменяя цепь, как показано в B, при этом индикатор теперь включен последовательно с S, а термопара отсоединена. Величина тока, проходящего через S, остается неизменной, так как катушка индикатора имеет такое же сопротивление, как медная катушка C, которую она теперь заменяет. Отклонение на G указывает величину этого тока, и, поскольку падение напряжения на S пропорционально току, G может быть размечен для считывания ЭДС и соответствующей температуры спая. Заявленные преимущества заключаются в том, что индикатор может использоваться с любым типом термопары и не подвержен влиянию температурных изменений в цепи. Аналогичный прибор производится компанией Brown Company из Филадельфии. До настоящего времени потенциометрические индикаторы не получили широкого распространения в Великобритании, и регулировки, необходимые для получения показаний, следует считать существенным недостатком с точки зрения цеховых условий.

Самописцы для термоэлектрических пирометров. Часто важно знать не только текущую температуру печи, но и колебания, которым она подвержена. Непрерывное наблюдение за пирометром потребовало бы слишком много труда, и поэтому очевидно, что автоматический самописец обладал бы многими преимуществами в таких случаях. Непрерывная запись показывает, поддерживал ли обслуживающий персонал температуру в установленных пределах, и предоставляет постоянную историю данной операции, которая часто служит руководством для будущих действий.

Первый успешный самописец, предложенный сэром У. Робертс-Остеном и спроектированный генералом Холденом, членом Королевского общества, использовался в сочетании с зеркальным гальванометром. В своей первоначальной форме световое пятно от зеркала падало на сенсибилизированную пластину, которой передавалось постепенное вертикальное движение путем соединения кассеты с поплавком в воде с помощью цепи и шкива. Поплавок помещался в резервуар с водой, который постепенно опорожнялся через кран, заставляя поплавок опускаться, а пластину — подниматься. Если отклонение светового пятна оставалось стабильным, на пластине вычерчивалась вертикальная прямая линия, а колебания создавали извилистую линию. Испытания при известных температурах позволили получить стандартную пластину, разделенную на градусы, которую можно было накладывать на испытуемую пластину и таким образом определять температуры. Много ценной работы было выполнено с помощью этого самописца Робертс-Остеном для Комитета по исследованию сплавов Института инженеров-механиков.

Рис. 20. — Самописец Робертс-Остена.

В современном виде (рис. 20) фотопластинка заменена листом сенсибилизированной бумаги, намотанным на барабан, который вращается с известной скоростью — скажем, один раз в 12 часов — с помощью внутреннего часового механизма, показанного слева на рисунке. Гальванометр расположен на противоположном конце, а зеркало освещается с помощью электрической лампы, расположенной снаружи, лучи от которой отражаются от призмы внутри на зеркало. Луч света, выходящий из зеркала, разделяется на две части, одна из которых проходит через узкую щель на сенсибилизированную бумагу, в то время как другая часть отражается на матовую стеклянную шкалу на крышке, разделенную так, чтобы считывать температуры. Таким образом, устройство служит не только самописцем, но и показывает текущую температуру без необходимости изучения сенсибилизированной бумаги. Вся конструкция сделана непроницаемой для света, поэтому ее можно использовать при дневном свете. Для фиксации записей необходима темная комната. При желании можно вести записи двух или более пирометров на одном листе, используя часовой механизм для поочередного переключения каждого прибора на гальванометр на определенный период, при этом внешний циферблат указывает, какой пирометр в данный момент находится в цепи.

Хотя недостатком использования этого самописца является то, что запись не видна, использование зеркального гальванометра придает прибору высокую степень чувствительности, которой не обладают самописцы, описываемые далее.

Рис. 21. — Принцип работы ниточного самописца.

Ниточный самописец. В этом приборе прерывистая запись выполняется чернилами, что обладает преимуществами видимости в течение периода, за который снимаются показания, и постоянства без последующей обработки диаграммы. Принцип показан на рис. 21, где A — это стрелка, заканчивающаяся V-образной деталью из слоновой кости и прикрепленная к подвесу гальванометра B. С помощью кулачка E, вращаемого часовым механизмом, планка D опускается через заданные интервалы, прижимая конец A к пропитанной чернилами нити G и заставляя нить коснуться бумаги, намотанной на барабан C. Этот барабан вращается вокруг своей оси один раз в 25 часов под действием внутреннего часового механизма. Продолжающееся вращение кулачка E попеременно поднимает и опускает стрелку A, оставляя ее свободной на достаточное время, чтобы она могла занять положение, которое она занимала бы при отсутствии механизма. Нить G проходит через шкивы и наматывается через чернильницу, так что часть напротив A всегда влажная. Поскольку планка D опускается каждые две минуты, последовательные точки образуют почти непрерывную линию. Бумага на C разделена по горизонтали на температуры, а по вертикали — на единицы времени, так что температуру, существующую в любое заданное время, можно легко установить. Передняя часть планки D или отдельная полоска, параллельная ей, разделена так, чтобы можно было считывать температуры без обращения к диаграмме. Сам прибор показан на рис. 22. Когда требуется несколько одновременных записей, барабан C удлиняется и вводятся другие гальванометры, к которым подключаются отдельные пирометры. Несколько записей можно сделать на одной диаграмме, внедрив часовой механизм для поочередного подключения каждого пирометра к одному гальванометру.

Рис. 22. — Ниточный самописец.

Рис. 23. — Самописец Сименса.

Самописец Сименса. В этом приборе (рис. 23) стрелка гальванометра заканчивается ножевым краем и движется по тонкой горизонтальной рейке, верхняя часть которой закруглена. Между рейкой и стрелкой помещены красящая лента и бумажная диаграмма, которая перемещается вперед часовым механизмом. Прижимная планка, также приводимая в действие часовым механизмом, опускается примерно через полуминутные интервалы и прижимает конец стрелки гальванометра, тем самым создавая маленькую точку на диаграмме. Бумага имеет ширину 12 см и длину 40 ярдов; она разделена на единицы времени и температуры и движется вперед со скоростью 2 см в час. На основании самописца закреплены выравнивающие винты.

Рис. 24. — Самописец Фостера.

Самописец Фостера. Самописец Фостера (рис. 24) предназначен для использования с неблагородными термопарами типа никель-хром, известными как сплавы Хоскинса, которые дают ЭДС примерно в пять раз большую, чем платино-родиево-платиновая термопара. Доступная в этом случае сила позволяет катушке гальванометра быть подвешенной в горизонтальном положении, при этом стрелка находится в вертикальном положении, и все же оставаться достаточно чувствительной. Диаграмма установлена на вертикальной пластине, которая вращается вокруг своей оси, при этом временные ординаты принимают форму концентрических кругов, которые пересекаются под углом температурными ординатами. На конце стрелки помещена маленькая капиллярная трубка, снабженная пропитанным чернилами фитилем, который при нажатии на диаграмму оставляет отметку. Прижимная планка изогнута по тому же радиусу, что и стрелка, и несет подушечку, смоченную чернилами, так что при каждом нажатии запас чернил в фитиле пополняется на величину, равную той, что передается на диаграмму. Этот самописец иногда оснащается специальными контактами, так что при достижении правильной температуры горит электрическая лампа с белой колбой; тогда как при слишком низкой или слишком высокой температуре загорается зеленая или красная лампа, подавая таким образом сигнал тревоги. Такое дополнение требует использования релейной цепи, но рекомендуется в случаях, когда дорогостоящие изделия могут пострадать при перегреве. Его можно модифицировать, чтобы позволить вести несколько одновременных записей, и он обладает тем преимуществом, что вся диаграмма видна в любое время. С другой стороны, круговые координаты могут считаться некоторыми недостатком, так как они не совсем привычны для чтения, как диаграммы, в которых линии прямые. Прочная конструкция — отличительная черта этого самописца.

Рис. 25. — Самописец Пола.

Самописец Пола. В описанных ранее самописцах движущая сила обеспечивается часовым механизмом. Р. У. Пол представил прибор, в котором все движущиеся части приводятся в действие двигателем, работающим от сети. Этот самописец показан на рис. 25. Двигатель снабжен специальным типом регулятора для обеспечения постоянной скорости и соединен с помощью соответствующей передачи с механизмами, перемещающими диаграмму, прижимную планку и красящую ленту, при этом предусмотрена возможность изменения скорости этих движений путем смены передачи. Гальванометр имеет одноосевую конструкцию, и стрелка через определенные интервалы прижимается к ленте пишущей машинки, которая лежит над диаграммой. Непосредственно под лентой расположен тонкий металлический стержень, над которым проходит бумага, и результатом контакта является появление маленькой точки. Как и в ниточном самописце, диаграмма разделена на прямоугольные координаты, при этом лента в данном случае выполняет ту же функцию, что и нить в предыдущем приборе. Нижняя часть самописца удлинена, чтобы отображать значительную часть диаграммы, которая выполнена в виде рулона и протягивается механизмом. Когда ведутся две записи одновременно, лента состоит из двух полосок, одна из которых смочена черными чернилами, а другая — красными; предусмотрено, что каждая полоска по очереди оказывается над тонким стержнем, на который прижимается стрелка, так что записи появляются в разных цветах. Этот самописец также может быть настроен для множественных записей или оснащен регулятором шкалы. С целью использования в цехах все крышки снабжены притертыми металлическими соединениями, которые гораздо лучше защищают от пыли, чем деревянные. Еще одна полезная особенность заключается в том, что различные узлы самописца — гальванометр, двигатель, механизм подачи и записи, а также редуктор — являются отдельными и взаимозаменяемыми. При использовании соответствующим образом разделенной диаграммы этот самописец также подойдет для радиационного пирометра или, как будет показано позже, для пирометра сопротивления.

Рис. 26. — Самописец Лидс-Нортрупа.

Самописец Лидс-Нортрупа. Компания Leeds and Northrup из Филадельфии производит самописец, который широко используется в Соединенных Штатах. Как и в самописце Пола, весь механизм приводится в действие двигателем; но остальные устройства совершенно иные. Вместо измерения отклонения стрелки используется метод нулевого отклонения. Пирометр является частью потенциометрической цепи, и функция механизма заключается в создании встречной ЭДС, равной ЭДС пирометра, по которой определяется температура. Это имеет преимущество в том, что измерение не зависит от сопротивления проводов и способно обеспечить высокую точность. Способ, которым регулируется встречная ЭДС, можно понять из рис. 26, на котором катушка гальванометра показана в верхней части рисунка. Вал двигателя несет четыре кулачка B, C, D, D, и при каждом обороте кулачок B поднимает планку (5), чтобы прижать ее к рычагу, прикрепленному к катушке гальванометра. В тот же момент кулачок C давит на планку (3) и тем самым освобождает муфту (2) от диска под ней. Как показано, стрелка от катушки находится справа от центрального положения и зажимается между планкой (5) и рычагом (4), когда первая поднимается, вызывая угловое движение рычага муфты (2). По мере продолжения вращения кулачок C покидает планку (3), которая затем отскакивает назад и включает муфту на диске. Затем кулачок D опускается и давит на выступ рычага муфты слева, заставляя диск вращаться. Движение диска передается на рычаг, который движется по реохорду потенциометра; и это движение продолжается до тех пор, пока стрелка гальванометра не окажется в центральном или нулевом положении, когда ни один из рычагов 4, 4 не зажат, и, следовательно, диск не подается ни в одном из направлений. Если стрелка отклонится влево, движение диска, очевидно, будет в обратном направлении по сравнению с описанным.

В этом самописце доступна значительная мощность для привода печатающих или других механизмов. Рычаг, движущийся по проволоке потенциометра, несет перо, которое отмечает движущуюся диаграмму, или, когда ведется несколько одновременных записей, используется штамповочная машина, которая печатает номер пирометра на диаграмме. Тот же механизм гальванометра служит также для использования с пирометрами сопротивления, как будет объяснено позже.

Контроль температуры печей. Было предпринято много попыток обеспечить автоматическое регулирование температуры печей с помощью механизмов, управляемых индикатором или самописцем. В устройстве, используемом компанией Brown Company из Филадельфии, предусмотрены подвижные упоры, которые могут быть установлены в любую часть шкалы, при этом отметка между упорами представляет температуру, которую желательно поддерживать. Индикатор (или самописец) снабжен прижимной планкой, которая периодически опускается; и если температура слишком низкая, прижатая стрелка замыкает цепь через внутренний упор, тогда как если слишком высокая — цепь замыкается через внешний упор. Обе цепи содержат реле, которое приводит в действие механизм, результатом чего является увеличение подачи электричества или газа, если температура слишком низкая, или уменьшение подачи, если она слишком высокая. Когда температура правильная, нажатие стрелки не замыкает ни одну из цепей, и таким образом можно обеспечить контроль в малых пределах. В случае больших печей релейные цепи используются для включения ламп разных цветов, при этом регулировка затем производится человеком, ответственным за печь. Устройства такого рода обеспечивают значительную экономию топлива за счет предотвращения ненужного нагрева и особенно ценны в тех случаях, когда перегрев может быть вредным для изделий в печи. Будущее, вероятно, станет свидетелем значительных разработок в этом направлении.

Самописцы с контактным пером. Сила, с которой стрелка индикатора перемещается по шкале, относительно мала, особенно в случае пирометров, в которых используются металлы платиновой группы, так как они дают лишь низкую ЭДС. Поэтому, если стрелка заканчивается пером, которое находится в постоянном контакте с бумагой для записи, возникающее трение значительно мешает свободному движению стрелки. Когда используются пирометры из дешевых металлов, которые дают гораздо более высокую ЭДС, использование стрелки в качестве контактного пера становится более осуществимым, и если можно обеспечить равномерное трение во всех частях бумаги, записи могут быть сделаны таким образом; и такой самописец проще и дешевле, чем приборы прерывистого типа. Самописцы с контактным пером в некоторой степени используются в Америке, их производят Bristol, Brown и другие; но до сих пор британские производители не развили производство этих приборов. В настоящее время самописцы с контактным пером следует считать менее точными и надежными, чем те, в которых контакт является прерывистым.

Установки термоэлектрических пирометров. Когда необходимо контролировать ряд печей на одном предприятии, значительная экономия может быть достигнута за счет использования одного индикатора для всех термопар, которые в этом случае обязательно должны быть изготовлены из проволок, идентичных по термоэлектрическим свойствам. Такое устройство показано на рис. 27, где H1 и H2 представляют две термопары, один провод от каждой из которых подключен к одной из клемм гальванометра G. Другая клемма гальванометра подключена к рычагу D переключателя, а остальные выводы термопар подключены к точкам 1 и 2 соответственно на окружности. Как показано, H1 подключен к гальванометру, и при повороте рычага D к точке 2 будет подключена другая термопара. Таким образом, с одним индикатором можно организовать любое количество спаев. Когда такая установка используется в цехе, рекомендуется построить небольшое деревянное здание в месте, удобном для большинства печей, в котором хранятся индикатор и коммутатор, и которое при необходимости может содержать самописец; предпочтительно место, максимально свободное от вибрации. Отдельные индикаторы необходимы только тогда, когда печь используется для специальных работ.

Рис. 27. — Соединения для установки пирометров.

В некоторых случаях второй индикатор хранится в конторе цеха, к которому подключены все пирометры, и который служит эталоном. Шкала конторского индикатора проверяется ежедневно по одной точке; и путем подключения данной термопары сначала к цеховому индикатору, а сразу после этого к конторскому эталону, можно обнаружить любые ошибки. Также можно в любое время узнать температуру любой заданной печи в конторе и таким образом контролировать все производство. При установке такой системы необходимо, чтобы каждая термопара и ее провода, вплоть до индикатора, обладали одинаковым сопротивлением или не отличались на величину, достаточную для влияния на показания. Общий опыт правильно управляемой установки показывает, что стоимость окупается за несколько месяцев только на топливе; кроме того, работа выполняется гораздо эффективнее благодаря полному контролю из конторы.

Эксплуатация термоэлектрических пирометров. Вообще говоря, термоэлектрические пирометры доставляют мало хлопот на практике, но управление ими всегда должно быть в умелых руках. Рекомендуется периодически проверять каждый прибор в фиксированной точке вблизи рабочей температуры методом, объясненным на стр. 57; и если используется два или три фунта материала, защитный экран снимать не нужно. Полезным материалом для проверки пирометров вблизи критического диапазона стали является сплав из 60 процентов меди и 40 процентов олова, который дает четко определенную точку замерзания при 738° C и который можно бесконечно использовать в восстановительной атмосфере. Любая серьезная ошибка легко обнаруживается при наблюдении, что показания сильно отличаются от тех, которые обычно получаются при тех же рабочих условиях. Если отмечена ошибка в 20° C или более, рекомендуется сформировать новый спай, так как расхождение, вероятно, будет увеличиваться, будучи вызванным изменением в горячем спае. Небольшая ошибка порядка 5 или 10° C может быть вызвана «ползучестью» в индикаторе, которая может быть соответствующим образом отрегулирована, или при снятии показаний может быть внесена числовая поправка. Железный защитный чехол можно уберечь от быстрого окисления путем еженедельного покрытия графитом, что значительно продлевает срок его службы, но его следует заменить, как только он станет опасно тонким в любой части. Покрытие алюминиевым порошком также значительно продлевает срок службы железного чехла. При использовании в свинцовых ваннах погружаемая часть, если она из железа или стали, должна быть высверлена из цельного куска и оставлена толстой в части напротив поверхности свинца, где происходит наибольшая коррозия. Графитовая трубка или трубка, изготовленная из состава, содержащего графит, часто полезна в случаях, когда железо легко подвергается коррозии, и может использоваться при гораздо более высоких температурах.

Когда используется ряд приборов, рекомендуется иметь эталонный пирометр для целей проверки, желательно такой, который был сертифицирован Национальной физической лабораторией. При проведении теста термопары со снятыми защитными трубками можно поместить в трубку электрической печи типа, показанного на рис. 29, в непосредственной близости от эталонного спая. Постепенно повышая температуру, можно сравнить показания каждого рабочего прибора с эталоном и обнаружить необходимые поправки. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить контакт с трубкой печи, и этого можно достичь, пропустив провода через асбестовую пробку, вставленную в конец трубки.

Когда используются самописцы, обслуживающий персонал должен досконально ознакомиться с деталями механизма, чтобы иметь возможность устранить любые мелкие неисправности, которые, как правило, легко излечимы. Ни в коем случае нельзя доверять самописцы неквалифицированному рабочему; лучше и безопаснее держать их в конторе, где они вряд ли будут повреждены или подвергнуты несанкционированному вмешательству. Все записи должны сохраняться для дальнейшего использования, должным образом датироваться и маркироваться в соответствии с представленными операциями.

