Погрешность измерения этими термопарами не превышала ±1,0 %. Однако они не нашли широкого paCHpocipaiieiiHsi в промышленности в основном из-за малой прочностн, хрупкости термоэлектродов, плохой воспроизводимости, а также трудности компенсаиин гермоЭДС холодного спая и, как правило, необходимости его водоохлаждения. Тем ие менее высокие термоЭДС неметаллов и их линейная температурная зaвиcиocть в широком диапазоне температур, высокая химическая стабильность при условии решения технологических вопросов (обеспечение однородности термоэлектродов, упрощение процессов их изготовления) постоянно привлекают разработчиков высокотемпературных термопреобразователей.

Монокристаллические термопары и термопреобразователи. Как уже отмечалось, основным требованием, предъявляемым к термопарам, являет-

Таблица 9.59. Статические характеристики нреобразоваиия монокристаллической (TBMM-001-0I) и поликристаллической (БМ 1520J) термопар вольфрам - молибден

ся стабильность их номинальных статических характеристик в процессе эксплуатации.

Измерение термоЭДС материала порле высокотемпературного нагрева

можно выразить уравнением ДЕ = Дхим + %из + рекр-

АЕ - интегральное изменение термоЭДС; ДЕим изменение термоЭДС вследствие изменения химического состава материала, которое может происходить вследствие избирательного испарения компонентов сплава или примесей, в результате реакций выделения новых фаз (преципитация), взаимной диффузии в области спая; кроме того, Ахим можт быть вызвано взаимодействием с окружающей средой, в частности воздействием кислорода, водорода, углерода, азота, серы, кремния; А£ф з - изменение тер.моЭДС вследствие эффектов наклепа, снятия различного рода напряжений,

радиационных нарушений, имеющих место при использовании термопар в ядерных реакторах, эффектов упорядочения - разупоря.ючения атомов в термоэлектродах, изменения концентрации вакансий, точечных и линейных дефектов, взаимодействия дислокаций, изменения модулей упругости вследствие фазовых превращений, изменения степени порядка, кривизны линий дислокаций при фазовых превращениях, изменения ширины кривой плотности распределения поля напряжений в результате перераспределения примесей. На каждые 100 °С изменения температуры температурное последействие составляет около lO *... 10~ относительной деформации [676]; ДЕррр - изменение термоЭДС в результате различных мак-

роструктурных превращений, в частности вследствие роста зерен.

При использовании чистых монокристаллов в качестве термоэлектродов существенно уменьшаются некоторые составляющие изменения термоЭДС (ДЕим физ другие почти вовсе исключаются (например, ДЕрр). Таким образом, стабильность монокристалльных термопар должна быть намного лучше, чем термопар, изготовленных из тех же металлов технической чистоты в поликристаллическом состоянии, что подтверждается нашими исследованиями.

Наиболее подходящи для высокотемпературных термопар монокристаллы рения, вольфрама и молибдена. Поскольку ренин обладает значительной анизотропией термоЭДС, то предлагается термопара, изготовленная следующим образом. С помощью электронно-лучевой зонной плавки кристаллизуют рениевый пруток до середины. Амалогич1Ю получают монокристаллической плавкой и другую половину прутка, используя затравку с ориентацией, отличной от ориентации первой затравки, получается, если одна половина выращена в

Гпс. 9.56. Конструкция терлюпре-образователя ТВЛШ-001-01

Наибольишй эффект кристаллографическом

нанравленни, близком к (0001), другая - в пeplieндикyляpнo . к тему. Монокристаллический пруток можно изогнуть посередине. Таким образом, середина будет горячим спаем , а концы - холодным . Номинальная статическая характеристика такой термопары практически не будет изменяться со временем, потому что магсрнал термоэлектродов один и тот же и любые изменения в нем вызовут одинаковые, но противоположные по знаку изменения термоЭДС термоэлектродов.

