«Пирометрия: Практическое руководство по измерению высоких температур»

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.