Лабораторное использование термоэлектрических пирометров. Многочисленные операции, выполняемые в муфельных печах при заданных температурах, не требуют никаких особых мер предосторожности, кроме тех, что были приведены ранее. Однако при определении точек плавления металлов или сплавов фарфоровая или кремнеземная оболочка не рекомендуется, так как они легко подвергаются коррозии. Железная оболочка защищает от некоторых металлов, но не от других, и всегда безопаснее закрепить тонкую огнеупорную глиняную втулку, закрытую на конце, поверх погружаемой части. Оболочка из графита или графитового состава может использоваться для температур выше 1100° C; и иногда полезна оболочка, высверленная из толстого угля дуговой лампы, соединенная с железной трубкой за пределами нагретой части, при высоких температурах. Алунд полезен до 1600° C, и для температур такого порядка можно также с выгодой использовать более тугоплавкие материалы, такие как силфракс и зиркит.

Рис. 28. — Дифференциальный метод определения критических точек стали.

Определение «критических» точек стали требует особого упоминания. При охлаждении массы стали падение температуры задерживается в одной или нескольких точках, наблюдения за которыми часто полезны при принятии решения о последующей обработке стали. Метод, обычно применяемый, известен как «дифференциальный метод» и показан на рис. 28. Образец стали A помещается рядом с куском никеля B равных размеров в трубку электрической печи. Обнаженный спай C помещается в отверстие, просверленное в A, и подключается к гальванометру G, который откалиброван для считывания температур. Двухспайная цепь, образованная спаем D, помещенным в отверстие в A, и другим спаем E, расположенным в отверстии в B, подключена к чувствительному гальванометру H. Печь нагревается до тех пор, пока гальванометр G не покажет 900° C, после чего устройству дают остыть. Поскольку A и B при нормальных обстоятельствах остывают с одинаковой скоростью, спаи D и E будут иметь одинаковую температуру, и на H не будет наблюдаться отклонения. Когда из-за рекалесценции охлаждение A задерживается, B, не подверженный этому влиянию, продолжает остывать, создавая тем самым разницу между температурами D и E и, следовательно, отклонение на H. Температура A в момент, когда это происходит, считывается по G.

Рис. 29. — Электрическая трубчатая печь.

Печь, показанная на рис. 29, подходит для этого определения. Она состоит из кремнеземной трубки длиной 1 фут, намотанной специальной проволокой сопротивления и эффективно изолированной, и может безопасно нагреваться до 1000° C в течение длительных периодов и до 1200° C в течение короткого времени. Ее можно подключать непосредственно к электрической сети, и она достигает 900° C менее чем за полчаса. Она потребляет от 600 до 700 ватт при самых высоких температурах, а стоимость перемотки невелика. Эта печь полезна как общелабораторный прибор и может поддерживаться при заданной постоянной температуре с помощью внешнего сопротивления.

Провода в этом эксперименте должны быть платиновыми и иридиево-платиновыми или родиево-платиновыми, или хорошей парой неблагородных металлов, а спаи в A должны быть отделены друг от друга и от образца асбестом; та же мера предосторожности принимается для предотвращения касания спаем E образца B. Тонкий слой слюды следует использовать под A и B, чтобы избежать контакта с трубкой печи, которая в горячем состоянии допускает утечку тока от нагревательной катушки. И A, и B могут быть длиной 1½ дюйма, диаметром ¾ дюйма, с отверстием диаметром ¼ дюйма, просверленным на глубину ¾ дюйма.

Альтернативный метод заключается в том, чтобы вставить спай в отверстие в образце и снимать прямые показания по мере того, как температура медленно повышается или падает, когда остановка в движении стрелки индикатора показывает, что точка изменения была достигнута. Для этой цели изготавливаются специальные наборы.

Измерение более низких температур термоэлектрическим методом. На практике возникает много случаев, в которых термопара и чувствительный гальванометр предпочтительнее ртутного термометра; и ниже -39° C, температуры, при которой ртуть замерзает, термопару часто лучше использовать, чем спиртовой или пентановый термометр. Сейчас будут рассмотрены ряд практических примеров использования термопар для обычных и низких температур.

Измерение температуры поверхности. Ртутный термометр при укладке на горячую поверхность касается ее только по линии и не показывает истинную температуру поверхности. Конструкция термопары, подходящей для этой цели, описана на стр. 41, а для поверхностей паровых труб, горячих плит и внешней стороны печей можно использовать специально откалиброванный милливольтметр, дающий полное отклонение шкалы при 20 милливольтах. При создании температурной шкалы удобными эталонами являются кипящая вода (100° C), кипящий анилин (184° C) и расплавленное олово (232° C). Если температура поверхности ниже 100° C, следует использовать зеркальный гальванометр, а спай стандартизировать в парафиновом воске (точка замерзания обычно около 50° C, но должна быть предварительно определена с помощью точного термометра), абсолютном спирте при температуре кипения (79° C) и кипящей воде. Автор обнаружил, что этот метод дает отличные результаты в случае паровых труб, внешней стороны вращающихся цементных печей и горячих поверхностей в целом.

Измерение низких температур. Для этих измерений подходят спаи из железа и константана, сплавов Хоскинса, меди и нейзильбера или меди и константана. В лаборатории холодный спай можно держать во льду в сосуде Дьюара, для чего очень полезна механически защищенная форма, известная как «термос». С хорошим зеркальным гальванометром можно получить точные показания, легко обнаруживая 1/10 градуса C. Калибровка между -40° и +40° C может быть выполнена путем сравнения с эталонным ртутным термометром, при этом выше 0° используется водяная баня, а ниже нуля — спирт, окруженный охлаждающей смесью льда и кристаллов хлорида кальция. Для очень низких температур (-200° C или ниже) спай можно откалибровать в твердом диоксиде углерода (-78° C) и жидком воздухе (-184° C). Дьюар обнаружил, что медь и нейзильбер образуют надежный спай для очень низких температур, а автор успешно использовал термопару из сплавов Хоскинса для специальных работ до -200° C, используя стрелочный индикатор. Ни одна из протестированных термопар не показывает линейную зависимость между ЭДС и температурой в этих низких диапазонах.

Из-за величины ошибки, вызванной изменениями в холодном спае, термоэлектрический метод не подходит для измерения атмосферных температур, а также для взрывоопасных складов или холодильных камер. В таких случаях используются приборы типа сопротивления, которые будут описаны позже.

Температура пара, выхлопных газов и т. д. Для измерения температуры обычного или перегретого пара, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т. д. удовлетворительны железо-константановые спаи с соответствующими индикаторами. При помещении в трубу спай должен находиться как можно ближе к центру, чтобы избежать охлаждающего эффекта стенок. Несколько спаев, расположенных в разных частях трубы, могут использоваться с одним индикатором и соответствующим коммутатором. Вышеуказанные замечания также применимы к горячему дутью для доменных печей и аналогичным случаям, где температура не превышает 900° C.

Измерение разностей температур. На практике часто возникают случаи, когда требуется разность температур между двумя точками, и если эта разность подвержена быстрым изменениям, ртутный термометр из-за своей большой массы не будет реагировать с достаточной быстротой, чтобы указать эти изменения. В таких случаях цепь составляется по типу рис. 2, при этом один спай располагается в каждой точке; используются тонкие провода из железа и константана. Для малых разностей — 1° C или менее — следует использовать зеркальный гальванометр. Калибровку можно выполнить, поместив один спай в горячую воду, а другой — в холодную, при этом температуры воды считываются точным термометром.

Преимущества термоэлектрического метода измерения температур. По сравнению с другими методами термоэлектрический обладает следующими точками превосходства: (1) простота, отсутствие необходимости в специальных экспериментах для получения показаний; (2) дешевизна комплекта; (3) приспособляемость к различным целям; (4) легкость ремонта в случае повреждения; (5) прочность, отсутствие склонности к поломкам в цеховых условиях; и (6) пригодность для целей централизованно управляемой установки. Недостатками являются: (1) подверженность ошибкам из-за колебаний в холодном спае (чего можно избежать при осторожности); и (2) недостаточная чувствительность при очень высоких температурах по сравнению с методом сопротивления — момент, редко имеющий большое практическое значение, так как предел точности обычно находится в пределах величины, на которую колеблется температура обычной печи в рабочих условиях.

ГЛАВА IV ПИРОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Общие принципы. Когда чистый металл нагревается, его сопротивление электричеству прогрессивно увеличивается с температурой. Некоторые сплавы, с другой стороны, показывают практически постоянное сопротивление при всех температурах, примерами таких сплавов являются константан, манганин и платиноид. Все элементарные металлы, однако, демонстрируют ощутимый рост сопротивления при повышении температуры; и сэр У. Сименс в 1871 году предложил применить этот принцип к измерению высоких температур путем определения сопротивления и выведения соответствующей температуры из таблицы, подготовленной при известных условиях.

Выбор металла в этом случае более ограничен, чем при выборе материалов для термопары. Определенное количество внешней коррозии не изменяет ЭДС спая; но изменение размера вызывает заметную разницу в сопротивлении проволоки, которое прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. К необходимости отсутствия каких-либо внутренних физических изменений, влияющих на сопротивление, добавляется дальнейшее условие постоянства внешних размеров. Для температур выше красного каления единственными пригодными металлами являются платина или более дорогие металлы платиновой группы — и поэтому платина повсеместно используется для этой цели. Оригинальный пирометр Сименса состоял из 1 метра платиновой проволоки диаметром 1 миллиметр, обернутой вокруг фарфорового стержня и защищенной от печных газов железным чехлом. Для цехового использования был принят сложный метод измерения сопротивления, включающий электролиз подкисленной воды, но он был слишком запутанным, чтобы стать популярным. Позже Сименс использовал метод дифференциального гальванометра, а затем мост Уитстона для измерения сопротивления. Оба метода до сих пор используются в связи с пирометрами сопротивления, и принцип каждого из них будет сейчас объяснен.

Измерение сопротивления с помощью дифференциального гальванометра. Дифференциальный гальванометр — это прибор, который обладает двумя обмотками, расположенными так, что ток, проходящий через одну, стремится повернуть стрелку в одном направлении, а через другую — вызвать движение в противоположном направлении. Если токи в каждой обмотке одновременно равны, стрелка остается в покое под действием двух равных и противоположных сил. Экспериментальное достижение состояния покоя служит средством измерения сопротивления, цепь при этом организована, как на рис. 30. Ток от батареи B проходит через разделенную цепь, одна ветвь которой содержит регулируемое сопротивление R и одну катушку гальванометра G; а другая — неизвестное сопротивление P и противоположную катушку. Сопротивление R регулируется до тех пор, пока при нажатии кнопки K на гальванометре не будет отмечено отклонение, при этом ток в каждой ветви цепи будет одинаковым. Поскольку сопротивления каждой катушки гальванометра равны, из закона Ома следует, что P равно R, когда отклонение отсутствует.

Рис. 30. — Метод дифференциального гальванометра для измерения сопротивления.

Точность этого метода зависит от чувствительности гальванометра, а также от того, в какой степени две катушки можно считать истинно дифференциальными, так как измерение, очевидно, предполагает полное равенство сопротивления и воздействия на движущуюся часть. С современными гальванометрами этого типа можно получить показания достаточной точности для целей пирометрии. Метод, однако, менее чувствителен, чем мост Уитстона, который будет описан сейчас.

Рис. 31. — Принцип работы моста Уитстона.

Измерение сопротивления с помощью моста Уитстона. Принцип этого метода показан на рис. 31, где a и b — два фиксированных сопротивления известной величины; d — регулируемое сопротивление; x — измеряемое сопротивление; B — батарея; и G — чувствительный гальванометр. Если в этой цепи d отрегулировано так, что на гальванометре не показывается отклонение, то a / b = x / d; или x = (a × d) / b. Следовательно, если a = b, то x будет равно d.

Нетрудно сконструировать портативный аппарат, пригодный для цехового использования, с помощью которого значение x может быть определено с точностью до 0,01 ома; а в лаборатории с очень деликатным гальванометром можно легко обнаружить 0,001 ома. Метод моста Уитстона является лучшим для точного измерения сопротивления; но в пирометрах сопротивления иногда целесообразно пожертвовать экстремальной точностью, чтобы получить преимущества в других направлениях, как будет показано далее.

Связь между сопротивлением платины и температурой. Поскольку платина является единственным пригодным металлом для использования в конструкции пирометров сопротивления, важно знать влияние температуры на сопротивление этого металла. В первые дни существования пирометров сопротивления возникали трудности из-за того, что различные образцы платиновой проволоки с разной степенью чистоты давали широко различающиеся результаты в этом отношении; и никакой уверенности не было достигнуто до 1886 года, когда профессор Каллендар тщательно исследовал этот предмет и вывел формулу, по которой температуру данного вида платины можно было с большой точностью вывести из сопротивления. Чтобы понять эту формулу и ее применение, необходимо рассмотреть основные принципы, на которых она основана.

Если сопротивление платиновой проволоки измерить при ряде стандартных температур газовой шкалы и результаты изобразить графически, откладывая сопротивления против соответствующих температур, полученная кривая является частью параболы, демонстрирующей уменьшение скорости, с которой сопротивление увеличивается при более высоких температурах. Вторая платиновая проволока, другого происхождения и чистоты и с тем же начальным сопротивлением, что и предыдущая, дала бы кривую, которая, хотя и параболическая, не перекрывала бы ту, что получена с первой проволокой. Достижение Каллендара заключалось в выведении формулы, по которой температуру любого вида платиновой проволоки можно было вывести из ее сопротивления после того, как были определены три измерения при известных температурах газовой шкалы. Калибровка пирометра сопротивления была тем самым сведена к трем точным наблюдениям вместо большого числа, распределенного по шкале; и, более того, было обнаружено, что рассматриваемая формула дает результаты большой точности в широком диапазоне температур для любого вида платиновой проволоки.

Перед тем как перейти к формуле Каллендара, будет объяснен термин «градусы по платиновой шкале». Такие градусы получаются при допущении, что увеличение сопротивления платины является равномерным при всех температурах; то есть, что температурно-резистивная кривая является прямой линией, а не параболой. Например, кусок платиновой проволоки с сопротивлением 2,6 ома при 0° C покажет увеличение до 3,6 ома при 100° C — прибавление 1 ома на 100°. Мы теперь предполагаем, что дальнейшее увеличение на 1 ом, доводящее общую сумму до 4,6 ома, будет представлять увеличение на 100°, или температуру 200°. Аналогично, общее сопротивление 5,6 ома указывало бы 300°, а 12,6 ома — 1000°. Температурная шкала, полученная этим процессом экстраполяции, называется «платиновой шкалой» и значительно отличается от истинной или газовой шкалы, причем разница становится больше по мере повышения температуры. Это показано на рис. 32, где A представляет истинную параболическую связь между сопротивлением и температурой, а B — предполагаемую прямолинейную связь. Считывая с кривой A, температура, соответствующая сопротивлению 8 ом, составляет 600° C; но с B видно, что то же сопротивление представляет только 545° C, что является «температурой по платиновой шкале», к которой относится это сопротивление. Осмотр рис. 32 показывает, что при всех температурах, кроме диапазона между 0° и 100°, показания по платиновой шкале для данных сопротивлений меньше, чем те, что указаны по газовой шкале.

Формула Каллендара выражается в терминах разности между показаниями газовой шкалы и платиновой шкалы и принимает вид

t - p = δ { (t / 100)^2 - (t / 100) } где t = температура по газовой шкале, p = температура по платиновой шкале. δ = константа, зависящая от чистоты проволоки.

Рис. 32. — Связь между сопротивлением платины и температурой: A, по газовой шкале; B, по платиновой шкале.

Чтобы определить значение δ, необходимо измерить сопротивление проволоки при 0°, 100° и третьей температуре, которая должна быть значительно выше 100°. Показания при 0° и 100° необходимы для установления платиновой шкалы температур; третье показание требуется для вычисления значения δ, так как p и t равны при 0° и 100°, эти точки формируют основу обеих шкал. Пример прилагается, чтобы прояснить этот вопрос.

Пример. Платиновая проволока имеет сопротивление в тающем льду 2,6 Ом; в паре — 3,6 Ом; в кипящей сере — 6,815 Ом. Найти значение δ, если температура кипения серы по газовой шкале составляет 444,5°.

Поскольку увеличение сопротивления на (3,6 - 2,6) = 1 Ом соответствует 100°, наблюдаемое увеличение в кипящей сере (6,815 - 2,6) = 4,215 Ом будет соответствовать температуре по платиновой шкале, равной (4,215 × 100) / 1 = 421,5° p.

Применяя формулу Каллендара,

(444,5 - 421,5) = δ { (444,5 / 100)^2 - (444,5 / 100) }

значение δ оказывается равным 1,5.

В своих экспериментах Каллендар использовал точку кипения серы в качестве третьей опорной точки и определил эту температуру по газовой шкале с высокой точностью. Необходимость предельной точности при применении этой формулы становится очевидной, если отметить влияние на значение δ малых различий в цифрах, выбранных в приведенном выше примере. Если, например, принять температуру кипения серы по газовой шкале на 2° ниже, то есть 442,5°, значение δ составило бы 1,37; а вызванная этим ошибка при 1200° C достигла бы 17°. Такое же расхождение наблюдалось бы, если бы сопротивление в кипящей сере было принято равным 6,835 Ом, что составляет ошибку в 0,02 Ом; и еще большая ошибка возникла бы, если бы разность сопротивлений при 0° и 100° была измерена как 0,99 Ом вместо 1 Ом. На основании обширного опыта работы с трудностями, сопутствующими точному определению значения δ, автор пришел к выводу, что надежный результат может быть получен только при использовании измерительных приборов высочайшей точности и принятии тщательных мер предосторожности для обеспечения точной коррекции изменений температуры кипения воды и серы, вызванных колебаниями атмосферного давления. Если под рукой нет необходимых средств, оператору рекомендуется откалибровать пирометр сопротивления по нескольким фиксированным точкам и построить калибровочную кривую способом, рекомендованным для термоэлектрического пирометра.

Если пирометр сопротивления откалиброван для отсчета в градусах платиновой шкалы и известно значение δ для данной проволоки, то правильные температуры по газовой шкале можно рассчитать по формуле Каллендара. В таблице на следующей странице приведены результаты ряда расчетов, выполненных таким образом.

Изменения сопротивления платины при постоянном нагреве. Сопротивление платины претерпевает постепенное изменение, если проволока постоянно находится при температуре выше каления; и если температура превышает 1000° C, изменение со временем становится весьма заметным, что приводит к серьезным ошибкам в показаниях температуры при использовании в пирометре. Рассматриваемое изменение обусловлено, как показал сэр Уильям Крукс, тем фактом, что платина заметно испаряется при температуре выше 1000° C, вследствие чего диаметр проволоки уменьшается. Это изменение представляет собой серьезный недостаток при использовании пирометров сопротивления для температур, превышающих 1000° C.

Сравнение газовой и платиновой шкал. δ = 1,5.

