Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Рис. 83. Контактные термометры : а - регулируемый, б - постоянный.

По простоте и надежности не имеют себе равных жидкостные термометры (ртутные, галлиевые), действие которых основано на расширении жидкости с возрастанием температуры. Однако, их применение ограничено трудностями автоматической регистрации и передачи показаний на значительные расстояния. Чаще, в простейших схемах автоматической регулировки температуры (например, в термостатах холодных спаев - см. ниже) используются не измерительные, а контактные термометры. Последние бывают двух типов: рассчитанные на срабатывание при одной температуре (рис. 83а) и обеспечивающие замыкание контактов в любом месте его шкалы (рис. 83б).

Достаточно широкое применение для очень высоких температур и когда не требуется высокая точность измерений (особенно в пирометаллургии, стекловарении, производстве керамических материалов, а также в лабораторных экспериментах при температурах выше 1500^ОС) имеют оптические пирометры, действие которых основано на изменении спектра свечения тел от температуры.

Большую точность измерений (0,1^о) обеспечивают терморезисторы. Сопротивление Pt проволоки, намотанной на жесткий каркас из диэлектрика, измеряется высокоточным мостом.

Измерение температуры основано на взаимодействии датчика и объекта. Фактически измеряется температура, которая устанавливается в результате этого взаимодействия. Поэтому одно из важнейших требований к термометрам - минимальная теплоемкость их датчика. Наиболее близки к идеальному термометру термопары. Они имеют предельно простое устройство: две проволоки из разных материалов и вольтметр. Датчик термопары - рабочий спай - имеет малый размер (до 1 мм в поперечнике) и низкую теплоемкость, он практически не влияет на температуру объекта измерения. Термопары не имеют себе равных по диапазону измеряемых температур (от 4 до 3000^ОК). Чувствительность некоторых термопар достигает тысячных долей градуса. Сигнал термопары (э.д.с.) легко преобразовать, измерить и зафиксировать.

Действие термопар основано на термоэлектрическом эффекте Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из двух проводников и имеющей различные температуры спаев, возникает электрический ток. Его направление меняется на обратное, если соотношение температур противоположное. Для охлаждения и поддержания температуры в небольших термостатах используется обратное явление (эффект Пельтье): если через подобную замкнутую цепь пропускать ток, один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться.

Непосредственное практическое значение имеют следующие термоэлектрические законы.

1. Возникающая в термопаре разность потенциалов (термоэ.д.с.) зависит от температуры спаев и не зависит от распределения температур по длине проводника (закон промежуточных температур Магнуса). Иная его формулировка: термоэ.д.с. термопары АВ с температурами спаев Т₁ и Т₂ равна алгебраической суммой двух термоэ.д.с. этой же термопары с температурами спаев Т₁ и Т₃, Т₃ и Т₂: Е_АВ(Т₁Т₂)=Е_АВ(Т₁Т₃)+Е_АВ(Т₃Т₂). Это правило позволяет не заботиться о термостатировании термопары по всей ее длине и используется для градуировки термопар и определения поправок на температуру холодного спая.

Рассмотрим пример. Показания хромель-алюмелевой термопары, холодный спай которой находится в термостате с температурой 50^ОС, равны 19,48 mV. При какой температуре находится рабочий спай термопары? Воспользуемся таблицей термоэ.д.с. термопары ХА (см. приложение), составленной как обычноподобные справочные таблицы при условии, что холодный спай находится при температуре 0^ОС. Е_ХА(Т,0^О) = Е_ХА (Т,50^О) + Е_ХА(50^О,0^О) = 19,48 + 2,02 = 21,50 mV. Отсюда по той же таблице Т = 520^ОС.

2. Если цепь состоит из трех проводников АВС, то термоэ.д.с. термопары АВ со спаями при температурах Т₁ и Т₂ равняется алгебраической сумме термоэ.д.с. термопар АС и СВ, спаи которых находятся при тех же температурах. Е_АВ(Т₁Т₂)=Е_АС(Т₁Т₂)+Е_СВ(Т₁Т₂). Этот закон ("промежуточных металлов") позволяет использовать удлинительные концы к термопарам и присоединять термопару к приборам с другими проводниками.

Нетрудно сообразить, что присоединенный в термостате к обоим проводам (А и В) термопары медный провод, который ведет к измерительному прибору (провод С в приведенной формуле) не меняет величины возникшей электродвижущей силы термопары АВ, поскольку эффекты от спаев СА и СВ, нахлдящихся при одной температуре компенсируют друг друга.

