в пределах 0,3 мК. Определение температур ниже 0,2 К можно осуществить ни <:ма1 питной шкале. PeiueinicM Коисулыативного Ксмпкма но к-р.мо-ыстрин в 1978 г. установлены .юдующне iie;iepiibio точки.

Точка сверхпроволшл.его iiepe.xo.ja

свинца............... 7,1999 К

Точка кипения гелия........ 4,2221 К

Точка сверхпроводящего 11е)ехоля

индия ............... 3,4145 К

Точка сверхпроводящего nepcxo.ia

алюминия ............. 1,1796 К

Точка сверхпроводящего переход,!

цинка ............... 0,851 К

Точка сверхпроводящего переход;!

кадмия............... 0,519 К

В качестве интерполяционного мо;кет Сьггь использован любой прибор для измерения термодинамической температуры.

3.6. Аппаратура для воспроизведенная и хранения МПТШ

Тройная точка воды. Размер единицы температуры - кельвина - определяется с помощью прибора для осуществления тройной точки во.чы, схема которого показана на рис. 3.1.

Стеклянную колбу с вваренной в нее пробиркой / тщательно очищают и частично заполняют дистиллированной водой. Простра)1Ство внутри колбы над поверхностью воды откачивают, а затем колбу заваривают. Для подготовки к измерениям В[1утрь пробирки заливают жидкий воздух, в результате чего вокруг нее намерзает толстая корка льда. Далее вместо жидкото воздуха внутрь пробирки наливают теплую волу и добиваются того, чтобы ледяная корка по всей длине отстала от пробирки и между ними образовалась прослойка воды. В таком состоянии колбу помещают в сосуд Дьюара со смесью колотого льда и воды. Через некоторое время в пространстве над поверхностью воды устанавливается равновесное давление насыщенного пара и прибор можно считать пригодным к работе. Температура тройной точки воды (+0,01 °С) внутри пробирки может поддерживаться в течение многих часов. Приборы аналогичной конструкции применяются для осуществления тройной точки кислорода (-218,789 °С) и тройной то*и водорода (-259,34 °С).

Конденсационный термометр. Воспроизведение температур кипения кислорода, водорода и гелия осуществляется с помощью прибора, получившего название конденсационного термометра. В этом случае определение температуры сводится к измерению давления насыщенного пара данного газа и вычислению по найденному давлению температуры с помощью эмпирического уравнения, выражающего зависимость давления насыщенного пара данного газа от температуры. Температурный коэффициент давления насыщенного пара достаточно велик, вследствие чего конденсационные термометры обладают высокой чувствительностью.

Рис. 3.1. Схема аппаратуры для осуществления тройной точки воды:

/ - пробирка для термометра; 2 - смесь воды и колотого льда; 3 - насыщенные пары воды;

4 - ледяная рубашка;

5 - водяной зазор; 6 - сосуд Дьюара

-3 2

На рис. 3.2 дана принципиальная схема конденсационного кислородного термометра. Стеклянный сосуд I емкостью 0,5 см, заполненный при комнатной температуре чистым кислородом, соединен с ртутным манометром 5-]0 стеклянной трубкой 2-4, часть которой для придания-ей элас-111ЧН0СТИ свернута в виде спирали. Край 8 позволяет перегонять ртуть из манометра 10 в баллон 6, который применяется для установления уровня ртутн в манометре па определепиой высоте. Кран 5 позволяет соединять коле1ю 9 манометра либо с маностаюм для создания давления в одну атмосферу, либо с источником откачки для создания вакуума требуемой глубины.

При измерении температуры жидкости (теплоносителя), например в сосуде Дьюара, стеклянный сосуд погружают в эту жидкость и в нем начинает конденсироваться жидкий кислород, а объем над его поверхностью, ограниченный с другого конца ртутью в манометре, заполняют насыщенным паром кислорода. Так как трубка и манометр имеют комнатную температуру, то температура газообразного кислорода во всем замкнутом пространстве не одинаковая. В этом случае давление пара в системе принимает значение, соответствующее самой низкой температуре. Поэтому конденсация кислоро,аа будет продолжаться до тех пор, пока давление пара во всем замкнутом пространстве не примет значения, соответствующего температуре ванны в сосуде Дьюара как наиболее низкой.

При измерении температуры ванны кипящего кислорода наиболее низкая температура капилляра будет в месте, отмеченном стрелкой, так как при испарении кислорода с поверхности можно ожидать здесь пониженную

температуру по сравнению с температурой глубинных слоев. Для защиты от переохлаждения капилляр снабжен вакуумной рубашкой.