Высокой термоЭДС и большей ее стабильностью обладают монокри-стальные термопары вольфрам - рений и молибден - рений. Однако вследствие анизотропии термоЭДС рения такие термонары требуют индивидуальной градуировки или обеспечения строго одинаковой ориентации рение-вого термоэлектрода во всех преобразователях, что на современном этапе получения монокристаллов рения является довольно сложной проблемой.

Для измерения температуры до 2000 °С в вакууме и нейтральной среде разработан монокрнсталлический вольфрамомолибденовын термопреобразователь ТВММ-001-01 (см. рис. 9.35, г). Положительный термоэлектрод, изготовленный из вольфрамовой проволоки марки ВМ с кремнещелочной и торцевой присадками (содержание оксида тория 0,17...0,25 %), формо-устойчив до 2100С, имеет высокую температуру рекристаллизации и характеризуется в рекристаллизованном состоянии крупнокристаллической структурой и новышенной прочностью при ударных нагрузках и вибрациях. Отрицательным термоэлектродом является монокристаллическая проволока диаметром 0,5 мм [520].

в диапазоне 1500...2000 °С НСХ новой термопары линейна, чувствительность 10,5 .\1кВ С при 2000 Т. величина юрмоЭДС составляет 7 мВ, температура инверсии 437 С. Известная [43, 395 поликрнсгалличе-ская термопара вольфрам - молибдек при 000 °С развивает термоЭДС 4 мВ, а температура иннерспн составляет 1330... 1350 °С (табл. 9.59).

Высокотемпературная часп. 1ер\1опреобразова1еля TB.MM-001-0I показана на рис. 9.56. Защитная трубка / изготовлена из молибдена марки МЧВП, дно 5 - из монокристаллпческого молибдена. Прн этом в дне выполнена проточка в виде усеченного конуса, сопряженною ио основанию с цилиндром 7. Диаметр керамической трубки свя.чан с диаметрами оснований усеченного конуса соотношением {О + D,)/2 d/. < D, где D, О, - диаметры оснований усеченного конуса; rf - диаметр электроизоляционной кепамической трубки.

Внутри защитной трубки размещена термопара вольфрам - молибден, состоящая из электродов 5 и рабочего спая 2 Электроды 5 вставлены в двух-канальную керамическую трубку из оксида бериллия 4, дно 2 с наружной стороны имеет буртик 8, толщина которого равна толщине защитной трубки /.

В защитную трубку / вставляется дно 3, они свариваются по торцу электронно-лучевой сваркой. Электрои.золяционпая керамическая трубка 4 с термоэлектродами 5 вводится в коническое углубление и фиксируется в нем механически. При этом возможно использование электроизоляционной керамической трубки с большим разбросом по внешнему диаметру электроизолятора, так как коническое углубление имеет переменный внутренний диаметр (1082.

При таком фиксировании керамической грубки рабочий спай терлю-пары находится в цилиндрическом углублении дна н ие касается ни защитной трубки /, ни дна 3. Это исключает мехаиическиа контакт тер.мопары и электрические наводки, влияющие на точность измерения. Вместе с тем предложенная конструкция позволяет разгрузить термоэлектроды от массы электроизоляционной керамической трубки.

ГЛАВА 10

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Ультразвуковая термометрия основана на использовании температурной зависимости параметров, описывающих процесс распространения упругих колебаний в различных средах. Обычно в качестве такого темпе-ратурно-зависимого параметра выбирается скорость. В общем случае адиабатическая скорость распространения упругих колебаний в газах и жидкостях [678

где Р - давление в веществе, р - плотность вещества, а индекс ь показывает, что производная берется при постоянной энтропии. Выражение для скорости может быть представлено в виде

РизР

где - адиабатический модуль всестороннего сжатия, = l/Kn -

адиабатическая сжимаемость, = уРд - изотермическая сжимае-

мость, у = Cplcy - отношение теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме.