Platinum |  Air Thermometer  |  Difference
Thermometer  | Reading | (t - Pt.).
Reading (Pt.). | t (deg. C.). |
-100 | -97·1 | + 2·9
0 | 0   | 0  
50 | 49·6 | - 0·04
100 | 100    | 0  
200 | 203·1 | 3·1 
300 | 309·8 | 9·8 
400 | 420·2 | 20·2 
500 | 534·9 | 34·9 
600 | 654·4 | 54·4 
700 | 779·4 | 79·4 
800 | 910·7 | 110·7 
900 | 1049·4 | 149·4 
1000 | 1197·0 | 197·0 
1100 | 1355·0 | 255·0 
1200 | 1526·7 | 326·7 
1300 | 1716·0 | 416·0 

Термины, используемые в пирометрии сопротивления. Вслед за исследованиями Каллендара и других ученых в употребление вошли определенные термины, относящиеся к пирометрам сопротивления, которые будут определены ниже.

(1) Основной интервал — это увеличение сопротивления между 0° C и 100° C, или R100 - R0. Следует помнить, что увеличения сопротивления между 200° и 300° или 800° и 900° (все температуры взяты по газовой шкале) отличаются от основного интервала.

(2) Основной коэффициент — это та доля сопротивления при 0° C, на которую оно увеличивается в среднем на один градус в интервале от 0° до 100°, или

R₁₀₀ - R₀

—————

R₀ × 100

Эта величина в действительности представляет собой средний температурный коэффициент в интервале от 0° до 100°. Для чистой платины это значение составляет 1/260 или 0,003846.

(3) Основной нуль — это температура по платиновой шкале, при которой сопротивление обратилось бы в нуль; очевидно, что это величина, обратная (2), с отрицательным знаком, или

R₀ × 100

- —————

R₁₀₀ - R₀

Для чистой платины эта температура составила бы -260° p, поскольку предполагается, что среднее увеличение или уменьшение на градус сохраняется во всем диапазоне; то есть принимается, что на каждый градус охлаждения металла потеря сопротивления составляет 1/260 сопротивления при 0°. Следовательно, при -260° p сопротивление, согласно этому допущению, обратилось бы в нуль.

(4) Формула разности — это выражение, которое дает связь между температурами по газовой шкале и платиновой шкале, или

t - p = δ { (t / 100)^2 - (t / 100) }

Эта формула уже была подробно рассмотрена.

(5) Платиновая постоянная — это δ в приведенном выше выражении. Значение для чистой платины составляет около 1,5, но небольшие количества примесей могут значительно изменить эту цифру. Однако справедливость формулы (4) не зависит от изменений δ, так как значение p будет соответствующим образом изменяться.

Рис. 33. Платиновый пирометр сопротивления.

Практические типы пирометров сопротивления. Типичный тип пирометра сопротивления, изготовленный компанией Cambridge and Paul Instrument Company, проиллюстрирован на рис. 33. Катушка из платиновой проволоки намотана на края слюдяного каркаса, состоящего из двух полосок слюды, скрепленных под прямым углом так, чтобы в сечении образовать знак +. Этот метод намотки принадлежит Каллендару, который обнаружил, что слюда химически инертна по отношению к платине даже при высоких температурах. Выводы, также выполненные из платиновой проволоки, проходят от катушки через слюдяные шайбы к клеммам, закрепленным на головке из самшита. Вторая проволока, не соединенная с катушкой, но идентичная по длине и диаметру обычным выводам, согнута в две параллельные ветви, которые пропущены через слюдяные шайбы рядом с выводами и подведены ко второй паре клемм в головке. Функция этой проволоки заключается в компенсации изменений сопротивления выводов при нагреве путем противопоставления компенсационной проволоки пирометру в измерительной схеме; при этом сопротивления выводов и проволоки, будучи равными, взаимно уничтожаются, и в результате измеряется только сопротивление катушки. На рис. 34 показаны соединения для моста Уитстона при использовании этого метода компенсации, где a и b представляют два равных фиксированных сопротивления, P — катушку пирометра, x — выводы, L — компенсационную проволоку, а d — регулируемое сопротивление. Когда на гальванометре не наблюдается отклонения,

a / b = (x + P) / (L + d)

и поскольку a = b и x = L, отсюда следует, что P = d.

Защитная трубка, используемая компанией Cambridge and Paul Instrument Company, изготовлена из фарфора, который, как установлено, полностью защищает платину от печных газов, но является чрезвычайно хрупким, и для использования в цеховых условиях его следует защищать внешней железной оболочкой.

Рис. 34. Мост Уитстона, используемый с пирометром сопротивления.

Пирометры сопротивления других фирм отличаются в деталях от вышеописанных. В пирометре Сименса катушка намотана на специальную огнеупорную глину и защищена железной оболочкой, пространство между катушкой и оболочкой заполнено магнезией, которая эффективно предотвращает коррозию платины; компенсация осуществляется с помощью одной проволоки, проходящей по центру и соединенной с одним концом катушки, при этом для измерения используется специальная форма моста Уитстона. В приборах, изготовленных Р. У. Полом, катушка выполнена из плоской ленты, прокатанной из проволоки, намотанной на слюду и защищенной кварцевой трубкой и внешней железной оболочкой. Компания Leeds-Northrup из Филадельфии использует стержень из обсидиана, на который наматывается катушка, а также выпускает модель, в которой катушка намотана таким образом, что является самонесущей, что позволяет обойтись без каркаса. Во всех случаях катушка наматывается безындуктивно, т.е. проволока перед намоткой в спираль складывается вдвое.

Нулевое сопротивление данного прибора зависит от точности используемых измерительных приборов и от степени точности, которую желательно достичь. Если, например, предполагается проводить отсчет с точностью до 1° C с помощью приборов, способных измерять до 1/100 Ом, удобным нулевым сопротивлением будет 2,6 Ом; установлено, что для чистой платины сопротивление возрастает с 2,6 Ом при 0° до 3,6 Ом при 100° C, что составляет увеличение на 1/100 Ом на 1° C. При использовании менее точных измерительных устройств для той же степени точности потребуется соответственно более высокое нулевое сопротивление; так, если минимальное значение, обнаруживаемое измерительным устройством, составляет 1/25 Ом, то нулевое сопротивление 10,4 Ом позволило бы наблюдать 1° C. Очевидно, что подходящее нулевое сопротивление можно рассчитать аналогичным образом во всех случаях, когда известны пределы измерительного прибора и задан минимальный температурный интервал.

Для работы при температурах выше каления выводы от катушки всегда должны быть выполнены из платины. Медные выводы при нагревании выделяют пары в количестве, достаточном для воздействия на платину; то же самое в большей степени относится ко всем видам припоя. Однако для работы при низких температурах можно использовать медные выводы, что снижает стоимость прибора. Слюда при температуре выше 1000° C имеет тенденцию крошиться, а большинство ее видов плавятся при 1300° C или ниже; поэтому прибор со слюдяной намоткой не следует использовать непрерывно при температуре выше 1000° C. Намотка на огнеупорной глине, используемая Сименсом, позволяет проводить эпизодические измерения до 1400° C; то же самое относится к проволокам, намотанным на обсидиан (температура плавления = 1550° C), или к тем, в которых катушка является самонесущей. Однако, как упоминалось ранее, изменения в самой платине делают непрерывные показания выше 1000° C неточными уже через короткое время.

Было отмечено, что с помощью точных измерительных приборов можно измерить сопротивление, соответствующее изменению на 1° C; и на первый взгляд может показаться, что метод сопротивления на практике значительно точнее термоэлектрического. Если бы нужно было измерить идеально постоянную температуру, пирометр сопротивления, несомненно, дал бы более точные показания; но постоянство температуры в пределах 10° C редко достижимо в газовых или угольных печах или других горячих пространствах, где используются пирометры. Точность пирометра в цеховых условиях поэтому зависит от быстроты, с которой он реагирует на колебания температуры, на что, очевидно, будет влиять теплопроводность оболочки. Поскольку пирометр сопротивления необходимо защищать фарфоровой или кварцевой оболочкой, которые являются плохими проводниками тепла, этот прибор, как следствие, не способен следить за быстро меняющейся температурой. То же самое относится к магнезитовой набивке, используемой в модели Сименса; тогда как термоэлектрический пирометр часто достаточно защищен железной трубкой, которая передает тепло с достаточной свободой. Таким образом, превосходная чувствительность метода сопротивления сводится на нет инерционностью его показаний; и для считывания изменяющихся температур термоэлектрический пирометр по меньшей мере столь же точен. Однако, если можно поддерживать постоянную температуру, как при определении точек плавления или при использовании экспериментальных печей, способных к точной регулировке, показания установившейся температуры могут быть получены с большей точностью при использовании пирометра сопротивления.

Индикаторы для пирометров сопротивления. Все существующие индикаторы для пирометров сопротивления в действительности представляют собой комплекты для измерения сопротивления либо с помощью моста Уитстона, дифференциального гальванометра или другого метода, причем сопротивление пересчитывается на шкале в соответствующие температуры. Далее будут описаны типичные примеры.

Рис. 35. Дисковый индикатор Сименса.

Индикатор Сименса. Этот прибор основан на принципе моста Уитстона и показан на рис. 35. Гальванометр установлен в центре шкалы, по краю которой закреплено кольцо, на которое в форме спирали намотано регулируемое сопротивление. Предусмотрены соответствующие клеммы с надписями, к которым подключаются батарея, выводы пирометра и компенсатор. Латунный рычаг, подвижный вокруг центра шкалы, заканчивается нажимным ключом, который перемещается по регулируемому сопротивлению; ключ включен в цепь батареи. Фиксированные известные сопротивления расположены внутри индикатора. Регулировка заключается в перемещении ключа по окружности до тех пор, пока при нажатии на гальванометре не будет получено нулевое отклонение. Указательный конец подвижного рычага затем показывает температуру пирометра на шкале, которая размечена в температурах, соответствующих сопротивлению, противопоставленному пирометру для различных положений ключа. При снятии показаний оператор руководствуется тем фактом, что когда указанная температура слишком высока, стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону; тогда как если слишком низка, будет получено противоположное отклонение. Промежуточное положение нулевого отклонения должно быть найдено путем подбора; и процедура не должна занимать более двух минут, если наблюдатель имеет приблизительное представление об измеряемой температуре.

Рис. 36. Индикатор Уиппла.

Индикатор Уиппла. Этот прибор (рис. 36) используется компанией Cambridge and Paul Instrument Company и также представляет собой форму моста Уитстона. Выводы пирометра и компенсатор подключаются к соответствующим клеммам T с надписями, а батарея — к другим клеммам на противоположной стороне ящика. Стрелка гальванометра видна через небольшое окно B, а батарея из двух сухих элементов расположена сбоку ящика. Фиксированные сопротивления находятся внутри, а регулируемое сопротивление состоит из непрерывной проволоки, намотанной на барабан, который можно вращать с помощью рукоятки H. Вал, соединяющий H с барабаном, имеет резьбу и работает в гайке, так что вращение H вызывает спиральное движение барабана. Регулировка заключается во вращении H до тех пор, пока при нажатии ключа F не будет наблюдаться отклонения стрелки гальванометра. Температура пирометра затем считывается непосредственно с бумажной шкалы, намотанной на барабан и вращающейся вместе с ним, видимой через окно A, причем показание указывается фиксированной стрелкой. Это устройство представляет собой компактный и удобный индикатор.

Рис. 37. Индикатор Харриса.

Индикатор Харриса. В индикаторах Сименса и Уиппла перед снятием показаний необходимо регулировать сопротивление до тех пор, пока гальванометр не покажет нулевое отклонение — операция, которая требует времени и определенного навыка. Этого недостатка лишен индикатор Харриса, изготовленный Р. У. Полом и показанный на рис. 37. Этот прибор представляет собой особую форму омметра, который автоматически показывает сопротивление пирометра по движению стрелки; шкала, однако, разделена так, чтобы показывать соответствующие температуры. В этом индикаторе шкалу можно настроить на уведомление о превышении температуры — скажем, на 100° — сверх заданного фиксированного числа, и, следовательно, он способен давать точные показания в рабочем диапазоне, для которого используется. Его также можно подключить так, чтобы вся шкала представляла полный диапазон — скажем, от 0° до 1000° C — или другой заданный интервал. Преимущество этого прибора заключается в том, что манипуляции с ним гораздо проще, чем с описанными ранее индикаторами.

Индикатор Leeds-Northrup. В этом аппарате используется принцип моста Уитстона, но гальванометр снабжен шкалой, разделенной на температуры. Предусмотрены катушки, соответствующие увеличению сопротивления из-за повышения температуры пирометра на 100° C, и путем включения этих катушек в цепь температура получается с точностью до ближайших 100°. Если температура была точно на ровной сотне — скажем, 700° — стрелка гальванометра была бы на нуле своей шкалы; но если теперь температура повысилась, система перестала бы быть сбалансированной, и стрелка гальванометра переместилась бы по своей шкале на величину, зависящую от разности потенциалов на его клеммах. Очень чувствительный гальванометр дал бы отклонение до конца шкалы при небольшом отклонении от правильного баланса системы; но при использовании менее чувствительного прибора стрелка оставалась бы в пределах шкалы; и чем больше увеличение сопротивления, тем больше было бы отклонение. В таком случае можно разделить шкалу гальванометра для отсчета температур, соответствующих заданному превышению над температурой катушек, включенных в цепь. В одной из моделей индикатора Leeds-Northrup вся шкала разделена таким образом для отсчета 100°, и показание получается путем добавления цифры, показанной на гальванометре, к сотням, представленным включенными катушками. В другой модели гальванометр имеет центральный нуль, а его шкала разделена как вправо, так и влево, причем одна сторона дает количество градусов выше, а другая — ниже ближайшей сотни. Таким образом, наблюдения гораздо проще, чем в случае, когда требуется регулировка до состояния нулевого отклонения.

Дифференциальный индикатор Сименса. Эта форма индикатора все еще используется и состоит из дифференциального гальванометра и ящика магазинов сопротивлений, соединенных, как показано на рис. 30. Регулируя катушки до тех пор, пока не будет получено нулевое отклонение, получают сопротивление пирометра, а соответствующую температуру считывают по предоставленным таблицам. Эта форма индикатора предпочтительна для некоторых пользователей, но она менее чувствительна, чем более современный индикатор с мостом Уитстона, выпускаемый этой фирмой (рис. 35), и столь же сложна в обращении.

Самописцы для пирометров сопротивления. Ценность записей при работе с высокими температурами привела к изобретению регистрирующих механизмов для использования с пирометрами сопротивления. Форма, широко используемая в Великобритании, — это прибор, разработанный Каллендаром, показанный на рис. 38, и состоящий из механизма для автоматического восстановления баланса сопротивлений в цепи моста Уитстона таким образом, чтобы указывать существующее сопротивление на диаграмме. Для этой цели подвижная катушка гальванометра несет стрелку или контактный рычаг, который при отклонении вправо или влево замыкает одну из двух электрических цепей. Замыкание любой из цепей приводит в действие часовой механизм, который заставляет ползунок с пером перемещаться по проволоке моста до тех пор, пока баланс не будет восстановлен, и попутно производить отметку чернилами на бумаге, намотанной на барабан, который вращается с известной скоростью. Когда сопротивление пирометра сбалансировано, стрелка гальванометра будет находиться в центральном положении, а ползунок — в покое; тогда как повышение температуры, вызывающее увеличение сопротивления пирометра, приведет к отклонению стрелки и замыканию цепи, что вводит большее сопротивление в противовес пирометру. Падение температуры аналогичным образом приведет к освобождению второго механизма из-за отклонения стрелки в противоположном направлении, в результате чего ползунок переместится так, чтобы противопоставить пирометру меньшее сопротивление. Если диаграмма разделена по горизонтали на равные промежутки, представляющие равные приращения или уменьшения сопротивления, они могут быть размечены для представления градусов по платиновой шкале, которые могут быть переведены в обычные градусы путем обращения к таблице пересчета. В умелых и опытных руках этот самописец дает отличные результаты, и ценность полученных записей ясно видна при изучении примера, показанного на рис. 39, который представляет колебания температуры печи отжига в течение девяти часов. Следует отметить, что в течение периода, охваченного работой рабочего A, печь получала постоянное и внимательное обслуживание; но рабочий B, очевидно, заметно пренебрегал своими обязанностями в двух отдельных случаях.

Рис. 38. Самописец Каллендара.

Рис. 39. Запись, полученная с помощью самописца Каллендара.

Самописец Leeds-Northrup. В самописце Каллендара стрелка, замыкающая электрические цепи, прижимается к контактной поверхности лишь небольшой силой, обусловленной осевым скручиванием катушки гальванометра, что требует использования деликатного механизма, если необходимо обеспечить надежность действия. Более надежный контакт обеспечивается в приборе, изготовленном компанией Leeds-Northrup из Филадельфии, с помощью прерывистого действия, которое будет понятно из прилагаемого чертежа (рис. 40). Стрелка гальванометра заканчивается платиновым наконечником P, который движется между двумя блоками, верхний из которых состоит из двух серебряных частей A и B, разделенных полоской слоновой кости I, в то время как нижний блок C представляет собой еще одну серебряную деталь, которая периодически перемещается вверх и вниз электромагнитным устройством, не показанным на чертеже. Когда гальванометр находится в положении баланса, наконечник стрелки находится под деталью из слоновой кости I; и когда C поднимается, наконечник P прижимается к слоновой кости, и ток от батареи не проходит ни через одну из цепей E или F. Если, однако, кончик стрелки находится под A из-за изменения температуры пирометра, то при подъеме C цепь через E будет замкнута; и аналогично, если под B, будет установлена цепь через F. Результатом в любом случае является приведение в действие механизма, который перемещает ползунок с пером по проволоке сопротивления, противопоставленной пирометру, таким образом, чтобы восстановить баланс. Таким образом обеспечивается надежность контакта, что позволяет сделать все детали прочными. Сам самописец показан на рис. 41, где видно, что ползунок несет обычное стилографическое перо, контактирующее с диаграммой. Этот самописец работает по методу дифференциального гальванометра; а регулируемое сопротивление, по которому перемещается ползунок, состоит из манганиновой проволоки, намотанной на конический сердечник таким образом, что горизонтальные перемещения представляют равные изменения температуры, а не сопротивления, что избавляет от необходимости переводить показания платиновой шкалы в обычные градусы. Производители заявляют о согласованных и точных результатах в сочетании с прочной конструкцией этого прибора. Другой тип самописца, выпускаемый этой фирмой (рис. 26), также может использоваться в сочетании с пирометром сопротивления. В этом случае описанные движения вводят или исключают сопротивление, противопоставленное пирометру в цепи моста Уитстона, до тех пор, пока баланс не будет восстановлен.

Рис. 40. Принцип работы самописца Leeds-Northrup.

Рис. 41. Самописец Leeds-Northrup.