Давление насыщенного пара определяется по разности высот столба ртути в коленах манометра, измеряемой с помощью катетометра. Воспроизводимость результатов измерения температуры жидкого кислорода с помощью конденсационного термометра составляет около ±0,001 К.

Точка плавления льда. Градуировка эталонных и образцовых приборов в точке О °С с меньшей точностью и воспроизводимостью, чем в тройной точке воды, может осуществляться по точке таяния льда. Для осуществления этой точки используют обычно несложный прибор (рис. 3.3). На рис. 3.3, а изображен сосуд Дьюара, в нижней части которого имеется осевой канал, переходящий в резиновую трубку, перекрываемую зажимом. Второй прибор (рис, 3.3, б) более простой конструкции состоит из двух ко-аксиально установленных цилиндрилеских сосудов. Воздушная прослойка между сосудами служит тепловой изоляцией так же, как вакуумная рубашка в сосуде Дьюара.

Во внутренний сосуд загрулкают мелко раздробленный, предварительно промытый пресноводный лед. Перекрыв спускную резиновую трубку в нижней части прибора, лед заливают чистой пресной водой. После выдержки в течение 10...15 мин в прибор можно погружать чувствительные элементы градуируемых термометров. При градуировке эталонных и образцовых термометров чувствительный элемент погружают на такую глубину, чтобы над верхним краем его был слой смеси воды со льдом толщиной не менее 22 см и не было его соприкосновения с внутренней стенкой сосуда.

Рнс. 3.2. Схема конденсационного кислородного термометра:

J - стекля11Н1,1й сосуд; 2 - трубка; 3 - вакуумная рубашка; 4 - соединительная трубка; 5 - клапан; 6 - резервуар со ртутью; 7 - резиновая трубка, 8 - кран; 9, 10 - колена и-образного манометра

Толщина слоя смеси льда с водой между чувствительным элементом и стенкой должна быть не меньше 10... 15 мм. Осуществленная таким способом точка плавления льда характеризуется воспроизводимостью около ±0,005 К.

Точка кипения воды. Градуировка эталонных и образцовых приборов в точке 100 С осуществляется при температуре кипения воды с помощью кипятильника (рис, 3,4). Градуируемые термометры устанавливают па пробковых уплотнениях в крышке. Погружепнные в кипятильник чувствительные элементы термометров располагают внутри цилиндра приблизительно на середине его высоты так, чтобы они не касались сто стенок. Сам цилиндр в данном случае играет роль экрана, препятствующего теплообмену излучением между чувствительными элементами градуируемых тсрмо-мометров и более холодными стенками наружного цилиндра. Q

Величину измеренного U-образным водяным манометром избыточного давле- 2-

Рис. 3.3. Сосуд для осуществления точки плавления льда; а - упрощенной конструкции; v - с осевым каналом; 1,2 - внутренний и наружный сосуды

Рис. 3.4. Схема кипятильника;

/ - виутрениий цилиндр; 2 - крышка; 3 - наружный цилиндр с тепло вой изоляцией; 4 - U-образный водяной манометр

ния пара суммируют с величиной атмосферного давления в данный момент, определяемой ртутным барометром с точностью отсчета 0,02... 0,05 мм рт. ст. По суммарному давлению с помощью соответствующей формулы вычисляют температуру водяного пара, омывающего в кипятильнике чувствительный элемент термометра. При особо точных работах применяют кипятильник закрытой конструкции, в котором с помощью специального маностата поддерживается с точностью до ±5 мкм рт. ст. давление пара, равное нормальному атмосферному давлению. При такой конструкции кипятильника можнв обеспечить температуру 100 °С с точностью до ±0,001 К.

Точки затвердевания металлов. Температуру равновесия при фазовых переходах чистых металлов можно наблюдать как в условиях плавления, так и затвердевания данного металла. Однако результаты градуировки термометров по температуре плавления и по температуре затвердевания одного и того же металла обычно немного различаются. Это объясняется главным образом различием условий теплообмена всего термоприемника и гра-дуировочной печи при нагревании и охлаждении металла.

Замечено, что результаты градуировки термометров по температуре плавления металла воспроизводятся хрке, чем по темнсратуН затвердевания, потому что печи обычно нагреваются значительно быстрее, чщ охлаждаются. Поэтому для достижения высокой точности при градуировке рекомендуется использовать только затвердевание металлов. Этому процессу фазового перехода в металле приписывают опредо.цчшое значение температуры.