В настоящее время в качестве термопар используется порядка 20 комбинаций различных металлов и сплавов, однако, в практике экспериментальной петрологии используются в основном хромель-алюмелевая и платинородий-платиновая, в меньшей степени другие платинородиевые термопары, хромель-копелевая и вольфрам-вольфраморениевая. В обозначениях термопар принято первым называть проводник, являющийся при обычном рабочем распределении температур положительным полюсом. Основными критериями при выборе термопар являются диапазоны температур, в которых они стабильно работают, чувствительность (коэффициент термоэ.д.с.), изменение чувствительности с температурой, погрешность, стабильность и воспроизводимость результатов измерений, стоимость и устойчивость к различным химическим и механическим воздействиям.

Хромель-алюмелевая термопара (ХА). Хромель и алюмель - сплавы на основе никеля. Между собой их легко различить с помощью постоянного магнита: магнитным является только алюмель. Достоинства термопары: широкий рабочий диапазон температуры (от 70^оК до 1100^оС), высокая (40 мкВ/град) чувствительность, почти постоянная выше 0^оС, низкая теплопроводность и низкая стоимость. Стабильность и воспроизводимость оцениваются как хорошие до 500^оС и удовлетворительные - при более высоких температурах. Погрешность измерения до 300^оС - 0,1^о, выше - 1^о. К недостаткам относится чувствительность к деформациям, окисление выше 1000^оС, ее нельзя применять в углеродных средах (науглероживание), при высоких температрах она становится хрупкой.

Платинородий-платиновая термопара (ПП). Платинородиевая проволока (6%Rh) несколько более жесткая, чем чисто платиновая, что позволяет их различать. Достоинства: очень широкий (0-1600^оС) рабочий интервал температур, отличная стабильность и воспроизводимость до 1400^оС (до 1600^оС - хорошая), высокая точность (0,3^о до 1100^оС и 1^о - до 1500^оС; на этой термопаре основана международная температурная шкала в диапазоне 660-1063^оС). Чувствительность увеличивается от 5 при 0^оС до 10-12 мкВ/град при 500-1700^оС. Для нее опасны пары металлов, особенно железа, которые выше 1000^оС образуют с платиной твердые растворы. Выше 1200^оС платина также реагирует с C, Si, P, S, As. До 1700^оС используют также термопары, обе проволоки которых платинородиевые (ПР). Их часто обозначают дробью, числа в которой показывают содержание Rh в сплаве: 20/10, 40/20, рассмотренная термопара ПП получит обозначение 6/0.

Термопара хромель-копель (ХК) характеризуется максимальными значениями термоэ.д.с., что обеспечивает хорошую точность измерений. Ее чувствительность возрастает от 65 мкВ/град при 0⁰С до 85 - выше 300⁰С. К сожалению, она используется в длительных опытах только до 600^оС (в кратковременных - до 800^оС), т.к. выше копель окисляется.

Вольфрам-вольфраморениевая термопара рекомендуется до температур 2600^оС. Чувствительность возрастает от 6 мкВ/град при 0^оС до 16 - при 1200^оС, а затем вновь снижается до 6 при 2000^оС. Обе проволоки обычно неоднородны, в связи с чем каждую термопару градуируют отдельно, после чего стабильность и воспроизводимость становятся от допустимых до хороших. Точность измерения меньше 10^о до 2000^оС и 20-40^о при более высоких температурах. С этой термопарой нельзя работать в окислительных и углеродистых (СО) средах, кроме того, вольфрам становится хрупким даже при умеренно высоких температурах.

Термоэ.д.с. термопар хромель-алюмель, хромель - копель, платинородий - платина и важнейшие характеристики самых распространенных термопар - приведены в таблицах приложений.

Калибровка термопар проводится по температурам фазовых переходов чистых веществ, приведенных в таблицах приложений.

До 1000^оС удобны термопары из неблагородных металлов, в интервале 1000-1650^оС используют главным образом платинородиевые термопары, при более высоких температурах - термопары из тугоплавких металлов (W, Re, Mo). Сложность применения последних связана с тем, что эти металлы на воздухе легко окисляются.

Рис. 84. Термопара, подготовленная к сварке.