Самописец Пола. Этот прибор, используемый для термоэлектрических пирометров, уже был описан. Заменив гальванометр индикатором Харриса и используя подходящую диаграмму, тот же механизм служит для записи показаний пирометра сопротивления.

Установки пирометров сопротивления. Метод сопротивления не может быть так легко применен для целей централизованно управляемой установки, как термоэлектрический, из-за трудности производства набора пирометров с точно одинаковым сопротивлением. Однако внедрение метода омметра для измерения сопротивлений, как в индикаторе Харриса (стр. 122), сделало этот проект осуществимым, поскольку в этой схеме можно привести набор пирометров к общему сопротивлению путем добавления необходимого количества в виде проволоки с пренебрежимо малым температурным коэффициентом. Несколько приборов, приведенных таким образом к нулевому сопротивлению, например, 3 Ом, могут быть затем подключены к самописцу Харриса и дадут очень близкие результаты. Однако по ряду причин термоэлектрическая установка предпочтительнее.

Эксплуатация пирометров сопротивления. Не рекомендуется использовать пирометры сопротивления непрерывно при температуре выше 900° C (1650° F), хотя эпизодические измерения можно проводить до 1200° C (2190° F). Необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы металлические пары или печные газы не проникли внутрь, и по этой причине треснувшую или дефектную оболочку следует немедленно заменить. Поскольку сопротивление постепенно меняется, даже если не превышается 900° C, показания следует проверять в фиксированной точке вблизи рабочей температуры и вносить поправку на наблюдаемую ошибку. Другой метод коррекции, рекомендованный некоторыми производителями, заключается в измерении сопротивления в тающем льду, определении того, насколько оно отличается от нулевого сопротивления, отмеченного при калибровке индикатора, и внесении поправки простой пропорцией. Так, если наблюдаемое сопротивление в тающем льду составляло 10,2 Ом, а исходное было 10,0, показание на индикаторе умножается на 10,0/10,2 = 0,98; эта коррекция предполагает линейную зависимость между сопротивлением и температурой и поэтому является лишь приблизительной. Вообще говоря, любой серьезный дефект влечет за собой отправку прибора производителю, так как для выполнения необходимого ремонта требуется особая квалификация.

Поскольку индикаторы обычно не являются автоматическими в действии, при обращении с ними следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить какую-либо часть, особенно гальванометр; и не рекомендуется доверять приборы неквалифицированным наблюдателям. Замечания, касающиеся самописцев и защитных оболочек применительно к термоэлектрическим пирометрам (стр. 92), в равной степени применимы и в данном случае.

Специальное применение пирометров сопротивления. Во всех случаях, когда требуется точный отсчет и можно обеспечить стабильную температуру, пирометр сопротивления может быть использован с преимуществом. Так, для точного определения точек плавления и кипения или для точных отсчетов температуры в экспериментальных печах пирометр сопротивления превосходит приборы других типов. С другой стороны, он не способен реагировать на изменения с той же быстротой, что и термопара, и поэтому уступает для таких целей, как определение точек рекалесценции или температуры выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Метод сопротивления может применяться для атмосферных и очень низких температур (сжиженные газы и т. д.) для точного измерения установившихся условий, причем ниже 400° C иногда вместо платины используется никелевая проволока. Многие холодильные склады оснащены термометрами сопротивления, температура которых считывается непосредственно по гальванометру, включенному в мост Уитстона и показывающему отклонение, зависящее от величины разбаланса моста. Таким образом можно точно считывать изменения температуры чувствительного элемента. Подходит ли метод сопротивления для данной цели, должно решаться исходя из трех факторов: (1) измеряемая температура, которая не должна постоянно превышать 1000° C; (2) требуемая степень точности (термоэлектрический пирометр дает результаты с точностью до 10° C); (3) стабильность измеряемой температуры, так как быстрые изменения нелегко отображаются пирометрами сопротивления.

Одним из преимуществ пирометров сопротивления является то, что показания не зависят от сопротивления проводов, используемых для соединения пирометра с индикатором, так как такие провода дублируются и противопоставляются друг другу в измерительном устройстве, благодаря чему их сопротивление взаимно уничтожается. Следовательно, одно и то же показание получается на любом расстоянии, и, кроме того, температура головки пирометра может меняться в любой степени, не влияя на показания. Это пункты превосходства над термоэлектрическим методом; но, с другой стороны, пирометры сопротивления и индикаторы более дорогостоящие, более хрупкие, их труднее ремонтировать, они требуют более квалифицированного обслуживания и более склонны к выходу из строя при использовании в промышленных целях. Эти недостатки привели к ограничению использования пирометров сопротивления специальными целями, а основная масса наблюдений проводится с помощью термоэлектрических пирометров.

ГЛАВА V РАДИАЦИОННЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Общие принципы. Общеизвестно, что тепло, излучаемое веществом, увеличивается по мере повышения его температуры; и было бы очевидным преимуществом, если бы температуру горячего тела можно было вывести из интенсивности его излучения, так как измерение можно было бы проводить на расстоянии, без необходимости приведения пирометра в контакт с нагретым веществом. При температурах выше 1000° C, когда возникают трудности либо с металлами, либо с защитными оболочками термоэлектрических пирометров или пирометров сопротивления, преимущество стало бы более заметным по мере повышения температуры. Краткий обзор наших знаний о соотношениях между лучистой энергией и температурой укажет, как может быть достигнута эта желаемая цель.

Любое вещество при температуре выше абсолютного нуля (-273° C) излучает энергию в окружающую среду с помощью эфирных волн. Ниже 400° C эти волны не производят впечатления на сетчатку глаза, и излучающее тело поэтому невидимо в темной комнате. Однако выше 400° C излучается часть видимых волн; и по мере повышения температуры воздействие на сетчатку усиливается, и тело становится ярче. Разница между невидимыми и видимыми волнами заключается лишь в длине волны, причем более короткие волны видимы для глаза; и те, и другие представляют собой лучистую энергию. Помимо излучения лучистой энергии, вещество получает волны из окружающей среды, которые оно поглощает в большей или меньшей степени и которые при поглощении имеют тенденцию повышать температуру принимающего вещества. Множество предметов в комнате, находящихся при одной и той же температуре, поэтому излучают энергию друг другу, и равенство температур устанавливается, когда каждый объект получает из окружающей среды количество энергии, равное тому, которое он излучает. Горячее вещество излучает больше энергии, чем холодное; так, если подвесить горячий железный шар в комнате, он будет излучать в окружающую среду больше энергии, чем получает от нее, и поэтому будет остывать до тех пор, пока исходящая энергия не уравновесится входящей, когда его температура станет равной температуре других объектов в комнате.

Скорость, с которой вещество излучает или поглощает лучистую энергию, зависит от природы его поверхности. Шероховатая черная поверхность, такую как можно получить, подержав предмет в дыму от горящей камфоры, излучает и поглощает тепло свободнее, чем любая другая; тогда как полированная металлическая поверхность, которая действует как отражатель, является худшей из всех в этих отношениях. Однако даже поверхность из мелкодисперсной сажи не полностью поглощает все падающие на нее излучения, а проявляет небольшую степень отражения. «Абсолютно черная поверхность», если бы такую можно было найти, была бы полностью лишена отражательной способности и поглощала бы всю падающую на нее лучистую энергию; и, наоборот, излучала бы всю энергию, достигающую ее с нижней стороны, не отражая ничего обратно и не позволяя ей проходить сквозь нее так, как световые волны проходят через прозрачное вещество. Такой идеальной поверхности не известно; но, как показал Кирхгоф, можно создать излучающее устройство, которое даст тот же численный результат для излучаемой энергии, который был бы получен идеальной поверхностью при той же температуре. Такое устройство называется «абсолютно черным телом», а излучения от него обозначаются как «излучения абсолютно черного тела».

Рис. 42. Излучения абсолютно черного тела.

Любая полость, если она непрозрачна для лучистой энергии и поддерживается при постоянной температуре, представляет собой абсолютно черное тело, а излучения, получаемые изнутри через небольшое отверстие в стенке, являются излучениями абсолютно черного тела. На рис. 42 представлена такая полость; в которой, чтобы показать применение к пирометрии, тело A указано напротив отверстия в стенке, через которое излучения выходят с поверхности A. Если бы эта поверхность была «идеальной», все волны, падающие на нее, полностью поглощались бы и полностью излучались; но для предотвращения изменения температуры излучаемая энергия должна уравновешивать полученную энергию. Если, с другой стороны, поверхность A была бы полированным металлом, волны, падающие на нее со стенок полости, в основном отражались бы; но здесь снова энергия, покидающая поверхность, должна быть равна количеству полученной, если температура постоянна. Следовательно, если не происходит изменения температуры, энергия, покидающая поверхность A, не зависит от природы этой поверхности; и количество, выходящее через отверстие, будет поэтому одинаковым, независимо от характера поверхности напротив отверстия. При хорошей излучающей поверхности лучи из полости будут сначала поглощены, а затем излучены через отверстие; в случае плохой излучающей поверхности лучи будут непосредственно отражены через отверстие; общая энергия, выходящая наружу, будет одинаковой в обоих случаях. Позже будет видно, что радиационные пирометры основаны на излучениях абсолютно черного тела; и важно отметить, что рассматриваемое устройство реализуется в печи при постоянной температуре, в которой A может представлять такой объект, как стальной блок. Таким образом, получается, что условие идеального излучения достигается приборами, используемыми в повседневной практике; и, более того, излучения абсолютно черного тела всегда можно получить, поместив трубку, закрытую с одного конца, в нагретое пространство и принимая излучения через открытый конец; ибо это снова представляет собой полость при постоянной температуре. Аналогично, излучения от твердого тела внутри трубки электрической печи, показанной на рис. 29, будут того же описания, и мы поэтому можем с точностью применять любой прибор, основанный на излучениях абсолютно черного тела, зная, что то же самое может быть легко реализовано на практике.

Закон, связывающий энергию, излучаемую веществом при заданных условиях, с его температурой, по-разному формулировался различными наблюдателями, пока Стефан в 1879 году не вывел истинное соотношение из определенных экспериментальных данных, полученных Тиндалем. Стефан пришел к выводу, что цифры, приведенные Тиндалем, указывают на то, что энергия, излучаемая данным твердым телом, изменяется как четвертая степень его абсолютной температуры. Многочисленные эксперименты при различных условиях показали, что закон четвертой степени не применим ко всем видам поверхностей или обстоятельствам; но сильное подтверждение его истинности при применении к излучениям абсолютно черного тела было получено в 1884 году, когда Больцман показал из термодинамических соображений, что количество энергии, излучаемой за данное время идеальным излучателем, должно изменяться как четвертая степень его абсолютной термодинамической температуры. Определенные допущения, сделанные Больцманом в этом исследовании, были впоследствии оправданы экспериментом; и многочисленные тесты в условиях абсолютно черного тела с тех пор полностью подтвердили закон. Именно на законе Стефана-Больцмана основаны радиационные пирометры; энергия, получаемая путем излучения от нагретого вещества в условиях абсолютно черного тела, измеряется прибором и пересчитывается в соответствующие температуры на его шкале.

Выраженный в символах, закон четвертой степени принимает вид —

E = K(T1^4 - T2^4),

где E — общая излучаемая энергия; T1 — абсолютная температура абсолютно черного тела; T2 — абсолютная температура принимающего вещества, а K — постоянная, зависящая от выбранных единиц. Если E выразить в ваттах на квадратный сантиметр, значение K равно 5,6 × 10^-12; если в калориях на квадратный сантиметр в секунду, значение равно 1,34 × 10^-12. Введение температуры принимающего вещества T2 становится необходимым из-за того факта, упомянутого ранее, что энергия будет излучаться обратно на горячее тело, и чистая потеря энергии, очевидно, будет разницей между тем, что покидает его, и тем, что возвращается к нему от принимающего вещества. Если бы T2 был абсолютным нулем, энергия, покидающая абсолютно черное тело, была бы K(T1)^4; тогда как если бы T2 был равен T1, потеря энергии была бы равна нулю, так как вещество не может остывать путем излучения до температуры ниже температуры окружающей среды. Температуры T1 и T2 относятся к термодинамической шкале (стр. 9), но поскольку газовая шкала практически идентична, можно использовать градусы Цельсия, измеренные от абсолютного нуля, или -273°. Ниже приведен пример для иллюстрации применения закона: —

Пример. Сравнить энергию, излучаемую через отверстие в стенке печи при температурах 527°, 727° и 927° C соответственно, в окружающую среду при 27° C.

Количества будут как

K (800^4 - 300^4) : K (1000^4 - 300^4) : K (1200^4 - 300^4).

поскольку к каждой температуре нужно прибавить 273 для перевода в абсолютные градусы. Разделив каждое на K и раскрыв в каждом случае, отношение становится

(4096 - 81) × 10^8 : (10000 - 81) × 10^8 : (20736 - 81) × 10^8.

Разделив каждое на 10^8 и вычтя, получаем результат

4015 : 9919 : 20655, или 1 : 2,47 : 5,12.

В приведенном выше примере следует отметить, что влияние температуры окружающей среды, принятой за 27° C, по величине мало и становится пропорционально меньше по мере повышения температуры печи. Если бы T2 не учитывался в расчете, количества излучаемой энергии выглядели бы как

1 : 2,44 : 5,06.

Позже будет видно, что при расчете температурной шкалы радиационного пирометра температура окружающей среды по этой причине не принимается во внимание. Рис. 43 является графической иллюстрацией закона четвертой степени.

Рис. 43. Энергия, излучаемая абсолютно черным телом при различных температурах.

Когда известна связь между температурой и количеством излучаемой энергии, любой прибор, который будет указывать количество получаемого им излучения, может быть использован для измерения температур. Луч, например, может быть сфокусирован на термопаре, которая будет нагреваться пропорционально количеству падающей на нее энергии, и при подключении к милливольтметру вызовет отклонения, пропорциональные получаемой ею энергии. Вместо термопары можно использовать тонкую металлическую полоску, и путем измерения ее сопротивления можно вывести тепловой эффект излучения, а следовательно, и его количество. Третий метод заключался бы в фокусировке лучей на составную полоску из двух металлов, которая, изменяя форму, могла бы служить ключом к количеству полученной ею энергии. Теоретически достаточно позволить излучениям падать на рабочую часть любого прибора для измерения низких температур, когда возникшее повышение температуры можно принять пропорциональным полученной энергии, а тепловое состояние излучающего тела вывести из закона четвертой степени. Однако на практике желательно, чтобы принимающий термометр был небольшого размера; обладал малой теплоемкостью, чтобы быстро реагировать; и был способен давать чувствительные показания — поэтому обычный ртутный термометр был бы непригоден для этой цели. Термостолбик, помещенный на фиксированном расстоянии, не справился бы из-за того, что холодные спаи постепенно нагревались бы за счет теплопроводности через столбик. Часть, принимающая излучения, должна быть покрыта ламповой сажей, чтобы практически все падающие на нее волны, будь то видимые или невидимые, могли быть поглощены, а представляемая ими энергия использована для создания повышения температуры.

Практические типы радиационных пирометров: приборы Фери. В 1902 году Фери представил пирометр, в котором лучи фокусировались с помощью линзы на маленькую, зачерненную термопару, подобно тому, как лучи солнца могут быть сфокусированы с помощью зажигательной линзы. Термопара была подключена к специальной форме гальванометра д'Арсонваля, который записывал развиваемую Э.Д.С. Принимая показания гальванометра пропорциональными температуре термопары — то есть падающей на нее лучистой энергии — температуру источника можно было рассчитать по закону четвертой степени. Недостатком использования этого прибора был тот факт, что часть лучей поглощалась стеклом, причем эта доля, кроме того, варьировалась при разных температурах, так что закон четвертой степени нельзя было применять с точностью. Использование флюоритовой линзы вместо стеклянной позволило преодолеть эту ошибку, но высокая стоимость хорошей линзы из этого материала сделала ее использование в обычной цеховой практике запретительной из-за цены. Ряд этих пирометров, снабженных стеклянными линзами и откалиброванных путем сравнения со стандартом, обладающим флюоритовой линзой, был выпущен на рынок, но в 1904 году они были вытеснены, когда Фери пришел к плану фокусировки лучей с помощью вогнутого зеркала, тем самым преодолев ошибку из-за поглощения стеклянной линзой. Этот план, который служит превосходно, с тех пор был принят в большинстве радиационных пирометров.

Зеркальный пирометр Фери. Этот прибор показан в продольном и поперечном сечении на рис. 44. Вогнутое зеркало M, имеющее позолоченную отражающую поверхность, помещено на одном конце металлической трубки и закреплено на рейке, которая входит в зацепление с шестерней, приводимой в движение головкой P, так что при вращении P зеркалу сообщается продольное движение. Маленькая, зачерненная термопара, показанная в центре поперечного сечения и состоящая из медного диска, к которому прикреплены проволоки из меди или железа и константана, принимает лучи после отражения и может быть приведена в фокус путем соответствующего перемещения зеркала.

Рис. 44. Зеркальный пирометр Фери. Сечение.

Рис. 45. Зеркальный пирометр Фери. Вид с торца.

Проволоки проходят к клеммам b и b' на внешней стороне трубки, от которых выводы идут к индикатору. Чтобы обнаружить, когда термопара находится в фокусе зеркала, в конце трубки установлен окуляр O, который позволяет видеть термопару в увеличенном виде через отверстие в центре M. С помощью оптического устройства, расположенного рядом с термопарой, изображение наблюдаемого объекта, созданное M, отражается в двух частях к окуляру O. Когда термопара находится точно в фокусе M, вокруг термопары видно круглое изображение; когда она не в фокусе, наблюдается картина из двух полукругов, не совпадающих по бокам. Регулировка заключается в перемещении зеркала до тех пор, пока отдельные полукруги не образуют непрерывный круг; метод одновременно простой и определенный. Передний конец пирометра показан на рис. 45, где видно, что вход может быть частично закрыт диафрагмой или оставлен полностью открытым, по мере необходимости. Диафрагма используется для отсечения определенной доли излучений и применяется для очень высоких температур, при которых с полной апертурой стрелка индикатора была бы выведена за пределы шкалы. На индикаторе предусмотрены две отдельные температурные шкалы, одна из которых относится к полной, а другая — к частичной апертуре. Того же результата можно было бы достичь путем включения подходящего сопротивления последовательно с индикатором, но в этом случае термопара могла бы чрезмерно нагреться и, возможно, повредиться при этом. Пропорции пирометра таковы, что при самых высоких измеряемых температурах тепло, падающее на термопару, никогда не нагревает ее выше 110° C. Хотя интенсивность излучений уменьшается как квадрат расстояния, количество, падающее на термопару, в определенных пределах не зависит от расстояния: это проистекает из свойства вогнутых зеркал в отношении связи между размером изображения и расстоянием до объекта, создающего его. Если r = радиус зеркала, u — расстояние до объекта, а v — расстояние до изображения, оба измеренные от центра зеркала, то для вогнутого зеркала справедливо соотношение 1/u + 1/v = 2/r, и когда два из них известны, третье можно рассчитать. Далее, если d — линейный размер объекта, а d1 — его изображения, то также справедливо соотношение d/d1 = u/v, и из этих двух выражений можно определить все пункты, возникающие в связи с пирометром Фери, что лучше всего будет прояснено примерами.