Для градуировки термометров в точке затвердевания металла наиболее удобна вертикальная трубчатая печь (рис. 3.5). Рабочее пространство печи образуется трубой, изготовленной из фарфора или не11ро,фач1юго кварца. Виутрениий диаметр трубы 50...55 мм, длина ~,500 мм. На наружную поверхность трубы наложена 1шгревательная обмотка из нихромовой ленты с зазором между витками в средней части трубы 3...4 мм, а но краям I...2 мм. Чтобы обмотка при нагреве не сползала и не происходило замыкания ее витков, ее обмазывают массой, состоящей из смеси 48 % оксида алюминия, 48 % каолина и 4 % буры. Массу разводят в воде до консистенции сметаны и, обмазав ею трубу с обмоткой, просушивают на воздухе в течение 3-4 ч. Применение жидкого стекла, которое при высоких температурах реагирует с нихромом и разрушает обмотку, недопустимо.

Для удобства демонтажа печи между трубой и защитной фарфоровой трубой оставляют воздушный зазор в 10-15 мм. Между трубой и наружной обшивкой засыпают теплоизоляционную смесь, состоящую из равных частей оксида алюминия, пережжениого асбеста и размельченного легковесного шамота. К корпусу печи прикрепляют штатив с крамальерой, с помощью которой защитный колпачок (из фарфора или прозрачного кварца) с находящимся внутри его термометром может быть установлен по оси печи и введен в тигель с металлом.

Тигель устанавливают на керамических подставках, плотно входящих в трубу во избежание подсоса воздуха, ускоряющего сгорание тигля. Сверху тигель накрывают несколькими графитовыми крышками с осевым отверстием, через которое должен проходить защитный колпачок. Тигель для плавки чистых металлов изготавливают из чистого графита (зольность графита не должна превышать 0,3 %). Внутренний диаметр тигля ~30 мм, высота 150 мм, толщина стенки и дна 7 мм. Высота королька металла в тигле должна быть не менее 120 мм. Чтобы рабочее пространство печи не загрязнялось, для плавки каждого металла выделяется отдельная печь.

Тигель с металлом устанавливают так, чтобы средняя его часть по высоте была расположена в средней части зоны, для которой характерна одинаковая температура. Несоблюдение этого условия и установка тигля с металлом в зоне вертикального градиента печи приводят к тому, что фронт затвердевания металла в тигле (при снижении температуры в печи) будет перемещаться не только в радиальном, но и в вертикальном направлении вдоль чувствительного элемента термометра. В этом случае даже при использовании металла высокой чистоты длительность площадки затвердевания резко сокращается. При больших градиентах температуры вдоль оси

Рис. 3.5. Печь Д.ПЯ градуировки термоприелг-ников по температуре затвердевания металла:

/ - штатив; 2 - защнт-тлА колпачок; 3 - кремальера; 4, 5 - керамические полые цилиндры;

6 - тигель с металлом;

7 - наружный корпус;

8 - тепловая изоляцня

тигля площадки затвсрдсвапия вообще .ожет пс быть. Используемые для градуировки многих образцовых прибо1;ов цпик, сурьма и медь при высоких температурах легко окисляются, соприкасаясь с кислородом воздуха. Поэтому на поверхности нагпегого металла должна все время создаваться восстановительная атмосфера. Для ь-.<чо перед началом нагрсза иечп поверхность металла в тигле покрываю! кисочками обсззолсипого березового угля, который при сгорании образует нпл поверхностью ме1алля защитный

слой оксида углерода,

Наиболее опасным является окисление меди при отсутствии па се поверхности необходимой восстанонптельиой аг,Уосфе1>ы. Реагируя с кислородом воздуха, медь образует оксид, легко растворяющийся в жидкой меди Температура затвердевания оксида меди 1004 С. Если содержание его в основном металле достигает 3,45 % (0,385 % кислорода), то образуется

эвтектическая смесь, характеризуемая четкой площадкой затвердевания, но с температурой иа 20 К ниже температуры затвердевания чистой меди. Если содержание оксида меди в основном металле меньше 3,45 % по массе, то на кривой изменения температуры металла во времени будут наблюдаться две площадки; одна при температуре 1084,88 С (температуре затвер.деваиия чистой меди) и вторая - прн температуре 1064 °С (температуре затвердевания оксида ыеди). Прт содержании оксида меди 1,72 % по массе длительность обеих площадок будет приблизительно одинаковой.

