Главная  Основы теплометрии и змерение плотности 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64


Рис. 19. Тепломер ВНИИМТа:

/ - отверстия для термопар: 2 - приемный блок; 5 - бленда.

рудниками [295]. Последние, в частности, создавали тепломеры по методу вспомогательной стенки с термометрами сопротивления из никелевой проволоки. Для повышения водостойкости датчик несколько раз покрывали хлористой медью и аралдитом. В США подобное устройство было запатентовано Ваттсом [328].

Для биоклиматических исследований в почве часто применяют батарейные, термоэлектрические датчики с промежуточной стенкой, выполненной из стекла, например тепломеры Шэкке [312],

Франзиллы и Гувилы [264]. Чувствительность этих датчиков около ЗХ XlQ- в-м^/вт. В. Вармбт обвивал подушечку из стеклоткани частично мед-ненным константаном, пропитывал аралдитом и обертывал алюминиевой фольгой [325-327]. В. Вармбт предполагал, что пропитанная аралдитом стеклоткань имеет теплопроводность такую же, как почва. Для влагопрони-цаемости по полю датчика прокалывалось несколько отверстий, пока арал-дит не до конца затвердевал.

Аналогичные прибрры, описанные рядом авторов, позволили в значительной мере выяснить картину тепло- и влагообмена в почвенном слое и взаимодействие через поверхность с прилежащей атмосферой в различные времена года и суток [254, 262, 267, 281, 324].

Измерение перепада температур связано со значительными затруднениями, обусловленными неопределенностью термических сопротивлений элементов, сопряженных со вспомогательной стенкой.

При измерении больших плотностей потока вспомогательную стенку делают металлической. На рис. 19 показан радиометр ВНИИМТа (Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургической теплотехники) с кондуктивным отводом тепла [236] Медный или стальной блок 2 цилиндрической формы с одного торца подвергается облучению, с другого - охлаждению проточной водой. По оси блока через боковые сверления 1 закладываются термопары. От боковых теплопритоков приемное тело защищено блендой 3.

Расчетное определение измеряемого потока ненадежно. Градуировка по абсолютным приборам позволяет повысить точность измерений и упростить конструкции приборов. В градуируемых термозондах обычно применяют однопроводные термопары, используя в качестве промежуточного электрода дифференциальной термопары материал приемного блока.

Для измерения результирующих потоков в мартеновских печах сотрудники ВНИИМТа разработали зонд с двумя направлен-



ными в противоположные стороны приемниками [236]. Для увеличения чувствительности при из.мерении малых потоков приемное тело было выполнено из двух частей с внутренней выточкой.

При использовании термопар в качестве индикаторов разности температур заманчиво объединить функции вспомогательной стенки с функциями промежуточного термоэлектрода дифференциальной термопары [49, 113, 262, 271]. Например, Э. Л. Дикон для измерения тепловых потоков в почве использовал в качестве материала для среднего слоя вспомогательной стенки литой висмут. Конструктивная особенность этого датчика - выделение центральной измерительной части с помощью тонкого слоя изоляции. Висмут обладает большим термоэлектрическим коэффициентом и малой теплопроводностью, большей, однако, чем у почвы. Недостатком является зависимость термоэлектрического коэффициента висмута от температуры. Поэтому такой датчик можно рекомендовать для использования только в узком диапазоне температур, в котором проведена градуировка. Это же относится и к тепломеру Г. Фалькенберга, где вместо висмута был использован сплав Вуда [262]. У датчиков Э. Л. Дикона и Г. Фалькенберга градуировочные характеристики отличались от расчетных на 30%, что можно объяснить значительным, влиянием примесей на термоэлектрические свойства сплавов висмута.

В качестве материала для промежуточной стенки Хэтфилд и Вилкинс использовали сплавы технически чистого (99,6-99,9%) теллура с медью и серебром [271]. В интервале температур 15- 100° С наиболее пригодным оказался сплав, состоящий из двух частей теллура и одной части чистого серебра. Такие датчики, в дальнейшем изготовлялись фирмами Джойс и Лэбл [287] и Нейшнл инструмент лэйбораторис [272]. В чистом теллуре [211] термоэлектрический коэффициент в зависимости от температуры дважды меняет знак, приобретая максимальное значение (800 мкв/град) в интервале 100-200° К.

Недостаток сплавов с полупроводниковыми компонентами - заметная зависимость значения термоэлектрического коэффициента от температуры. Материалы термоэлектродов стандартных термопар менее чувствительны, но более стабильны, и поэтому нашли широкое применение.

При измерении потоков большой плотности И. Вролик использовал в качестве вспомогательной стенки медный блок с кон ста н-тановыми токосъемными пластинами [46].

В качестве чувствительного элемента радиометра полного излучения А. А. Пискунов и И. Н. Эльке применили одинарный хромелевый стержень с Копелевыми токосъемными проводами [182].

Новые материалы для тепломеров необходимо искать не только среди проводников и полупроводников, но и среди изоля-



торов, особенно плохих изоляторов (полуизоляторов). Хорошие изоляторы (ВеО, MgO, AI2O3 и др.) использовать не имеет смысла, так как их высокое электрическое сопротивление ограничивает возможности измерения сигнала.

Таблица 1

Температура

е

Состав материала стенки

иа гранях образца, С

£

0 <я

У М сз с к со со

вер.хияя

1 1 а

S й к к

0,01000

0,00040

V2O5

0,18

-652

0,00007

0,00300

СиО

0,00300

0,00300

Ст20з-ЫО% СиО

0,84 15

0,00050

V2Os-b20% CuO

-180

0,00150

CdO-b507o MgO (несеребре-

-159

0,05000

CdO -1- 50% MgO (серебре-

>

1970

-154

0,21500

С03О4-ЫО70 CuO-b5% В120з

0,15800

СозО4-Ы0% CuO-b5% В120з-1-

-Ь2% Та205-Ь2.% MgO

2550

0,41800

В табл. 1 по измерениям Фишера и сотрудников [263] приведены характеристики ряда окислов и их смесей. Из табл. 1 видно, что некоторые смеси с большими значениями тока короткого замыкания вполне могут быть применены для промежуточной стенки. В тех случаях, когда величина термического сопротивления датчиков не имеет значения, они будут развивать сигналы, превышающие сигналы датчиков, выполненных из других материалов. Недостаток полуизоляторов заключается в высоком термическом сопротивлении и зависимости термических свойств от температуры. Поэтому полупроводники и полуизоляторы практически не находят применения в теплоизмерительных элементах.

11. ТЕПЛОМЕРЫ С ПОПЕРЕЧНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОТОКА

В этих приборах воспринятый поток полностью или частично проходит через вспомогательный орган, изменяя свое первоначальное направление. Конструкции таких приборов были описаны Р. Гардоном [265, 266], А. С. Сергеевым [262, 203], Стемпе-лом [318].

Схема прибора Р. Гардона представлена на рис. 20. Отверстие в медном блоке 2 закрыто константановой пластиной 1, припаянной по периферии к блоку. Энергия, воспринимаемая кон-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64