Пример I. Найти положение изображения объекта, сформированного зеркалом радиусом 6 дюймов, при расстоянии до объекта (a) 10 футов, (b) 20 футов.

Переводя в дюймы и применяя формулу

¹⁄u + ¹⁄v = ²⁄r,  ¹⁄₁₂₀ + ¹⁄v = ¹⁄₃

и

1/240 + 1/v = 1/3

откуда значения v равны 3-1/13 дюйма и 3-1/26 дюйма соответственно, разница всего в 1/26 дюйма.

Если бы u было 6 дюймов, v также было бы 6 дюймов; если бы u было бесконечностью, v было бы 3 дюйма. Движение изображения, когда объект приближается к нему с большого расстояния, в рассматриваемом зеркале происходило бы от 3 дюймов до 6 дюймов, и на расстояниях 10 футов и более различалось бы по положению лишь на малые доли дюйма.

Пример II. — Найти площадь изображения круглого отверстия диаметром 1 фут, сформированного зеркалом с радиусом кривизны 6 дюймов, расположенным от отверстия на расстоянии (а) 10 футов; (б) 20 футов.

Поскольку d / d1 = u / v;

то, исходя из результатов Примера I,

12 / d1 = 120 / (3 - 1/13) на расстоянии 10 футов, и

12 / d1 = 240 / (3 - 1/26) на расстоянии 20 футов.

Следовательно, линейные размеры, т.е. диаметры круглых изображений, составят соответственно 0,308 и 0,152 дюйма; а площади — 0,074 и 0,0182 квадратного дюйма. Эти площади соотносятся друг с другом практически как 4 : 1.

То есть площадь изображения уменьшается в размере прямо пропорционально квадрату расстояния до объекта; квадраты расстояний составляют 100 и 400, или соотносятся как 1 : 4; тогда как площади изображений соотносятся как 4 : 1.

Пример III. — Найти для 6-дюймового зеркала и термопары диаметром 1/10 дюйма наибольшее расстояние, на которое можно поместить зеркало от отверстия диаметром 1 фут, чтобы получить изображение не меньше размера термопары.

Из Примера I очевидно, что на любом расстоянии, превышающем 20 футов, положение изображения будет лишь на незначительную и пренебрежимо малую долю превышать 3 дюйма; следовательно, v можно принять равным 3.

Подставляя значения в формулу d / d1 = u / v; и принимая d1 равным диаметру термопары, = 0,1 дюйма,

12 / 0,1 = u / 3, и u = 360 дюймов, или 30 футов.

За пределами этого расстояния изображение было бы меньше термопары. Выводы, которые можно сделать из вышеприведенных примеров: (1) количество энергии, получаемой термопарой, не меняется, при условии, что изображение перекрывает её; и (2) предельное расстояние, на котором можно получить правильное показание, — это расстояние, при котором размер изображения равен размеру термопары. Таким образом, принимая расстояния 10 и 20 футов, как в Примере II; на первом расстоянии энергия, падающая на зеркало, в четыре раза больше, чем на втором; но, с другой стороны, площадь изображения на расстоянии 10 футов в четыре раза больше, чем полученная на расстоянии 20 футов. Следовательно, на большем расстоянии доля изображения, попадающая на термопару, в четыре раза больше, и тот факт, что на зеркало попадает лишь 1/4 часть энергии, таким образом компенсируется. Все отраженные лучи, которые не попадают на термопару, неэффективны и выходят через входное отверстие трубки.

Рис. 46. — Спираль Фери.

Двухшкальная форма прибора, описанная выше, чрезвычайно полезна для общих целей, но когда все контролируемые температуры находятся в пределах одной из шкал, проще и дешевле отказаться от диафрагмы и использовать индикатор, снабженный только одной шкалой. Одношкальный зеркальный пирометр по этой причине чаще используется в промышленных целях; и компания Cambridge and Paul Instrument Company в настоящее время производит поворотный индикатор для использования с полным отверстием, который менее подвержен повреждениям, чем прибор с подвесной катушкой.

Рис. 47. — Спиральный пирометр Фери. Разрез.

«Спиральный» радиационный пирометр Фери. — Этот прибор отличается от предыдущего лишь тем, что лучи фокусируются на небольшой спирали, образованной составной полоской из двух металлов, закрепленной с одного конца и снабженной указателем на свободно движущемся конце (рис. 46). Влияние изменений температуры на эту спираль заставляет её скручиваться или раскручиваться в зависимости от того, повышается или понижается температура. Это движение увеличивается указателем, конец которого перемещается по шкале, градуированной для прямого считывания температур. Это устройство показано в разрезе на рис. 47, где C — зеркало, E — окуляр, S — спираль, P — указатель, а D — шкала, видимая через окно W. Внешний вид аппарата при взгляде спереди показан на рис. 48. Преимущество использования спирали заключается в том, что прибор является автономным, гальванометр не требуется; но, с другой стороны, показания не столь точны, при температурах выше 1000° C возможна погрешность в 20° C. При использовании этого пирометра замечено, что после фокусировки на горячем веществе указатель некоторое время быстро движется, а затем останавливается, после чего снова начинает медленно ползти по шкале. Температура, указанная в момент остановки, обычно принимается за показание, но это не всегда верно.

Рис. 48. — Спиральный пирометр Фери. Вид спереди.

Медленное движение, вероятно, связано с тем, что весь прибор и воздух внутри него нагреваются входящими лучами и близостью к горячему источнику. В ряде испытаний, проведенных автором, было замечено, что когда прибору давали постоять рядом с печью некоторое время перед использованием, тем самым достигая температуры, существующей в окрестности, «ползучесть» почти полностью исчезала. Учитывая все обстоятельства, спиральную форму пирометра Фери следует считать более портативной, но менее точной, чем ту, в которой лучи принимаются на термопару.

Радиационный пирометр с фиксированным фокусом Фостера. — Необходимость фокусировки, общая для всех радиационных пирометров Фери, устранена в пирометре Фостера, который, однако, нельзя использовать с такого большого расстояния. Принцип, заложенный в пирометре с фиксированным фокусом, заключается в том, что количество энергии, получаемой вогнутым зеркалом и фокусируемой на термопаре, не будет меняться до тех пор, пока площадь поверхности, посылающей лучи на зеркало через фиксированное отверстие, увеличивается пропорционально квадрату расстояния. Это станет понятно из рис. 49, на котором C — зеркало, D — термопара, закрепленная так, чтобы находиться в фокусе отверстия E F, а A B — нагретая поверхность. Линии, соединяющие E и F с краем зеркала, пересекаются в точке G, и при условии, что линии G E и G F, если их продолжить, попадают на нагретую поверхность A B, количество энергии, падающей на D, всегда будет одинаковым. Поперечное сечение конуса G A B представляет собой круг; и если A B находится в два раза дальше от G, чем E F, площади кругов, диаметрами которых являются A B и E F, будут находиться в соотношении 4 : 1. Но поскольку A B находится в два раза дальше от G, чем E F, интенсивность его излучения будет как 1 : 4; и, следовательно, потеря излучательной способности точно компенсируется увеличением площади.

Рис. 49. — Принцип работы радиационного пирометра с фиксированным фокусом Фостера.

В реальном приборе трубка, в которой помещено зеркало, изнутри зачернена, так что никакие лучи не попадают на зеркало путем отражения от неё. Диаметры отверстия E F и зеркала C таковы, что перпендикуляр из G на A B в десять раз превышает длину A B. Следовательно, если нагретый объект имеет диаметр 6 дюймов, предельное расстояние G составляет 10 × 6 = 60 дюймов. Положение точки G обозначено кольцом на внешней стороне трубки, и при выполнении измерения трубку подносят на расстояние, значительно меньшее предписанного, которое во всех случаях в десять раз превышает диаметр нагретого объекта. Температуры считываются с гальванометра, подключенного к термопаре, при этом вся конструкция является портативной, как показано на рис. 50 и 51, на которых представлен прибор в процессе использования.

Рис. 50. — Пирометр Фостера, установленный на штативе.

Преимуществами использования прибора с фиксированным фокусом являются простота и дешевизна; но, поскольку на практике часто возникает необходимость фокусировки на объекте, пирометр Фостера следует рассматривать как упрощенный аппарат, не способный к более широкому применению, чем приборы Фери, но очень полезный во многих случаях. Уиппл недавно адаптировал спиральный пирометр Фери для создания прибора с фиксированным фокусом, прикрепив его к шамотной трубке, на закрытом конце которой пирометр постоянно сфокусирован. Эта форма особенно полезна для определения температуры расплавленных металлов, в которые погружается конец шамотной трубки, что обеспечивает истинные условия абсолютно черного тела.

Рис. 51. — Пирометр Фостера в процессе использования.

Радиационный пирометр Пола. — Твинг в Америке представил радиационный пирометр, в котором лучи из печи входят в широкий конец конуса и путем внутреннего отражения направляются к вершине, где расположена термопара. Пол в этой стране выпустил на рынок аналогичный прибор, действие которого показано на рис. 52, где E — трубка, содержащая полированный конус C, на вершине которого закреплена термопара T. Лучи от горячего источника A A' входят в трубку в D и проходят в конус, в конечном итоге отражаясь на T, которая подключена к индикатору. До тех пор, пока линии, соединяющие внешнюю часть конуса с краями входа D, пересекающиеся в O, попадают на горячий источник A A', показания будут одинаковыми на всех расстояниях. Рис. 53 показывает сам пирометр, установленный на штативе.

Рис. 52. — Принцип работы радиационного пирометра Пола.

Индикаторы для радиационных пирометров. — Когда излучение фокусируется на термопаре, температура которой в результате повышается, развиваемая ЭДС соответствует законам, обсуждавшимся в Главе II, и любой термоэлектрический индикатор, если он достаточно чувствителен, подойдет для целей радиационного пирометра. На воздействие на гальванометр влияют: (1) природа термопары; (2) размер зеркала или конуса; и (3) максимальная температура, достигаемая термопарой. Индикаторы, используемые в сочетании с радиационными пирометрами, относятся к поворотному типу, который теперь можно сделать достаточно чувствительным, чтобы обеспечить полное отклонение шкалы при повышении температуры термопары на 100° C. Для самой термопары использовался сплав Хейля (цинк и сурьма в атомных пропорциях) в паре с константаном из-за высокой развиваемой ЭДС; но были отмечены случаи ухудшения свойств этого сплава, что заставило некоторых производителей заменить его железом. Две железно-константановые или медно-константановые термопары, соединенные последовательно, дают ЭДС при повышении температуры на 100° C, достаточную для работы поворотного индикатора, и они предпочтительнее пары Хейля для радиационного пирометра.

Рис. 53. — Радиационный пирометр Пола.

Калибровка индикаторов для радиационных пирометров. — Отклонения на индикаторах обусловлены генерируемой ЭДС, которая пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями. Если оба они находятся при одной и той же температуре — скажем, 20° C — отклонение равно нулю; а при попадании излучения на горячий спай его температура повышается на величину, зависящую от интенсивности излучения — скажем, до 90° C. Полученное отклонение обусловлено разностью (90 - 20) = 70°, так как излучение повысило температуру горячего спая на 70° выше температуры окружающей среды. Если бы окружающая среда (включая холодный спай или спаи) изначально была при 15°, горячий спай при тех же условиях поднялся бы до 85°, снова давая разность в 70° и, таким образом, вызывая то же отклонение, что и раньше. При условии, что оба спая расположены так, чтобы достигать одинаковой атмосферной температуры в отсутствие излучения, заданное количество энергии, падающее на горячий спай, всегда будет вызывать в нем одинаковую избыточную температуру и, следовательно, всегда будет приводить к одинаковому отклонению при всех обычных атмосферных температурах. Поскольку спаи в радиационных пирометрах расположены так, чтобы выполнять это условие, коррекция на колебания температуры холодных спаев не требуется. Таким образом, отклонения соответствуют избыточным температурам горячего спая, которые, в свою очередь, прямо пропорциональны энергии, полученной спаем. Показания в милливольтах на индикаторе, таким образом, напрямую представляют доли энергии, полученной горячим спаем: 4 милливольта соответствуют удвоенной энергии, которая дает 2 милливольта, и так далее; следовательно, милливольтовая шкала становится энергетической шкалой.

Чтобы перевести энергию в соответствующие температуры, необходимо применить закон четвертой степени. Если E1 соответствует абсолютной температуре T1 абсолютно черного тела, от которого получено излучение, а E2 соответствует другой температуре T2, будут справедливы следующие соотношения:

E1 = K (T1^4 - x^4), и E2 = K(T2^4 - x^4),

где x — температура окружающей среды, принимающей излучение. Как указывалось ранее (см. Пример на стр. 140), членом x^4 можно пренебречь для диапазона высоких температур, измеряемых радиационным пирометром, следовательно, E1 = K T1^4 и E2 = K T2^4; и, следовательно, E1 / E2 = T1^4 / T2^4. Но, как показано выше, показания в милливольтах на индикаторе прямо пропорциональны полученной энергии, и если R1 и R2 = милливольты, обусловленные E1 и E2, то получается соотношение R1 / R2 = T1^4 / T2^4.

Чтобы составить температурную шкалу на основе этого соотношения, необходимо сделать одно правильное показание при известной температуре, после чего остальную часть шкалы можно разметить путем расчета, как показано в прилагаемом примере:—

Пример. — Трубка, закрытая с одного конца, находится при 927° C (1200° абс.) и дает отклонение, соответствующее 2 милливольтам на индикаторе. Найти температуры, которые дали бы отклонения, соответствующие 1, 3, 4 и 5 милливольтам.

Рассматривая случай 1 милливольта и применяя формулу

R1 / R2 = T1^4 / T2^4; 2 / 1 = 1200^4 / T2^4

откуда T2^4 = 1200^4 / 2 и T2 = 1009° абс. = 736° C. Аналогично, 3 милливольта представляют 1055° C; 4 милливольта = 1154° C; и 5 милливольт = 1236° C. Эти значения легко получаются с помощью четырехзначных логарифмов.

Рассчитав температуру, соответствующую каждому целому милливольту, можно построить кривую зависимости милливольт от соответствующих температур и вывести из неё промежуточные значения. Очевидно, что эталонное показание должно быть снято с большой точностью, так как вся шкала зависит от него; и для этой цели можно использовать точный пирометр сопротивления или термоэлектрический пирометр, помещенный внутрь трубки электрической печи, а радиационный пирометр навести на тонкий лист железа, помещенный прямо перед открытым спаем. Необходима проверка по более высоким показаниям шкалы, так как точное соблюдение закона четвертой степени на практике достигается редко. Это можно сделать таким же образом, поскольку термопары теперь можно калибровать непосредственно по газовой шкале до 1550° C, что позволяет перенести показания газовой шкалы на радиационный пирометр. Для точных показаний в заданном диапазоне шкала зеркального гальванометра может быть откалибрована таким образом, при условии, что предварительно добавлено достаточное сопротивление последовательно, чтобы гарантировать, что при самой высокой используемой температуре световое пятно останется на шкале.

Рис. 54. — Запись, полученная с помощью радиационного пирометра.

Регистрирующие приборы для радиационных пирометров. — Любой из термоэлектрических самописцев, описанных в Главе II, может быть применен к радиационным пирометрам, при этом диаграмма должна быть соответствующим образом разделена в соответствии с законом четвертой степени. При выполнении записи пирометр закрепляется на штативе или кронштейне и фокусируется на нужном участке. Рис. 54 является примером записи, сделанной с помощью ниточного самописца и пирометра Фери, на которой можно заметить деление температурной шкалы в соответствии с законом четвертой степени. Можно организовать работу так, чтобы рабочая температура находилась на открытой части шкалы, отрегулировав чувствительность гальванометра соответствующим образом перед калибровкой.

Эксплуатация радиационных пирометров. — Не рекомендуется доверять радиационный пирометр неквалифицированному наблюдателю, так как для получения хороших результатов требуется разумный контроль. Необходимо следить за тем, чтобы стрелка гальванометра была установлена на ноль перед снятием показаний, и стрелка всегда должна быть заблокирована во время транспортировки. При фокусировке на объект в печи необходимо убедиться, что видимое красное изображение действительно является изображением объекта, что можно сделать, перемещая пирометр до тех пор, пока сторона объекта или какая-либо особая деталь не станет видна в окуляре, после чего пирометр можно перемещать до тех пор, пока изображение не окружит спай. Могут возникнуть случаи, например, при измерении температуры различных зон вращающейся цементной печи или другой печи, когда требуется сфокусировать зеркало на определенное расстояние; в этом случае автор принял план установки фиксированного указателя напротив головки с накаткой, которая управляет зеркалом (P, рис. 44), и фокусировки на перекладинах окна на измеренных расстояниях, отмечая их на головке с накаткой напротив указателя; было бы удобно, если бы все радиационные пирометры были так размечены изначально. Хорошей проверкой правильности фокусировки в случае нагретого объекта является изменение фокуса в обоих направлениях и окончательная регулировка на максимальное показание, которое должно соответствовать истинному фокусу.

Следует проявлять большую осторожность, чтобы не повредить зеркало. Если в мастерской поверхность покрылась грязью, её следует удалить осторожной чисткой кистью из верблюжьей шерсти или продувкой зеркала воздухом. Устройство фокусировки никогда не должно подвергаться нагрузке за пределами своих рабочих пределов; когда они достигнуты, пирометр следует переместить целиком, пока объект не будет правильно наведен в пределах обычных пределов перемещения головки с накаткой. Если между печью и пирометром попадают металлические пары или густой дым, излучение будет затруднено, и записанная температура будет слишком низкой; в таких случаях пирометр следует поместить у открытого конца трубки и навести на закрытый конец, который должен заканчиваться в точке наблюдения.

Во всех случаях необходимо помнить, что показания применимы только к условиям абсолютно черного тела. Если блок стали навести внутри печи, а затем вынуть наружу и снова навести, внешнее показание будет намного меньше внутреннего из-за худшей излучательной способности поверхности, которая теперь не получает помощи от печи. Поэтому все показания следует снимать, пока объект еще находится в печи, или (как при измерении температуры расплавленного металла в ковше) можно использовать шамотную трубку с закрытым концом, вставленную в массу, и снимать показания через открытый конец. Иногда делаются заявления, что разница между внешними показаниями и показаниями абсолютно черного тела постоянна для данной поверхности и что одно можно перевести в другое; но это верно только для неизменных поверхностей, таких как платина, и редко применимо к обычным рабочим поверхностям. Поскольку условия абсолютно черного тела так легко обеспечить, проще и безопаснее всегда организовывать снятие показаний в таких условиях, а не доверять соотношению, которое редко бывает постоянным на практике.

При использовании радиационного пирометра для нескольких печей в каждую из них можно вставить шамотные трубки, закрытые с одного конца, так чтобы закрытый конец заканчивался в рабочей точке, а открытый конец оставался заподлицо с внешней стороной печи. Диаметр таких трубок будет зависеть от длины, а также от марки пирометра; во всех случаях изображение закрытого конца должно быть достаточно большим, чтобы перекрывать принимающий спай или спираль. Информацию по этому вопросу всегда можно получить у производителей или выяснить путем проб с отверстиями известного диаметра. При использовании пирометра для получения температур внутри трубки электрической печи, такой как показана на рис. 29, твердый объект, такой как короткий шамотный цилиндр или кусок графита, должен быть помещен в середину трубки и сфокусирован на спай.

Специальные применения радиационных пирометров. — Для регулярного использования при температурах выше 1000° C или 1850° F радиационный пирометр окажется более полезным, чем приборы термоэлектрического или резистивного типа, так как последние подвергаются разрушению из-за постоянного воздействия печных газов, что становится более заметным по мере повышения температуры. Примерами промышленных процессов, в которых значительно превышается 1000° C, являются производство стекла, керамики и цемента, обработка специальных сталей, а также литье металлов и сплавов. Даже для температур от 750° до 1000° C можно использовать радиационный пирометр, но он не так удобен для этого диапазона, как термоэлектрический прибор. Верхнего предела для прибора не существует, его можно откалибровать по закону четвертой степени до самой высокой достижимой температуры — температуры электрической дуги, которая была определена как 3720° C с помощью радиационного пирометра Фери. Таким образом, измерения можно проводить за пределами пределов термопар, например, температуру электрических печей и термита в форме, а также расплавленной стали перед разливкой, что открывает возможность точного контроля при экстремально высоких температурах. Однако всегда существует опасность чрезмерного нагрева холодного спая при нахождении рядом с большими массами при очень высоких температурах, и по этой причине могут возникнуть серьезные ошибки. Можно привести два примера, иллюстрирующих полезность радиационного пирометра на практике: (1) закалка стальных снарядов; и (2) определение температуры зоны спекания во вращающейся цементной печи. В (1) снаряд подносится к определенной точке у края печи, где он находится в фокусе радиационного пирометра, и при достижении заданной температуры выгребается из печи и падает в масляную ванну. Было обнаружено, что разница в 10° C от стандартной температуры, при которой следует закаливать снаряды, может вызвать серьезное снижение пробивной способности готового снаряда; и поэтому радиационный пирометр, который можно легко навести на каждый отдельный снаряд, лучше всего использовать для этой цели. В (2) самую горячую точку можно найти, фокусируя пирометр на разные расстояния вдоль печи, и, делая запись, можно обнаружить любое падение температуры из-за дефекта подачи угля или воздуха, или из-за чрезмерной подачи сырья, что дает информацию, на основе которой процесс можно регулировать с наибольшей выгодой. При температурах, преобладающих в таких печах — от 1300° до 1450° C, или от 2370° до 2640° F, в зависимости от типа печи — радиационный пирометр Фери вполне чувствителен к изменениям на 10° C или 18° F, и автор нашел его полностью удовлетворительным в этом отношении. Адаптируемость радиационных пирометров ко всем температурам выше красного каления в сочетании с отсутствием износа делает эти приборы очень ценными, а возможность получения записей является дополнительной рекомендацией. Однако радиационный метод не подходит для целей установки, так как даже если бы зеркала и спаи можно было сконструировать идентичными, устройство было бы очень дорогостоящим. Дешевая адаптация радиационного принципа, с помощью которой можно было бы управлять рядом печей, например, комплектом цементных печей, из одного центра, была бы большим преимуществом и еще больше увеличила бы общую полезность этого класса пирометров.

ГЛАВА VI ОПТИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ

Общие принципы. — Когда твердое тело нагревается до 450° C, оно начинает испускать световое излучение и в темной комнате кажется тускло-красным. По мере повышения температуры световое излучение становится более интенсивным; цвет меняется на более светлый красный, затем на оранжевый, желтый, белый и, наконец, на ослепительно белый. Были предприняты попытки присвоить температуры определенным цветам, и Пуйе в 1836 году представил таблицу, которая якобы давала связь между цветом и температурой. Следующая таблица, опубликованная Хоу в 1900 году, значительно отличается от таблицы Пуйе, у которого не было точных средств измерения температур, которые он приписывал цветам:—

Description. |  Temp. Deg. C.  |  Temp. Deg. F
Lowest red visible in darkness | 470 | 878
  ”   ”   ”   daylight | 475 | 887
Dull red | 550 to 625 | 1022 to 1157
Full cherry | 700 | 1292
Light red | 850 | 1562
Full yellow | 950 to 1000 | 1742 to 1832
Light yellow | 1050 | 1922
White | 1150 | 2108

Если бы все наблюдатели могли точно определять цвета, к которым относятся эти температуры, таблица была бы очень полезна; но на практике любые два человека могут разойтись в суждении на 50° C ниже желтого; а когда достигается белый цвет и становится ослепительным, точное различение невозможно. В то же время квалифицированный рабочий, привыкший закаливать сталь при фиксированной температуре, скажем 850° C, приобретает высокую степень суждения при постоянной практике и может не отклоняться более чем на 20° C при температурах ниже светло-желтого. Однако личностный фактор слишком велик, чтобы суждение о цвете невооруженным глазом можно было считать точным руководством к температуре. Однако довольно близкое приближение можно получить путем сопоставления цветов с подготовленными эталонами, о чем будет сказано позже.

Определение внутренней яркости нагретого вещества фотометрическим методом естественным образом напрашивается как возможный способ определения температур оптическими средствами, и будет обнаружено, что все оптические пирометры, используемые в промышленных целях, основаны на этой процедуре. Закон, связывающий интенсивность всех испускаемых световых волн с температурой для данного твердого тела, приблизительно задается формулой Раша:—

|  | ┌ |  | ┐ x
I₁ |  | │ T₁ |  | │
—— |  =   | │ —— |  | │
I₂ |  | │ T₂ |  | │
|  | └ |  | ┘

где I1 и I2 — интенсивности, соответствующие абсолютным температурам T1 и T2; и показатель степени

|  | 25000
x |   =   | ——
|  | T₁

Следовательно, при 1250° абс. яркость увеличивается в 20-й степени, а при 2500° абс. — в 10-й степени температуры. Это быстрое увеличение яркости при небольшом повышении температуры позволяет легко наблюдать небольшие приращения; но на практике возникает трудность из-за огромных различий в яркости, проявляемых разными веществами при одной и той же температуре. Например, свет, испускаемый ламповой сеткой накаливания, которая состоит из оксида тория, во много раз больше, чем свет, испускаемый металлом, таким как платина, при той же температуре; и поэтому очевидно, что светимость вещества зависит не только от его температуры, но и от его природы. Однако можно получить показания для любого вещества в терминах абсолютно черного тела; так, если нагретое твердое тело обладает той же внутренней яркостью, что и абсолютно черное тело при температуре T, «кажущаяся» или «чернотельная» температура твердого тела также будет называться T. Все, что это означало бы, — это то, что состояние твердого тела было таковым, что излучаемый свет был равен по интенсивности свету, испускаемому абсолютно черным телом при температуре T; и чтобы получить истинную температуру твердого тела, T необходимо умножить на коэффициент, который выражает отношение его излучательной способности к излучательной способности абсолютно черного тела.

Во всех фотометрических методах используется эталонный свет, который не должен менять яркость и с которым сравнивается свет от источника. В оптических пирометрах не делается попыток измерить освещенность в свечах; все, что необходимо, — это привести эталон и источник к одной степени яркости с помощью соответствующих регулировок. Среди используемых эталонов — электрические лампы с угольной нитью, амил-ацетатные лампы, а для более высоких температур — центр пламени ацетиленовой горелки; каждая из которых способна создавать фиксированную степень яркости при использовании в заданных условиях. Абсолютно черное тело при известных температурах сравнивается с используемым эталоном, что обеспечивает шкалу «чернотельных» температур, к которой могут быть отнесены показания данного источника, как объяснялось в предыдущем абзаце. Однако выше 1000° C свет становится слишком ослепительным, чтобы можно было провести правильное сравнение эталона и источника, и тогда необходимо использовать поглощающие стекла для уменьшения яркости. Любое цветное стекло, взятое наугад, может не уменьшить яркость эталона и источника одинаково; но если использовать монохроматическое стекло — то есть стекло, которое пропускает свет только одной длины волны, — обнаруживается хорошо определенная связь между интенсивностью проходящего света и температурой источника. Поскольку оптические пирометры в большинстве случаев используются для температур выше 1000° C, что предполагает использование такого стекла, необходимо кратко рассмотреть соотношения между длинами волн света и температурой излучающего вещества, которое во всех случаях будет считаться абсолютно черным телом.

Закон Вина. — Когда температура вещества повышается, возникающая повышенная яркость распределяется по всем частям его спектра; и если бы вещество рассматривалось через стеклянную призму, было бы заметно, что каждая часть стала ярче, чем раньше. Принимая луч с длиной волны λ, связь между его интенсивностью и температурой (чернотельного) источника дается формулой Вина:—

J = c1 λ^-5 × e^-(c2 / λT) (1)

где J = энергия, соответствующая длине волны λ; e = основание натуральной системы логарифмов; T = абсолютная (термодинамическая) температура чернотельного источника, а c1 и c2 — константы, значения которых можно найти путем измерения J при двух известных температурах для света известной длины волны. Эксперимент показал, что эта формула верна для длин волн, которые лежат в видимом спектре, но не справедлива для более длинных волн; и модификации уравнения Вина были предложены Планком и другими, которые имеют более широкое применение. Однако для целей оптической пирометрии, использующей красный свет с длиной волны около 65 миллионных долей сантиметра, закон Вина может быть применен с большой точностью; и калибровка, основанная на этом законе, хорошо согласуется со значениями, полученными другими пирометрическими методами.

Формулу Вина можно записать в виде—

log10 J = K1 + K2 (1 / T) (2)

где K1 = (log c1) - (5 log λ) и K2 = c2 (log e / λ). Это упрощенное выражение показывает линейную зависимость между log J и 1 / T; и, следовательно, если известны температуры, соответствующие двум интенсивностям, результаты можно нанести на миллиметровую бумагу в виде прямой линии, соединяющей T и J, из которой можно получить промежуточные или внешние показания температур для любой заданной интенсивности. Другая полезная форма уравнения Вина, относящаяся к отношению двух интенсивностей J1 и J2, выглядит следующим образом:—

|  |  | c₂ log e |
log | ( J₁ ⁄ J₂ ) |  =  | ─── | ( ¹ ⁄ T₂  -  ¹ ⁄ T₁ )  (3)
|  |  | λ |

где T2 и T1 — абсолютные температуры, соответствующие J2 и J1. Значение c2 равно 1450000, когда λ выражено в миллионных долях сантиметра. Очевидно, что если известны отношение J1 / J2 и значения c2, λ и T2, можно рассчитать T1. Когда λ не известно, как в случае с куском красного стекла, для которого его значение не было определено, два показания при известных температурах установят значение (c2 log e) / λ, после чего все остальные результаты можно рассчитать. Теперь будут приведены примеры, иллюстрирующие применение формулы.

Пример I. — Установлено, что абсолютно черное тело при абсолютной температуре T1 дает вдвое большую интенсивность, чем наблюдаемая при 1200° абс., при этом сравнение проводится с красным стеклом, пропускающим длину волны 65 × 10^-6 см. Найти значение T1.

Подставляя значения в формулу (3)

log 2 = (1450000 / 65) log 2,7183 × (1 / 1200 - 1 / T1)

и

0,3010 = (1450000 × 0,4343 / 65) × (1 / 1200 - 1 / T1)

откуда T1 = 1237° абс.

Пример II. — Интенсивность излучения абсолютно черного тела при 2000° абс. оказалась равной интенсивности от заданного эталона, принятого за единицу. Найти интенсивность при 3000 абс. по сравнению с тем же эталоном. λ = 65 × 10^-6 см.

Применяя (3), как и раньше,

log (J1 / 1) = (1450000 × 0,43435 / 65) × (1 / 2000 - 1 / 3000)

откуда log J1 = 1,615, и J1 = 14,5.

При применении закона Вина к калибровке прибора, в котором интенсивность источника можно измерить фотометрически по отношению к эталону, можно использовать электрическую печь (рис. 29) с куском железа в центре, покрытым оксидом, который дает чернотельное излучение. Термоэлектрический пирометр в контакте с оксидом можно использовать для измерения стандартных температур, а яркости затем можно сравнить с яркостью амил-ацетатной или другой лампы, дающей пламя постоянной светимости. Температуры, соответствующие другим интенсивностям, можно затем вывести путем расчета, как было показано ранее.

Практические формы оптических пирометров. — Инструменты, используемые на практике, делятся на следующие группы:—

1. Эталонный свет постоянен, а интенсивность света от источника варьируется в приборе до тех пор, пока не станет равной эталонной. (Фери, Ле Шателье, Ваннер и Кембридж.)

2. Эталон варьируется до тех пор, пока не станет равным источнику, интенсивность которого может быть уменьшена, если она превышает интенсивность эталона. (Хольборн-Курльбаум, производится в коммерческой форме компанией Сименс.)

3. Цвет источника сопоставляется с эталонным цветом, подобранным в соответствии с тем, который получен в данной операции (Ловибонд); или источник может быть заставлен производить эталонный цвет с помощью поляризационного устройства (Мезуре и Нуэль); или цвет источника гасится подходящими поглотителями (различные формы).

Далее будут описаны примеры каждого типа.

Рис. 55. — Оптический пирометр Фери. Разрез.

Рис. 56. — Оптический пирометр Фери. Внешний вид.

Оптический пирометр Фери. — Этот прибор (показанный на рис. 55 и 56) состоит из телескопа, снабженного боковым ответвлением, в котором помещена эталонная лампа E. Свет от E фокусируется на куске прозрачного стекла F, наклоненном под углом 45° к оси телескопа, откуда он отражается в окуляр. Чтобы сделать свет, получаемый от лампы, монохроматическим, между E и зеркалом помещается кусок красного стекла. Телескоп наводится на горячее вещество, лучи от которого проходят через кусок красного стекла D, а затем через два клина из затемненного стекла, которые уменьшают интенсивность в большей или меньшей степени в зависимости от толщины вставленного поглощающего стекла, которая уменьшается путем раздвигания клиньев и увеличивается при обратном движении. После прохождения через клинья свет проходит через наклонное зеркало к окуляру; следовательно, глазу представляется поле, наполовину освещенное эталонной лампой, а наполовину — горячим источником. Регулировка заключается в сдвигании клиньев с помощью винтового механизма до тех пор, пока обе части поля не будут освещены одинаково. Температурная шкала предусмотрена на движущейся части, которая приводит в действие клинья, и выводится по уравнению Вина из толщины вставленных клиньев при достижении равенства. Калибровка осуществляется путем фиксации толщины клиньев, соответствующей двум известным температурам, из чего можно провести прямую линию, соединяющую толщину с обратной величиной абсолютных температур, и составить таблицу, дающую значения T в терминах толщины клиньев. Калибровку можно расширять бесконечно, точность показаний зависит от истинности закона Вина. Оптический пирометр Фери — удобный прибор для периодических измерений высоких температур, сочетающий простоту с портативностью.

Оптический пирометр Ле Шателье. — Этот пирометр был первоначальной формой прибора, в котором температура светящегося источника выводилась путем фотометрического сравнения с эталонным светом; и аппарат Фери, описанный выше, является лишь удобной модификацией оригинала. Вместо клиньев из поглощающего стекла Ле Шателье использовал ирисовую диафрагму для уменьшения количества света, входящего в телескоп; регулировка осуществлялась путем изменения размера отверстия в диафрагме до тех пор, пока яркость источника не совпадала с яркостью эталона. Интенсивность света, получаемого в телескопе, будет меняться пропорционально квадрату диаметра отверстия; и калибровка при двух известных температурах с данным монохроматическим стеклом позволяет рассчитать температурную шкалу, соответствующую диаметру отверстия, по закону Вина. Пирометр Ле Шателье — ценный инструмент для исследовательских работ в лаборатории, но он не так удобен для целей мастерской, как модификация Фери.

Рис. 57. — Пирометр Ваннера. Разрез.

Пирометр Ваннера. — Принцип этого пирометра заключается в сравнении яркости красного луча от эталона с яркостью луча некоторой длины волны, полученного от источника, причем оба луча создаются спектроскопически и поэтому являются истинно монохроматическими. Яркость сравнивается с помощью поляризационного устройства, что приводит к несколько сложному оптическому устройству, которое показано на рис. 57. Свет от эталонной электрической лампы проходит через щель S1, а от горячего источника — через S2. Оба пучка делаются параллельными с помощью ахроматической линзы O1, которая помещена на расстоянии, равном её фокусному расстоянию от щелей. Параллельные пучки диспергируются спектроскопом прямого зрения P; а затем проходят через поляризационную призму R, которая разделяет каждый пучок на два пучка, поляризованных в плоскостях под прямым углом. Бипризма B, помещенная в контакт со второй ахроматической линзой O2, сделана под таким углом, что два поля красного света, поляризованные в плоскостях под прямым углом, одно от источника, а другое от эталона, фокусируются на щели D. Эти поля рассматриваются через анализатор A и приводятся к равной яркости путем вращения анализатора, к которому прикреплена градуированная шкала, при этом температура выводится из угла, на который повернут анализатор. Калибровка осуществляется по закону Вина (уравнение (3) на стр. 172), при этом интенсивности эталона и источника связаны с углом поворота, как указано уравнением J2 / J1 = tan^2 Θ, где J2 и J1 представляют интенсивности источника и эталона соответственно, а Θ = угол поворота. Вводя это значение в уравнение Вина (стр. 172), можно показать, что связь между Θ и T принимает форму log tan Θ = a + b / T, где a и b — константы. Следовательно, если нанести log tan Θ против 1 / T, получается прямая линия, и, таким образом, с помощью нескольких наблюдений при известных температурах можно построить калибровочную кривую, из которой можно получить промежуточные и внешние показания. Фирма Hadfield представила специальную диаграмму, разделенную так, что фактические показания в градусах C можно снимать непосредственно, наблюдая угол Θ. В поставляемом для использования виде температурная шкала подготовлена заранее, так что можно снимать прямые показания.