Термопару для конкретной установки обычно изготовляют в самой лаборатории. Одним из важных ее элементов является спай. Холодные спаи термопар делают любым способом, обеспечивающим надежный электрический контакт: пайкой, зажимом, скручиванием. Рабочие "горячие" спаи делают исключительно дуговой сваркой.

Рис. 85. Приспособление для сварки термопар в угольном (графитовом) порошке или в парах горящего спирта.

Вот некоторые практические рекомендации по сварке термопар. Термопарные проволоки аккуратно проталкиваются в хлорвиниловые трубки (кембрик). Чтобы проволока не застревала, ее предварительно вытягивают с помощью плоскогубцев (но не более чем на 0,5% общей длины), закрепив один конец. "Горячий конец" термопары вставляют в керамическую двухканальную трубку (соломку) или несколько бусин. Концы термопары зачищают и плотно скручивают плоскогубцами, после чего она готова к сварке (рис. 84). При помощи зажима "крокодил" плюсовой зажим выпрямителя аппарата дуговой сварки присоединяется к свободным нескрученным концам термопары, а отрицательный - к графитовому электроду. При касании последнего скрученными концами возникает дуга. Pt и PtRh проволоки при сварке не окисляются и шарик спая получается ровный и блестящий. Хромель, алюмель, копель, константан хорошо свариваются под слоем буры и кварцевого песка. При этом на спае образуется рубашка из шлака, который легко удаляется после опускания неостывшей термопары в сосуд с водой. Для сварки любых окисляющихся при температуре дуги металлов рекомендуется использование простейших приспособлений (рис. 85), позволяющих вести сварку в угольном порошке, парах горящего спирта и вообще без контакта с воздухом.

Рис. 86. Схемы термостатов холодных спаев термопар.

Лучше всего до измерительного прибора (или термостата холодных спаев) вести провода самой термопары. Это часто не рационально для термопар из благородных металлов. Отсутствие термоэ.д.с. в паре термоэлектрода с удлинняющим проводом рассматривается как "термоэлектрическая идентичность". Удовлетворительная работа удлинительных проводов имеет место не только в случае такой идентичности, но и если провода в паре между собой развивают ту же термоэ.д.с., которая свойственна самой термопаре. Для термопары ПП употребляют медь в паре с медно-никелевым сплавом (99,4% Cu + 0,6% Ni). Для неблагородных термопар удлинительные (иногда их называют "компенсационными") провода из других материалов используют в некоторых случаях для уменьшения электросопротивления линии. Хромель-алюмелевую термопару, например, можно наращивать медью в паре с константаном (см. соответствующую таблицу приложения).

Рис. 87. Схема включения измерительных термопар с одним общим положительным электродом.

Поскольку сигнал термопары зависит от разности температур рабочего и холодного спаев, а температура в комнате может меняться на 10-15^о, холодные спаи необходимо термостатировать. Для коротких опытов используют смесь вода - лед. Более обычны нагревательные термостаты (рис. 86), в которых поддерживается температура, заведомо более высокая, чем может быть в комнате (например, 50^оС). В качестве термодатчика в них применяется ртутный контактный термометр. Иногда вместо термостатирования используют термокомпенсационные катушки, намотанные Cu-Ni сплавом. Если термопар в одной установке много, имеет смысл для уменьшения числа проводов соединить провода одного из электродов, например, положительного, с одним общим холодным спаем. В то же время отрицательные электроды ведутся отдельно (рис. 87).

Рис. 88. Схема простейшего потенциометра для измерения термоэ.д.с. термопары (Т).

Измерение термоэ.д.с. раньше проводили электромагнитными (рамочными) милливольтметрами, сейчас чаще пользуются цифровыми приборами. Удобным и точным является потенциометрический метод, основанный на подавлении сигнала термопары встречной э.д.с., которая создается нормальным элементом и регулируется магазином сопротивлений и реохордом. Чувствительный гальванометр (нуль-прибор) показывает наличие и знак э.д.с. в компенсационной цепи. Схема потенциометра показана на рис. 88. В автоматических потенциометрах перемещение движка реохорда выполняет реверсионный злектромотор с редуктором, который управляется разностным сигналом компенсационной схемы. Запись на диаграммной ленте осуществляется пером или (для многоточечных приборов) печатающим устройством, каретка которых механически соединена с движком реохорда. Показывающие и регистрирующие функции милливольтметров и потенциометров не очень сложно передать компьютеру.