Оксид меди хорошо раскисляется в жидкой меди под действием восстановительной атмосферы над поверхностью металла. Для этого обычно достаточно выдержать окисленный металл при температуре, несколько превышающей 1085 °С в течение ~2 ч под слоем березового угля, периодически добавляя его вместо сгоревшего.

При первоначальном заплавлении металла в тигель следует принять меры к возможно меньшему его окислению.

Для установки градуируемого термометра через отверстия в крышках вводят в тигель защитный колпачок из прозрачного кварца или смеси 99 % AlOa - 1 % TiOj, Толщина стенок колпачка должна быть ие больше 0,5...1,0 мм. Колпачок погружают в металл до днатигля, а затем поднимают его на 1,..2 см и закрепляют. Следует иметь в виду, что из-за большого удельного веса металла на кйлпачок действует значительная сила гидростатического давления, поэтому его следует хорошо закреплять в штативе. Погруженная в металл часть колпачка не должна касаться стенок тигля. Температурный режим печи выдерживается в течение 10... 15 мин так, чтобы показания термометра на 10... 15 К превышали температуру затвердевания металла. Затем снижают температуру печи со скоростью 1... 1,5 К/мин и периодически отсчитывают показания термометра. Через несколько минут показания термометра перестают изменяться. С этого момента их записывают через каждую минуту. По истечении 10 мин процесс затвердевания металла заканчивается и показания термометра опять начинают резко снижаться. Удовлетворительным результатом следует считать такой, когда в течение 7-8 мин удается пол)чить отсчст.ч показаний термометра, различающиеся между собой в пределах не более 0,1 К.

Рис. 3.6. Осевой разрез горизонтальной модели АЧТ:

/ - сменная диафрагма; Р - графитовые корпус; 3 - излучающая полость; 4 - тигель -с металлом; 6 - завинчивающаяся пробка

Модель абсолютно черного тела. Важиейитей частью государствеи-пого первичного эталона единит1ы температуры в диапазоне выше 1064 °С является модель абсолютно черного тела (АЧТ). Свойства его излучения описываются формулой Планка, устанавливающей связь между термодинамической температурой тела и интенсивностью ею излучения в различ-иьь\ \ laciKax спектра.

.Mo;u\To ЛЧТ применяется также для градуировки образцовы.х прибо-1)ов и для сравне1шя показаний пирометров излечения, основанных на разтя.х и)11пцииах действия.

ie(iieiii4ecKH доказано, что условтям, обеспечипающим строгое осу-и;естзлеы1с .ЛЧТ, вполне удовлетворяет, например, полиост1яо замкнутая тыотерм.ччессаи полость. Однако если практически можно соз.чать такую

Рис. 3.7, Расположение горизонтальной модели черного тела в трубчатой печи

полость, то использовать для экспериментальных работ се излучение вследствие полной его нзолированноети внутри полости ие представляется возможным. Поэтому для практического использования излучения ЛЧТ прп.\о,1ится создавать ..юдсль полости с отверстием требуемой величины, а следовательно, уже не соответствующей условиям полной замкнутости. Правда, зная геометрию полости и выходного отверстия, а также се тепловые и оптические характеристики, можно расчетным путем в некоторой степени оценить и учесть искажения, вносимые выходным отверстием в параметры излучения. Но такой учет искажений является неполным, вследствие чего всякое осуществление температурной шкалы оптическими методами приводит к некоторой зависимости ее от того, в какой степени удачно была выбрана та или иная использованная модель АЧТ.

Для целей оптической пирометрии модель выбирается такой, чтобы она позволяла наблюдать излучение АЧТ при температуре затвердевания чистого золота. Весьма высоким коэффициентом черноты излучения обладает модель АЧТ следующей конструкции. Тонкостенную трубку из огнеупорного материала с закрытым концом погружают в жидкое золото на глубину, по крайней мере в 10 раз превышающую внутренний диаметр трубки. В процессе затвердевания или плавления золота создается изотер-мнчность стенок трубки на погруженной f металл ее части и, визируя прибор По ее оси, можно наблюдать излучение АЧТ при температуре, близкой к температуре затвердевания металла.

Неравенство температуры затвердевания золота и температуры внутренней поверхности трубки в погруженной части обусловлено тем, что из полости через отверстие трубки непрерывно выходит поток излучения. Расходуемая на излучение энергия компенсируется за счет теплового потока, непрерывно поступающего в полость от затвердевающего металла через стенки трубки. Поэтому в стенке трубки возникает перепад температур, тем больший, чем больше величина потока, излучаемого из полости, и чем больше тепловое сопротивление стенки. Этот перепад температур может быть оценен расчетным путем.