Поскольку эталонная электрическая лампа будет менять яркость при повторном использовании, должны быть предусмотрены средства для восстановления её до надлежащего значения. Это можно сделать, поместив реостат в цепь лампы и регулируя ток до тех пор, пока яркость, наблюдаемая через пирометр, точно не совпадет с яркостью поверхности матового стекла, освещенной эталонной амил-ацетатной лампой. Пламя этой лампы фактически составляет эталон; но поскольку оно будет раздуваться воздушными потоками при использовании в мастерской, электрическая лампа, питаемая от портативной батареи, приводится к равенству и используется для общих измерений.

Оптический пирометр Кембридж. — Во время недавней войны производство пирометров этого типа было начато компанией Cambridge and Paul Instrument Company. Внешний вид оптического пирометра Кембридж показан на рис. 58, на котором наблюдатель показан использующим прибор, аксессуары которого состоят из 4-вольтового аккумулятора, амперметра и регулируемого сопротивления для регулировки тока через электрическую лампу, используемую для сравнения; и эталонной амил-ацетатной лампы для настройки электрической лампы на правильную яркость. Шкала нанесена на круговой диск, и прямые показания получаются из положения указателя, который вращается вместе с анализатором. Путем вставки монохроматического стекла для затемнения источника диапазон пирометра можно изменить; приборы поставляются в четырех диапазонах: 700°—1400° C; 900°—2000° C; 1200°—2500° C и 1400°—4000° C.

Оптический пирометр Кембридж зарекомендовал себя как полезный прибор в умелых руках и оказался очень полезным в сталелитейной, стекольной и керамической промышленности. Опытные наблюдатели обнаружили, что можно обнаружить разницу в 10° C в области 1900° C. Однако регулировка двух полей до равенства включает суждение, которое варьируется у разных наблюдателей, и на практике рекомендуется поручать снятие всех показаний одному человеку.

Рис. 58. — Оптический пирометр Кембридж.

Пирометр Хольборна-Курльбаума. — В оптических пирометрах, описанных ранее, используется постоянный эталон, а яркость света от источника варьируется до тех пор, пока не будет достигнуто равенство. Идея изменения яркости нити электрической лампы до тех пор, пока её цвет не совпадет с цветом источника, и вывода температуры из тока, потребляемого лампой, принадлежала Морсу, который использовал нить в форме плоской спирали, нагреваемую батареей с ЭДС 40 вольт. Эта спираль была помещена в металлическую трубку и вставлена между глазом и нагретым объектом. Пирометр Хольборна-Курльбаума, производимый компанией Сименс, является усовершенствованием прибора Морса и способен считывать показания в более широком диапазоне. На рис. 59 L — маленькая электрическая лампа с шпилькообразной нитью, как показано в A. Эта лампа помещена в телескоп так, что нить находится в фокусе окуляра и питается от 4-вольтового аккумулятора, последовательно с которым включены реостат R и миллиамперметр M. Нагретый источник фокусируется путем перемещения объектива телескопа, и как лампа, так и источник рассматриваются через красное стекло, помещенное перед окуляром D. Затем реостат R регулируется до тех пор, пока кончик нити не станет неотличимым от фона, который освещается источником. Если лампа слишком яркая, нить будет выглядеть как яркая линия; если тусклее источника — как темная линия; а когда она равна источнику, она сольется с фоном. Когда достигнуто равенство, снимаются показания миллиамперметра, и температура выводится из тока, потребляемого лампой.

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.

Пример II. — Потерю тепла излучением при переносе 100 граммов никеля при 927° C, имеющего поверхность 30 квадратных сантиметров и излучательную способность 0,7 от абсолютно черного тела, можно показать по закону четвертой степени как 50 калорий в секунду (см. стр. 139). Если на перенос затрачивалось две секунды, ошибка по этой причине составила бы 1 к 130; и, добавив это к термометрической ошибке, общая сумма составляет менее 2 процентов.

Практические формы калориметрических пирометров. — При необходимости оценить температуру муфельной печи или другого лабораторного прибора можно использовать сосуд из листовой меди емкостью около 1500 куб. см. Он должен опираться на деревянные опоры во втором аналогичном сосуде, примерно на 2 дюйма шире, который действует как экран против излучения. Цилиндр из никеля длиной около 1,5 дюйма и диаметром 1,25 дюйма с отверстием диаметром 0,5 дюйма в центре подходит для испытательных целей. Его удобно нагревать в никелевом тигле; при переносе в воду тигель можно захватить щипцами и наклонить так, чтобы цилиндр упал в воду. При использовании в трубчатой печи к цилиндру можно прикрепить отрезок тонкой никелевой проволоки, чтобы обеспечить быстрое извлечение, делая поправку на вес нагретой проволоки. Перенос должен быть выполнен как можно быстрее, чтобы избежать ошибок излучения. Цифру, представляющую удельную теплоемкость никеля, можно получить из кривой (рис. 65), когда диапазон измерения приблизительно известен. Водный эквивалент сосуда и термометра следует определить следующим образом: поместите в сосуд половину количества холодной воды, используемой в эксперименте — скажем, 750 куб. см — и отметьте температуру (t1) после перемешивания термометром. Затем добавьте равное количество воды при температуре (t2), примерно на 10° выше t1. Тщательно перемешайте термометром и отметьте температуру смеси (t3). Контрольные результаты можно получить, варьируя пропорции холодной и теплой воды, при этом общее количество всегда равно количеству, используемому для закалки горячего никеля. Если W1 = вес холодной воды, а W2 — вес теплой, водный эквивалент (x) получается из уравнения

|  | W₂ (t₂ - t₃) - W₁(t₃ - t₁)
x |  =  | ———————————— .
|  | t₃ - t₁

Эта цифра представляет вес воды, равный по теплоемкости сосуду, и в пирометрическом измерении добавляется к весу взятой воды.

В промышленной практике желательно, если возможно, обойтись без расчетов, чтобы отсчет мог быть сделан неквалифицированным наблюдателем. Самая ранняя форма калориметрического пирометра, запатентованная Бистремом в 1862 году, состояла из цинкового сосуда с теплоизоляцией, в который опускался кусок платины, и предоставлялась таблица, по которой можно было считать температуру печи, отметив повышение температуры воды. Современная промышленная форма, изготовленная фирмой «Сименс», будет описана далее.

Рис. 66. Калориметрический или «водяной» пирометр Сименса.

Калориметрический или «водяной» пирометр Сименса. — Рис. 66 показывает этот прибор в продольном и поперечном разрезе. Он состоит из двойного медного сосуда, внутренний из которых содержит воду, а внешний снабжен ручкой. Пространство между ними проложено войлоком для предотвращения утечки тепла из воды. Термометр b защищен перфорированной латунной трубкой от повреждений, которые могли бы быть вызваны падением полого никелевого цилиндра d. Напротив стержня термометра помещена сдвижная деталь c, на которой отмечена температурная шкала. При использовании прибора указанное количество воды помещается во внутренний сосуд, а указатель на c подводится напротив верха ртутного столбика в термометре. Никелевый цилиндр, нагретый в тигле или муфеле в печи, затем опускается внутрь, и сосуд встряхивается для обеспечения равной температуры во всей воде. Когда термометр неподвижен, отметка на c напротив верха ртути дает температуру печи, причем шкала на c была предварительно размечена на основе расчетов, сделанных для каждых 50 градусов. Правильность отсчета, очевидно, зависит от точности, с которой был откалиброван c, операция, которая включает учет водного эквивалента сосуда и изменение удельной теплоемкости никеля при различных температурах. Учитывая источники ошибок, присущие методу, результаты этого пирометра не могут быть гарантированы лучше, чем на 2 или 3 процента при 900° или 1000° C, но в случаях, когда эта степень неточности не имеет значения, прибор может быть использован с преимуществом. Поскольку расчет не требуется, определение может быть сделано в мастерской любым рабочим, который проявляет осторожность при проведении операции. Медные и железные цилиндры иногда поставляются вместо никелевых, но они не рекомендуются, так как они уменьшаются в весе при каждом испытании и требуют использования множительного коэффициента для перевода отсчета на c в истинную температуру.

Специальное применение калориметрических пирометров. — Большим недостатком калориметрического метода является то, что каждое наблюдение требует отдельного эксперимента, включающего время и труд. Точность, кроме того, не сравнима с той, которую можно получить при использовании термоэлектрического пирометра или пирометра сопротивления; и практически единственной рекомендацией является низкая первоначальная стоимость комплекта. Когда достаточно эпизодического отсчета температуры с точностью до 3 процентов, можно использовать калориметрический пирометр; и в специальных лабораторных определениях этот метод часто будет представлять ценность. Учитывая низкую стоимость термоэлектрических пирометров в настоящее время, вероятно, что калориметрический метод будет полностью вытеснен в промышленной практике, так как первый метод дает непрерывный, автоматический отсчет и способен предоставлять записи. Многие фирмы уже заменили свои «водяные» пирометры на более точные и полезные приборы, доступные в настоящее время.

ГЛАВА VIII ПИРОМЕТРЫ ПЛАВЛЕНИЯ

Общие принципы. — Если ряд твердых тел, обладающих прогрессивными температурами плавления, поместить в печь, а затем извлечь, можно заметить, что некоторые из них подверглись плавлению, в то время как другие остались незатронутыми. Температура печи тогда будет известна как более высокая, чем температура плавления последнего расплавленного твердого тела, и более низкая, чем температура первого, которое осталось нетронутым. Взяв, например, ряд солей, можно использовать следующие:

Salt. | Melting Point.
 Deg. Cent.  |  Deg. Fahr.
1 molecule common salt + | 650   | 1202
  1 molecule potassium chloride |  |
Common salt | 800   | 1472
Anhydrous sodium carbonate | 850   | 1562
   ”     ”   sulphate | 900   | 1652
Sodium plumbate | 1000   | 1832
Anhydrous potassium sulphate | 1070   | 1958
   ”   magnesium sulphate | 1150   | 2102

Если при осмотре обнаружится, что сульфат натрия расплавился, в то время как плюмбат натрия сохранился, температура печи будет известна как лежащая между 900° C и 1000° C. Если бы можно было найти ряд солей или других твердых тел с температурами плавления в диапазоне от 900° до 1000°, можно было бы получить отсчет в более узких пределах. Точность метода во всех случаях определяется интервалом между температурами плавления последовательных испытательных материалов.

Веджвуд, знаменитый гончар, по-видимому, был первым, кто применил этот метод определения состояния печи, его испытательные образцы состояли из специальных глиняных составов. Эффект печи на них отмечался, и пригодность температуры для выполняемой работы выводилась из наблюдений. Веджвуд таким образом исследовал изменения температуры на разных уровнях в своих обжиговых печах и, таким образом, смог разместить различные изделия в положениях, наиболее подходящих для их успешного обжига. Современные гончары до сих пор используют такие испытательные образцы, так как получаемая информация — это не просто степень нагрева, а эффект такого нагрева на изделия, подвергающиеся обжигу. Метод плавления, однако, сейчас используется для определения температуры всех видов печей, и основные модификации будут описаны далее.

Рис. 67. Пирамиды Зегера или «конусы».

Пирамиды Зегера или «конусы». — Зегер из Берлина опубликовал в 1886 году исследование, посвященное производству силикатов с прогрессивными температурами плавления. Варьируя состав, он смог произвести ряд материалов с температурами плавления от 1890° C до 590° C, причем интервал между последовательными составами составлял 20° между 1890° и 950° и 30° от последней температуры до 590°. Высший член серии имеет состав Al2O3, SiO2; а низший член 2SiO2, B2O3. Для удобства использования материалы изготавливаются в форме треугольных пирамид высотой 5 см, каждая сторона основания длиной 1,5 см. Каждая пирамида проштампована отличительным номером, и всего их изготовлено 60, чтобы охватить диапазон от 1890° до 590°. При проведении испытания выбирается несколько пирамид с температурами плавления, которые, как выяснилось по предыдущим пробам, близки к температуре печи. Они вставляются в печь, стоя на плите из огнеупорного материала, как на рис. 67, и могут наблюдаться через смотровое отверстие или извлекаться из печи для осмотра после достижения существующей температуры. Если были выбраны правильные пирамиды, внешний вид будет таким, как на рис. 67, где видно, что D полностью разрушилась, C согнулась, B округлилась сверху, в то время как A осталась нетронутой. Температура печи тогда принимается соответствующей температуре плавления C, которая находится по ссылке на таблицу, где приведены температуры плавления, соответствующие различным отличительным номерам. Пирамиды чрезвычайно дешевы, и покупать нужно только те, у которых температуры плавления близки к рабочей температуре. В случаях, когда желательно повысить нагрев до указанной точки, а затем дать печи остыть, эти пирамиды выполняют все требования; осмотр через смотровое отверстие, закрытое темным стеклом, позволяет обслуживающему персоналу печи обнаружить, когда была достигнута требуемая температура. Процедура более сложна, когда желательно поддерживать стабильную температуру, так как это требует частого обновления уже расплавленных пирамид. Эти приборы продаются под названием «конусы» Зегера, последнее слово, очевидно, является неправильным названием.

Тепловой регистратор Уоткина. — Это устройство состоит из небольшого блока огнеупорной глины, имеющего ряд цилиндрических отверстий на верхней грани. Гранулы материалов с прогрессивными температурами плавления помещаются в отверстия, в которые они входят свободно. Блок помещается в печь, а затем извлекается и осматривается, когда те, которые полностью расплавились, будут выглядеть опустившимися и обладать вогнутой поверхностью; другие, которые были поверхностно расплавлены, покажут закругленные края, в то время как другие останутся нетронутыми. Температура плавления высшего члена серии, у которого наблюдаются закругленные края, принимается за температуру печи. Материалы, используемые при изготовлении гранул, примерно такие же, как те, что использовал Зегер, будучи такими же по количеству (60) и различаясь прогрессивно с похожими интервалами. Не очевидно, что метод наблюдения превосходит использование пирамид, хотя некоторые работники могут предпочесть его, и устройство является лишь альтернативным планом использования составов Зегера. Уоткин также представил модификацию, в которой прямые стержни из глиняных составов поддерживаются по краям, при этом температура выводится путем наблюдения, какие номера плавятся, прогибаются или остаются нетронутыми.

«Сентинельные» пирометры. — Под этим названием Брирли из Шеффилда представил ряд составов, главным образом солей, которые обладают определенными температурами плавления. Они изготавливаются в форме цилиндров длиной около 1 дюйма и диаметром 3/4 дюйма, которые полностью разрушаются при достижении температуры плавления. Были найдены составы, которые плавятся при определенных температурах, известных как дающие наилучшие результаты при обработке различных видов стали, и цилиндр с правильной температурой плавления, помещенный в печь на небольшом блюдце рядом со сталью, дает простой и правильный ключ к достижению желаемой температуры. Существующее состояние печи можно обнаружить, взяв ряд цилиндров, имеющих прогрессивные температуры плавления, и сделав наблюдения способом, описанным под заголовком пирамид Зегера. Несколько «сентинельных» цилиндров часто полезны в мастерской или лаборатории для других целей, таких как быстрая проверка заданной температуры в подтверждение показаний показывающего пирометра или при обнаружении того, была ли превышена определенная температура в данном случае. «Сентинельные» цилиндры использовались таким образом, чтобы давать звуковое предупреждение о достижении заданной температуры с помощью металлического стержня, который заставляют опираться на цилиндр, и который, когда цилиндр плавится, падает и замыкает цепь электрического звонка. Верхний диапазон, достижимый при использовании обычных металлических солей, не так велик, как в случае силикатов, но до 1100° C металлические сульфаты, хлориды и т. д. или их смеси дают результаты, вполне хорошие, как и те, что получены с пирамидами Зегера.

Пирометр Стоуна. — Этот прибор предназначен для указания правильной температуры, при которой должен разливаться металл или сплав, и состоит из кварцевой трубки, на дне которой помещен сплав, плавящийся при температуре, при которой должен разливаться обрабатываемый материал. Кварцевый стержень опирается на этот сплав и соединен на своем верхнем конце с железным удлинителем, конечность которого взаимодействует с указателем, движущимся по шкале. Когда сплав в кварцевой трубке плавится, стержень падает через расплавленную массу и перемещает указатель по шкале, тем самым давая верное указание на то, что желаемая температура была достигнута. Существуют приспособления для установки указателя на ноль в начале испытания.

Легкоплавкие металлы. — Вместо глин или солей иногда используются ряд металлов и сплавов. Они помещаются в форме коротких стержней в пронумерованные отверстия в куске огнеупорного кирпича и вставляются в печь, а при извлечении те, которые подверглись плавлению, будут выглядеть принявшими форму отверстий, в которые они были помещены. Температура печи считается лежащей между температурами плавления последнего из серии, подвергшегося плавлению, и первого, который остается неизменным. Серия металлов такого описания более дорогостоящая, чем глины или соли, но более быстрая в действии из-за превосходной проводимости металлов.

Легкоплавкие пасты. — Они состоят из солей, включенных в вазелин или другой подходящий жир, и используются для обнаружения достижения заданной температуры куском металла. Если, например, требовалось нагреть кусок стали до 800° C для определенной цели, паста, содержащая поваренную соль, могла быть намазана на его поверхность перед помещением в печь. При нагревании вазелин выгорает, оставляя белую отметку из-за соли, и эта белая отметка будет видна, пока соль не расплавится. Исчезновение белой отметки, следовательно, указывает на то, что требуемая температура была достигнута; и метод прост и полезен в случаях, когда ряд изделий должен обрабатываться при равномерной температуре.

ГЛАВА IX РАЗЛИЧНЫЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

Пирометры расширения и сжатия. — Большинство веществ при нагревании проявляют увеличение в размерах, а при охлаждении возвращаются к исходным размерам. Если, однако, во время нагревания происходит химическое изменение, результирующий материал может быть постоянно изменен в размере, так что при охлаждении вещество может иметь меньшие или большие размеры, чем прежде. Оба этих явления были применены к измерению высоких температур; постоянная усадка, претерпеваемая глиной, была использована Веджвудом в приборе, который был первым практическим пирометром; расширение твердого тела — Даниэлем, а жидкости — Нортрупом. Обе формы все еще используются в ограниченной степени и будут описаны далее.

Рис. 68. Пирометр Веджвуда.