В идеальном газе связь скорости с температурой выражается соотношением [678]

(10.1)

где R = 8,31 Дж/(моль-К) - газовая постоянная, ц - относительная молекулярная масса, Т - температура. Таким образом, в идеальном газе скорость распространения упругой волны однозначно связана со значением температуры и газовый ультразвуковой термометр может служит эталоном температуры. Чувствительность такого термометра [948]

Av V-

АТ 2Т

В смесях газов или жидкостей связь скорости и температуры зависит от концентрации компонент смеси. В газовых смесях скорость можно определять из соотношения (10.1), в котором р - молекулярная масса смеси, определяемая молекулярными массами компонент с учетом их концентрации. В жидких смесях влияние концентрации компонент на скорость имеет более сложный характер, обусловленный видом межмолекулярного взаимодействия.

Pao для линейного изменения скорости звука и объема жидкости с температурой установил простое эмпирическое соотношение [528]

dv \

dV ~дТ

= 3.

которое преобразуется к виду pwVp -

1 (dv\

коэффициент скорости, -р-

- температурный - коэ.ффициент объемного расширения,

Vm - постоянная Рао. Формула Рао справедлива для бензола. Установлено, что для ряда жидкостей выполняется соотношение [678]

кр \ кр

(Гр - критическая температура), а на основании исследований скорости ультразвука в органических жидкостях получено, что соотношение (Д1/ДГ) равно 1,2 м кгЦс К). Значения скорости ультразвука и температурного коэффициента скорости при 293 К для жидкостей приведены на рис. 10.1 ив табл. 10.1.

Таблица 10.1. Скорость ультразвука и ее температурный коэффициент при 293 К [79, 678] для некоторых жидкостей

Жидкостные ультразвуковые термометры нашли применение при измерениях температуры в теплоносителях реакторов. Ниже приводятся данные по скорости ультразвуковых колебаний в натрии, калии и их сплавах (табл. 10.2 и 10.3), которые используются в качестве теплоносителей.

Температурная зависимость скорости ультразвука в цезии, литии, натрии, калии и сплавах натрия с калием с погрешностью ±0,6 % описывается следующими выр1ажениями (до 1073 К) [671, 672, 935]:

Vcs = 1052,2 -0,308Г,

1)1 = 4784,5 - 0,591 Г для Г > 458,15 К,

yfj3= 2585,6 -0,542 (Г -273,15) для Г>373,15 К,

vtofM/c

к = 1922,3 - 0,539(7 -273,15) для Г > 373,15 К,

K-l-28.5%Na = 2088,1 -0.530 (Г- 273,15) для Г> 323,15 К,

K-l-53,l%Na = 2242,5 - 0,509 (Т - 273,15) для 7> 373,15 К,

K+69,4%Na = 2357,0 - 0,509 (Г-273,15) для Т>373,15 К.

На основании этих соотиошеиий показана справедливость закона аддитивности для скорости ультразвука в расплаве Na - К:

где X - массовое содержание натрия в расплаве.

По данным Аргоннской национальной лаборатории скорость ультразвука в натрии в диапазоне 455... 1273 К можно представить формулой [13991

V = 2577,3 - 0,53607 (Г - 273,15), а в диапазоне 1273... 1773 К V = 2437,6 -

-0,20385(7-273,15)-

Рис. 10.1 Температурные зависимости скорости распространения ультразвуковых колебаний в газах и жидкостях [1421]:

/ - водород, 2 - азот, кислород, воздух, 3 - жидкий натрий, 4 - жидкий чугун (3,5 % С), 5 - жидкий алюминий. 6 - ксенон

- 0,19322- 10-(7 - 273,15)2.

Скорость ультразвука в неограниченных изотропных твердых телах

определяется модулями Юнга Е и сдвига G, которые являются температур но-зависимыми величинами.

Таблица 10.2. Скорость ультразвука и другие свойства расплава натрий - калий при 373 К [47, 55]

Фазовая скорость продольной волны [948]

-j/ р(1+о)(1-2о)

+4°

а сдвиговой

2!>(1+о) У р где о - коэффициент Пуассона, /С - модуль объемного сжатия.