Глава 1. Термодинамические переменные и функции состояния (стр. 12 )

Наиболее употребительными термопарами являются платино‑платинородиевые термопары. Один проводник изготавливается из платины, а второй ‑ из сплава платины с 10 % родия. Эта термопара имеет высокую воспроизводимость показаний. Она является эталонной термопарой для реализации Международной практической шкалы температур в интервале 630,5-1063 °С, часто используется для точных измерений и в более широком интервале температур от 0 до 1500 °С, но при высоких температурах платина медленно превращается в летучую окись, которая при более низкой температуре снова восстанавливается. Эта восстановленная платина после нескольких часов работы образует нитевидные кристаллы, которые могут шунтировать часть э. д.с. Не рекомендуется использовать термопару из платины в восстановительных средах, так как это может вызвать разрушение термопары или большую погрешность в измерениях температур.

Медь‑константовая термопара работает в диапазоне -250 + 350 °С. В этом интервале является самой точной среди термопар из неблагородных металлов. Константан состоит из 45-60 % меди, 40-55 % никеля, добавок железа, марганца, углерода. Некоторые сорта константана имеют специальные названия, например, копель.

Хромель‑алюмелевая термопара имеет самый широкий диапазон рабочих температур (от -200 до +1100 °С) среди всех термопар из неблагородных металлов. Хромель состоит из 90 % никеля и 10 % хрома. Могут быть добавки других металлов. Алюмель содержит 95 % никеля и 5 % (Al+Si+Mn). Зависимость э. д.с. этой термопары от температуры почти линейна. К недостаткам относится чувствительность к неоднородностям и механическим деформациям.

Рассмотренное выше, касается простой термопары. Но в термическом анализе часто используют дифференциальные или комбинированные термопары (рисунок 8). Для дифференциальной термопары температура холодных спаев не имеет значения. Важно оба холодных спая держать при строго одинаковых температурах. Для хорошей дифференциальной термопары необходимо, чтобы термоэ. д.с. обоих горячих спаев были совершенно одинаковы, поэтому в качестве проводников следует применять наиболее однородный материал, особенно в местах спаев. Самые незначительные различия в химическом составе или даже в механической однородности создают заметную разницу в термоэ. д.с.

Преимущество комбинированной термопары состоит в том, что в исследуемое вещество вводится только один термоэлемент, схема ее проще и требует меньше проводов.

Качество материала, из которого изготавливаются термопары, играет большую роль в работе термопар, точности измерений температуры. Неоднородность материала, плохие контакты приводят к искажениям показаний. При изготовлении термопар нужно выполнять следующие требования: перед монтажом термопары, проволоку, из которой она изготавливается, тщательно отжигают. Отжиг ведут в зависимости от материала при различных температурах. Так, на практике платино‑платинородиевую, хромель‑алюмелевые, никель‑хромовые термопары отжигают при 700-800 °С в течении 15-30 минут. Медь‑константановую термопару отжигают при 300-400 °С в течении более продолжительного времени.

Спаи термопары надо хорошо сваривать или спаивать. Сварка термопары также зависит от ряда условий и, в частности, от материала. Платина‑платинородиевые проводники сваривают в вольтовой дуге без всякого флюса. Хромель-алюмелевые проволоки сваривают под слоем буры. Аналогично и медь с константаном. Проводники обычно берут диаметром 0,3-0,5 мм. Более тонкие проводники недостаточно прочны, а более толстые ‑ обладают большой тепловой инерцией, недостаточно точно реагируют на изменение температуры вещества и увеличивают теплоотдачу. Самыми удобными являются в работе термопары длиной 1,25-2 м, из драгоценных металлов – 0,8-1 м. Большое значение при работе с термопарами имеет их градуировка. Градуировку термопар можно вести либо путем сравнения показаний проверяемой термопары с показаниями образцовой термопары, либо по заведомо известным температурам фазовых превращений веществ (градуировка по реперным точкам). Градуировка термопар путем сравнения не получила широкого применения в термографии, так как все пирометрические установки не градуируются на милливольты. Но этот метод удобен при замене одной термопары другой. Тогда достаточно сравнить несколько показаний заменяемой термопары с показаниями образцовой. При этом холодные и горячие спаи обеих термопар должны находиться при строго одинаковых температурах.