Пирометр Веджвуда. — В 1782 году Веджвуд представил метод определения состояния печи путем наблюдения за сжатием, показанным цилиндрами, приготовленными из специальной глины. Измерительное устройство приняло форму конического желоба (рис. 68), выполненного из двух частей, каждая длиной 6 дюймов, и одна являлась продолжением другой. Каждый дюйм желоба был разделен на 20 равных частей, составляя всего 240 делений, и каждое деление называлось 1 градусом. Ширина желоба напротив нулевой отметки составляла 0,5 дюйма, а напротив 240 — 0,3 дюйма. Перед обжигом цилиндры входили в желоб до тех пор, пока нижний конец не оказывался напротив или около нулевой отметки; а после вставки в печь и охлаждения при извлечении цилиндры проталкивались как можно дальше вниз по желобу, когда отметка напротив нижнего конца указывала состояние печи в терминах шкалы Веджвуда. Градусы были, конечно, произвольными; но с цилиндрами одинакового изготовления заданное положение в желобе после нагревания всегда представляло одну и ту же температуру печи и, таким образом, давало указание, более надежное, чем суждение глаза рабочего. Веджвуд пытался выразить деления на своей шкале в терминах градусов Фаренгейта и путем экстраполяции результатов, полученных на самых высоких пределах ртутного термометра, где 1 градус сжатия вызывался повышением на 130° F, пришел к цифрам, которые сейчас кажутся смехотворными, но которые принимались в течение сорока лет. В качестве примеров, температура плавления серебра была дана как 4717° F; чугуна — 17977° F; и кованого железа — 21637° F — последняя цифра почти на 19000° выше текущего принятого значения 2770° F. Ошибка возникла из предположения о равномерном сжатии с увеличением температуры и представляет собой яркий пример опасности неопределенной экстраполяции из скудных данных. Но хотя выражение результата в градусах Фаренгейта было столь ошибочным, наблюдаемое сжатие всегда соответствовало заданному состоянию печи, и обжиг продолжался до тех пор, пока не достигалось то, которое известно как наилучшее для выполняемой работы.

Упомянутая постоянная усадка вызвана дегидратацией глины, и поэтому следует, что этот метод может давать равномерные результаты только тогда, когда для испытательных образцов используется точно такой же вид глины. Конкретный производитель мог бы обеспечить последовательные показания, изготовив количество глины, которое будет храниться специально для этой цели; но такое же сжатие при заданной температуре не было бы получено вторым наблюдателем, который также подготовил количество глины, так как небольшие различия в составе вызывают большие вариации в наблюдаемом сжатии. На практике, следовательно, пирометры этого типа не являются взаимозаменяемыми, и каждый пользователь должен стандартизировать для своих собственных особых условий. Пирометр Веджвуда все еще используется в небольшой степени; его замена, однако, более удобными и точными приборами, доступными в настоящее время, — это лишь вопрос времени.

Пирометр Даниэля. — В 1822 году Даниэль опубликовал отчет о пирометре, основанном на расширении платинового стержня, заключенного в графитовую трубку. Один конец стержня прижимался к концу трубки, в то время как другой конец был свободен для движения и был соединен с множительным устройством, которое увеличивало расширение, причем увеличенное движение указывалось указателем, движущимся по циферблату. Шкала на циферблате была разделена равномерно на подходящее количество частей, при этом предполагалось, что разница между расширениями графита и платины равномерна при всех температурах. Шкала была откалибрована насколько возможно путем сравнения с ртутным термометром, остальная часть была экстраполирована. С этим пирометром Даниэль получил значение 2233° F для температуры плавления серебра и 3479° F для чугуна — результаты значительно выше тех, что приняты сейчас, но гораздо ближе, чем те, что получены Веджвудом. Пирометр Даниэля широко использовался, и его современные представители довольно распространены. Платина из-за своей стоимости больше не используется в этих приборах, которые сейчас обычно изготавливаются с графитовым стержнем, заключенным в железную трубку, на конце которой помещен градуированный циферблат, как показано на рис. 69. Другая форма, обычно используемая в пекарских печах, сконструирована с железным стержнем, окруженным фарфоровой или огнеупорной трубкой.

Рис. 69. Пирометр расширения.

Дефект пирометров этого типа заключается в том, что коэффициент расширения материалов изменяется при длительном нагревании, вызывая ошибочность показаний. Повторная регулировка в кипящей воде или другом веществе не компенсирует должным образом это изменение, так как оба материала затронуты не в равной степени. Опять же, показания будут слишком низкими, если все расширяющиеся части не находятся внутри печи, в чем этот пирометр уступает термоэлектрическому прибору, который может быть вставлен на любую удобную глубину и, следовательно, может быть использован для большего разнообразия целей. Главная рекомендация — дешевизна; но пирометр расширения никогда не следует использовать для точных работ. Графитовый стержень в железном корпусе дает более последовательные результаты, чем другие материалы.

Пирометр расплавленного олова Нортрупа. — Олово плавится при 232° C и кипит при 2270° C. Оно не выделяет пар заметно до 1700° C и расширяется с большой равномерностью. Поэтому оно подходит для измерения высоких температур по тому же принципу, что и обычный термометр, и Дюфур в 1900 году пытался сделать высокотемпературный термометр, заключив олово в кварцевую колбу. Нортруп сконструировал прибор, в котором колба и стержень выполнены из графита, а высота расплавленного олова определяется опусканием никелевой проволоки через сальник до тех пор, пока она не коснется олова, тем самым замыкая электрическую цепь и вызывая звонок или вызывая отклонение на гальванометре. Верхний конец никелевой проволоки движется по шкале, которая может быть размечена в двух подходящих фиксированных точках, и шкала разделена, как в случае обычного термометра. Долговечность графитового покрытия будет определять полезность этого пирометра, и защита каким-либо хорошим огнеупором будет необходима для предотвращения окисления. Такой пирометр не будет быстро реагировать на изменения температуры, но может оказаться полезным при считывании температур в диапазонах, выходящих за рамки современных термоэлектрических пирометров. Нортруп ожидает, что этот прибор может быть использован до 1800° C.

Пирометры давления пара. — В этих приборах ртуть помещается в прочную стальную трубку, к которой присоединен манометр, регистрирующий давление пара ртути. Показания давления могут быть переведены в температуры путем калибровки со стандартным пирометром. Диапазон этих приборов ограничен — 600° или 700° C — и они редко используются в настоящее время, будучи вытесненными более современными типами.

Водоструйные пирометры. — В этих приборах вода проходит через трубу, помещенную в печь или горячее пространство, с определенной скоростью, и из повышения температуры, произведенного в воде, можно получить температуру печи. Комплект такого рода влечет за собой обеспечение стабильного источника давления воды, и показания могут оставаться точными только до тех пор, пока отверстие трубы остается равномерным. Калибровка производится путем сравнения со стандартным пирометром. Недостатками метода являются его неудобство и необходимость постоянного квалифицированного надзора; и вследствие этого устройство используется редко.

Пневматические пирометры. — Были предприняты попытки вывести температуры печи путем продувки воздуха при равномерном давлении через трубу, расположенную в горячем пространстве, и замечания повышения температуры воздуха. В пирометре Улинга воздух из горячего пространства втягивается через отверстие фиксированного размера с помощью паровой струи, которая действует как аспиратор. Отверстие помещено на одном конце камеры, а пароструйный аспиратор — на другом конце; и диафрагма с центральным отверстием делит камеру на две части. Давления, существующие в двух частях камеры, варьируются в зависимости от температуры втягиваемого воздуха и измеряются водяными манометрами, показания которых могут быть переведены в температуры путем калибровки по термоэлектрическому или другому пирометру. Метод остроумен, но сложен и дорогостоящ; и поэтому используется мало.

Кондукционные пирометры. — Если один конец металлического стержня вставить в печь, тепло будет проводиться вдоль него к части, внешней по отношению к печи, и стабильное состояние будет получено, когда тепло, выходящее из внешней части стержня путем конвекции и излучения, равно количеству, проводимому вдоль стержня. Чем горячее часть в печи, тем выше будет температура всех частей внешней длины. Ряд термометров, помещенных с интервалами во внешней части, показал бы прогрессивное падение температуры вдоль стержня; и чем горячее печь, тем выше было бы показание на каждом термометре. При применении этого принципа к измерению высоких температур стержень из меди или железа пропускается через стенку печи так, что длина 2 фута или более выступает снаружи. Рядом с концом внешней части просверливается отверстие на достаточную глубину, чтобы покрыть колбу термометра, который вставляется в отверстие, в которое наливается количество ртути для создания металлического контакта между колбой и стержнем. Показание термометра дает приблизительный ключ к температуре печи, повышаясь или понижаясь при соответствующих изменениях в горячем пространстве. Калибровка могла бы быть осуществлена путем сравнения со стандартом; но метод применяется только для создания предписанного состояния, известного по опыту как достигаемое, когда показание термометра имеет определенное значение — скажем, 120° C. Изменения атмосферной температуры или потоки воздуха серьезно влияют на показания, и метод в лучшем случае является лишь приблизительным.

Газовые пирометры. — Виборг, Бристоль и другие сконструировали пирометры, в которых давление заключенного газа регистрируется манометром Бурдона, шкала которого откалибрована так, чтобы считывать температуры. Фарфоровая колба, заканчивающаяся капиллярной трубкой, которая соединена с манометром, используется для содержания воздуха или другого газа; но при температурах выше красного каления показания становятся неопределенными из-за утечек или искажения колбы. Наиболее подходящий материал для колбы (сплав платины, 80 процентов, и родия, 20 процентов) слишком дорогостоящ для промышленного использования и будет портиться под влиянием печных газов. В регистрирующем приборе Бристоля движущийся индекс манометра заканчивается пером, которое касается диаграммной бумаги, вращающейся с помощью часового механизма. Хорошие результаты получаются до 400° C, но выше этого показания неопределенны, и прибор более правильно описывается как регистрирующий термометр.

Термофоны Виборга. — Они состоят из неплавких глиняных цилиндров длиной 2,5 см и диаметром 2 см, которые содержат взрывчатое вещество. При помещении в горячее пространство взрыв происходит через определенное время, интервал меньше при высоких температурах, чем при более низких, так как скорость, с которой тепло проводится через твердое тело, варьируется прямо пропорционально разнице между внешней и внутренней температурами. Интервал, проходящий между помещением в печь и последующим взрывом, отмечается на секундомере с точностью до 1/5 секунды, и из наблюдаемого времени температура получается из таблицы, составленной по результатам экспериментов в известных условиях. Если цилиндры держать сухими, наблюдатель, опытный в использовании термофонов, может получить отсчет с точностью до 40° C.

Мелдометр Джоли. — Это устройство, принадлежащее доктору Джоли, предназначено для лабораторных определений температур плавления. Оно состоит из полоски платины, нагреваемой электричеством, на которую помещается крошечный фрагмент материала, который рассматривается через микроскоп. Температура платины регулируется с помощью реостата в цепи, и при проведении испытания температура постепенно повышается, пока не наблюдается, что материал становится шарообразным или течет по платиновой полоске. Температура, при которой это происходит, выводится из линейного расширения платиновой полоски, которое измеряется микрометром, прикрепленным к прибору. При осторожном использовании мелдометром могут быть сделаны очень точные определения, результаты, кроме того, получаются быстро и с использованием минимума материала.

Регистратор кривых Брирли. — Этот аппарат, изготовленный компанией «Кембридж энд Пол Инструмент Компани», предназначен для получения крупномасштабной записи операции, которая занимает лишь короткий период времени. Он состоит из барабана, вокруг которого намотана записывающая бумага, способного вращаться вокруг своей оси один раз в десять или тридцать минут с помощью часового механизма. К рычагу пера прикреплен указатель, который движется вдоль шкалы чувствительного зеркального гальванометра, к которому подключена термопара. Оператор, поворачивая ручку, перемещает барабан в продольном направлении так, чтобы удерживать указатель напротив центра светового пятна, и это движение прослеживается на диаграмме в сочетании с вращательным движением пером. Таким образом, большое изменение отклонения, вызванное повышением или понижением температуры на несколько градусов, может быть записано чернилами. Этот прибор представляет особую ценность при записи критических точек стали или любой операции, которая включает деликатные отсчеты в ограниченном диапазоне температур.

Указатель

Air pyrometers, 219.

Anti-vibration stand for galvanometers, 47.

Atmospheric temperatures, measurement of, 96, 132.

Automatic compensators, 66.

Barrett, Sir W., discovery of recalescence,  4.

Becquerel, Ed., optical pyrometer,  5.

Black-body radiations, 136.

Brearley, sentinel pyrometers, 208.

— curve-tracer, 221.

Bristol, air-recording pyrometer, 219.

— compensator, 66.

Byström, calorimetric pyrometer, 201.

Calorimetric or “water” pyrometers, 195.

— — — special uses of, 203.

Centigrade scale of temperatures,  6.

Clay-contraction pyrometers, 211.

Colour-extinction pyrometers, 189.

Colour, in relation to temperature, 167.

Comparison of gas and platinum scales, 111.

Compensators for cold junctions, 66.

Conduction pyrometers, 218.

Constant temperature cold junction, 71.

Contact-pen recorders, 88.

“Critical” points of steel, 94.

Daniell, expansion pyrometers,  2, 214.

Darling, automatic compensator, 68.

— and Grace, liquid element thermocouples, 43.

Day, extension of gas scale, 15.

Electromotive force (E.M.F.) developed by junctions, 31.

— — measurement of, 62.

Expansion pyrometers, 214.

Fahrenheit, temperature scale,  7.

Féry, lens pyrometer, 142.

— mirror pyrometer, 143.

— optical pyrometer, 174.

— spiral pyrometer, 150.

Fixed points for calibration of pyrometers, 16, 17.

Foster, base-metal pyrometer, 39.

— fixed-focus pyrometer, 152.

— recorder, 82.

Furnace, electric tube, 95.

— temperatures, control of, by pyrometers, 87.

Fusible metals, 209.

— pastes, 210.

Fusion pyrometers, 204.

Gas pyrometers, 219.

— scale of temperatures, 11.

— thermometer, constant volume, 11.

Hadfield, effect of temperature on hardness of steel,  4.

Harris, indicator, 121.

Holborn-Kurlbaum, optical pyrometer, 181.

Holden-d’Arsonval, galvanometer, 45.

Holman, formula for thermal junctions, 62.

Howe, colour-temperature table, 167.

Indicators, for radiation pyrometers, 156.

— для пирометров сопротивления, 118-124.

— special range, 71.

— standardizing of, 54, 108, 157.

— для термоэлектрических пирометров, 45-53.

Installations of resistance pyrometers, 130.

— of thermo-electric pyrometers, 89.

Joly, meldometer, 220.

Kelvin, thermodynamic scale of temperature,  9.

Kowalke, base-metal couples, 30.

Lambert, anti-vibration stand for galvanometers, 47.

Le Chatelier, optical pyrometer, 177.

— thermo-electric pyrometer,  5, 22.

Leeds-Northrup, indicator, 122.

— recorders, 85, 127.

— resistance pyrometers, 115.

Liquid element thermocouples, 43.

Lovibond, optical pyrometer, 186.

Low temperatures, measurement of, 97, 132.

Meldometer, 220.

Mercury thermometer, limits of,  1.

Mesuré and Nouel, optical pyrometer, 187.

Morse, optical pyrometer, 182.

National Physical Laboratory, scale of temperatures, 17.

Newton, researches on high temperatures,  2.

Northrup, molten tin pyrometer, 216.

— pyrovolter, 74.

Optical pyrometers, 167.

— — management of, 192.

— — special uses of, 193.

Paul, base-metal pyrometer, 39.

— compensator, 70.

— radiation pyrometer, 155.

— recorder, 83.

— uni-pivot indicator, 49.

Peake, compensated leads, 67.

Pivoted galvanometers, 49.

Planck, modifications of Wien’s formula, 171.

Platinum scale of temperatures, 106.

Pneumatic pyrometers, 217.

Potentiometer indicators, 73.

— method for measurement of E.M.F., 63.

Prinsep, gas pyrometer,  3.

Protecting sheaths for pyrometers, 34.

Pyrometer, definition of,  1.

Pyromike, 189.

Radiation pyrometers, 134.

— — calibration of, 157.

— — indicators for, 156.

— — management of, 161.

— — recorders for, 161.

— — special uses of, 164.

Rasch, luminosity formula, 168.

Recalescence of steel,  4, 94.

Recorders for radiation pyrometers, 161.

— — resistance pyrometers, 124.

— — thermo-electric pyrometers, 75.

Resistance, measurement of, 102.

— of platinum, 105.

Resistance pyrometers, 101.

— — indicators for, 118.

— — management of, 130.

— — recorders for, 124.

— — special uses of, 132.

— pyrometry, terms used in, 111.

Roberts-Austen, recorder, 76.

Salts, melting points of, 204.

Seebeck, discovery of thermo-electricity,  3, 20.

Зегер, пирамиды или «конусы», 205.

Siemens, calorimetric or “water” pyrometer, 201.

— indicator for resistance pyrometer, 118.

— — — thermo-electric pyrometer, 48.

— optical pyrometer, 182.

— recorder, 81.

— resistance pyrometer, 114.

Specific heat of nickel, 197.

Standardizing of indicators, 54, 108, 157.

Standards of temperature,  9.

Steam, measurement of temperature of, 98.

Stefan-Boltzmann, fourth-power law, 139.

Stone, pyrometer, 209.

Surface temperatures, measurement of, 97.

Гальванометры с подвесной катушкой, 45-48.

Temperature differences, measurement of, 99.

— шкалы, 7-9.

— фиксированные точки, 16-17.

Thermal junctions, changes in, 29.

— — choice of metals for, 21.

— — E.M.F., developed by, 31.

— — methods of joining, 26.

— — used in pyrometers, 27.

Thermo-electric circuits, 22.

— pyrometers, 20.

— — calibration curves for, 59.

— — for surface temperatures, 97.

Термоэлектрические цепи, индикаторы для, 45-53.

— — management of, 91.

— — practical forms of, 32.

— — регистраторы для, 75-87.

— — standardization of, 54.

Thermodynamic scale of temperatures,  9.

Thermometer, constant volume gas, 11.

— mercury,  1.

Thermophones, 220.

Thread recorder, 78.

Uehling, pyrometer, 218.

Uni-pivot galvanometer, 49.

Vapour-pressure pyrometers, 217.

Wanner, optical pyrometer, 178.

Water-cooled cold junction, 33.

Water equivalent of calorimeter, 200.

“Water” pyrometer, 201.

Water-jet pyrometer, 217.

Watkin, heat recorder, 207.

Wedge pyrometer, 190.

Wedgwood, pyrometer, 211.

— test-pieces, 205.

Мост Уитстона для измерения сопротивления, 104-114.

Whipple, indicator, 120.

Whipple-Féry, pyrometer, 154.

Wiborgh, gas pyrometer, 219.

— thermophones, 220.

Wien, luminosity law, 171.

ОТПЕЧАТАНО В ВЕЛИКОБРИТАНИИ КОМПАНИЕЙ NEILL AND CO., LTD., ЭДИНБУРГ.

Примечания транскрибера:

Изображение на обложке было создано транскрибером и является общественным достоянием.

Неопределенные или устаревшие написания или древние слова не исправлялись.

Иллюстрации были перемещены так, чтобы они не разрывали абзацы и находились рядом с текстом, который они иллюстрируют.

Типографские ошибки были молчаливо исправлены, но другие вариации в написании и пунктуации остались без изменений.