Для температур от 0 до 200 °С очень удобно пользоваться образцовыми ртутными термометрами. Термометр и термопару помещают в термостат, в котором устанавливается соответствующая температура, затем снимают показания гальванометра, соответствующие той или иной температуре термометра. Чаще всего применяется градуировка по реперным точкам. Для этого достаточно записать 3-4 кривых нагревания (охлаждения) веществ, для которых точно известны температуры фазовых переходов. Согласно Международной практической шкале температур, в качестве реперных точек можно использовать следующие: температура кипения кислорода - 182,97 °С, тройная точка воды 0,1 °С, точка кипения воды – 100 °С, точка кипения серы ‑ 444,54 °С, точка плавления серебра – 960 °С и точка плавления золота – 1063 °С. Но часто пользоваться такими точками неудобно. Поэтому рекомендуется дополнительно использовать ряд веществ в качестве стандартных для градуировки термопар: точка плавления нафталина +80,1 °С; K2Cr2O7 - 397,5; NaCl – 800,4; Na2SO4 - 884; K2SO4 – 1069,1; Sn ‑ 231,86; Cd – 320,9; Pb ‑ 327,3; Zn ‑ 419,45; Al ‑ 696,2 °C.

Преимущество применения для градуировки солей заключается в простоте работы с ними и легкости их очистки.

При исследовании металлических систем градуировку следует проводить по металлам, защищая термопары чехлами из фарфора или кварца. Получив несколько показаний термопары при различных реперных точках, строят кривую зависимости э. д.с. термопары от температуры.

Отградуированные термопары монтируются в приборы. После монтажа необходимо проверить правильность включения термопар. Общепринята запись, при которой координата времени идет по абсциссе слева направо, по оси ординат откладывается температура. Для дифференциальной термопары эндоэффект должен отражаться отклонением вниз, экзоэффект ‑ отклонением вверх. Для современных пирометров Курнакова и дериватографа градуировку термопар проводят вместе с прибором, Градуировкой проверяется правильность штриховки бумаги: совпадением нанесенных делений с величинами тепловых эффектов.

3.6. ГАЛЬВАНОМЕТРЫ

Наиболее пригодными для термографии измерительными приборами являются высокочувствительные зеркальные гальванометры с подвижной катушкой. Работа этих гальванометров основана на взаимодействии между подвижным проводником (по которому протекает электрический ток) и магнитным полем. Магнит изготавливается в виде железных полюсных башмаков с цилиндрической выточкой, намагниченный тем или иным способом, и железного сердечника и полевыми башмаками. Благодаря такой конструкции магнитное поле в кольцевом зазоре ориентировано радиально по отношению к оси вращения рамки, вращающий момент более или менее одинаков, а угол поворота рамки прямо пропорционален силе тока, проходящего через рамку.

В зеркальных гальванометрах рамка большей частью свободно висит либо на металлической ленте из фосфористой бронзы, либо на тонкой кварцевой нити (10-40 мк). Металлическая подвесная лента служит одновременно одним из вводов к рамке. Другим вводом является такая же лента снизу рамки или специальный «безмоментный» ввод с малой упругостью. В первом случае рамка, растянутая на двух лентах, легче устанавливается в зазоре между сердечником и башмаками, во втором ‑ она висит свободно. Чтобы рамка не задевала за магниты, весь прибор устанавливается по уровню. Безмоментный ввод изготавливается обычно из очень тонкой (несколько микрон) и узкой (0,1-0,2 мм) ленточки, например, из листового золота, меди или серебра. При подвеске из кварцевой нити оба ввода являются безмоментными. С рамкой жестко скрепляется небольшое зеркальце, отражающее луч света на шкалу.

Некоторым недостатком гальванометров из фосфористой бронзы является небольшой гистерезис упругой деформации подвески, приводящей к тому, что после достаточно сильного закручивания ленты рамка не возвращается точно к своему первоначальному положению. Только несколько часов спустя показания гальванометра достигают первоначального положения. При подвеске из нити кварца такая деформация практически отсутствует. Из фактов, характеризующих качество гальванометра, наиболее важны чувствительность и скорость затухания колебания рамки.

Чувствительность гальванометра выражается числом ампер, которое вызывает отклонение в 1мм на шкале, удаленной от зеркальца гальванометра на 1 м. Обычно хорошие зеркальные гальванометры имеют чувствительность от 1.10-8 до 9.10-9 А. Это так называемая постоянная по току (). При очень малых термоэдс серьезное значение для выбора гальванометра имеет его постоянная по напряжению (). Зависимость между и можно представить в виде

,

где ‑ внутреннее сопротивление гальванометра; ‑ критическое сопротивление.

Из уравнения видно, что постоянная по напряжению тем больше, чем меньше критическое и внутреннее сопротивление гальванометра. Следовательно, для дифференциальной термопары, измеряющей только небольшую температурную разность, надо выбирать гальванометры с меньшим внутренним и критическим сопротивлением.

Чувствительность гальванометра выражается следующей формулой: