До настоящего времени не существует достаточно точных и удобных методов измерения высоких температур газов и воздуха в том случае, если разность между этими температурами и температурой стенок трубы, по которой газы протекают, достигает больших значений. В этом случае весьма велико количество тепла, излучаемое пирометром на стенки трубы и подвижное тепловое равновесие устанавливается при температуре пирометра, более низкой, чем температура окружающей среды. Погрешность измерения определяется при этом следующей формулой:
С ()
,, С/ор/14
t,,, А, - (ч
где „, - температура измеряемой среды, t.-температура прибора (пирометра), Т„ - абсолютная температура прибора,
Т - абсолютная температура стенок, С - коэфициент лучистого теплообмена,
а - коэфициент теплоотдачи. Для воздуха и газов при небольших скоростях их движения по трубопроводу (т. е. при скоростях, с которыми чаще всего приходится сталкиваться в измерительной практике), значение коэфициента а весьма мало. Это обстоятельство
наряду с большой разностью температур вызывает очень большие погрешности при измерениях в этих условиях температур обычными способами.
О значениях этих погрешностей можно судить по тем примерам, которые приводит проф. Кульбуш в своей книге „Электрические пирометры. Из этих примеров видно, что при измерении термопарой температуры в паровой трубе при t 200° и , 808° термопара покажет только 358°, т. е. погрешность равна почти 100/в или что при измерении температуры воздуха в регенераторе мартеновской печи при 1300° и при ,„ 762 термопара покажет температуру 1280°. По этому поводу проф. Кульбуш замечает: „Разобранный пример показывает, что при высоких температурах стенок температура, показываемая пирометром, гораздо ближе к температуре стенок, чем к температуре газа, в связи с чем обычными приемами измерения никакого представления об истинной температуре газа получить нельзя (проф. Кульбуш „Электрические пирометры, изд. 1932 г., стр. 270).
К сожалению и „необычных способов, достаточно удобных к применению в практике контроля промышленных установок до сих пор, как уже было сказано выше, не существует.
Попыткой разрешить эту задачу является так называемый отсасывающий пирометр, но как показала практика этот прибор мало пригоден, так как 1) очень громоздок, 2) требует очень больших расходов пара или сжатого воздуха для своей работы, 3) загрязняет воздух котельной продуктами горения, 4) работа его сопровождается оглушительным шумом, вредным для обслуживающего персонала котельной и понижающим производительность их работы и наконец, 5)«применение экранов и отсоса представляет собой погоню за истинной температурой газа, обреченную все же на неудачу, ибо оба эти средства позволяют только приближаться к температуре газа: достигнуть ее этими средствами нельзя. (Кульбуш, стр. 279).
Этими обстоятельствами, очевидно и объясняется тот факт, что отсасывающие пирометры не нашли у нас сколько-нибудь серьезного распространения.
Более приемлемым представляется другой способ измерения, разработанный в СССР Витгео и представляющий собой видоизменение способа, предложенного Шмидтом. Суть этого способа ясна из фиг. 1 приложенного чертежа, где /-защитная трубка с помещенной внутри нее термопарой, мимо спая которой посредством приспособления 5 просасываются исследуемые газы.
Горячий спай термопары нагревается током, подводимым от внешней цепи 4. Температура нагрева регулируется реостатом 5, а в цепь 2 термопары включен гальванометр. С помощью реостата 5 температура пирометра (горячего спая) должна быть доведена до температуры среды. В этом случае, независимо от того, будет ли мимо термометра с какой-то скоростью просасываться газ, или не будет (т. е. будет ли меняться коэфициент теплоотдачи или нет), показания гальванометра термопары не будут меняться. Таким образом, регулируя ток в цепи обогрева и наблюдая за стрелкой гальванометра при отсосе и до него, мы можем в конечном итоге получить правильный отсчет температуры.
Несмотря на правильность принципа, положенного в основу, и показанную высокую чувствительность и точность показаний и эти пирометры в их теперешнем
виде не могут найти себе широкого применения; вследствие их основного неудобства они не приспособлены к стационарной работе и могут быть использованы только для периодических замеров, притом сложны в обращении и требуют квалифицированного ухода.
Необходим следующий шаг в деле приспособления этих приборов к промышленной эксплоатации: их работу нужно автоматизировать.
При условии разрешения этого вопроса промышленность получила бы удобный, большей чувствительности и высокой точности прибор, во многих случаях крайне ей необходимый.
Разрешение этой задачи представляет большие трудности, в основном сводящиеся к следующему:
1.Крайне мала перестанавливающая сила пирометрометрических гальванометров. Вследствие - этого представляется почти невозможным приспособить подвижную систему гальванометра к тому, чтобы использовать ее в качестве реле, т. е. заставить ее, путем например ввода или вывода сопротивления в цепи источника обогревающего пирометр тока, отрегулировать температуру нагрева горячего спая термопары до температуры измеряемой среды. Широко распространенные способы получения надежного контакта в терморегуляторах и других подобного рода приборах при помощи нажимного механизма (см. например, терморегулирующий и сигнализирующий контактный гальванометр Сименса или терморегулятор фирмы Броун), неприменимы в данном случае, ибо дают контакт через определенные промежутки времени, а не непрерывный, как это требуется в данном случае.
2.Двигаясь по шкале, стрелка гальванометра в одном случае должна выполнять роль регулятора температуры, в другом случае только указывать температуру. Так, например, пусть температура измеряемой среды 800°, обогревающий ток нагрел горячий спай термопары до температуры 750°, вследствие чего измеряемая среда при отсасывании ее мимо термопары отдает частьсвоеготепла термопаре и последняя нагревается,стрелка гальванометра otклoняeтcя вправо; отклоняясь, она должна каким-то способом заставить источник тока повысить -силу тока для того, чтобы нагреть термопару до 800°. Предположим теперь, что в результате воздействия стрелки, переданного через соответствующий механизм, ток достиг такой силы, что он нагревает термопару до этой температуры. Так как температура не может изменяться скачками, то ясно,что на некотором участке шкалы в пределах до 800° стрелка, отклоняясь, как и раньше, вправо, не должна производить каких-либо манипуляций по регулированию тока, между тем как в первом случае она должна была это .делать.
Изложенное выше, иллюстрируя сложность постановленной нами задачи, поможет вместе с тем лучше уяснить суть и степень целесообразности предлагаемого устройства для измерения температуры газов.
В предлагаемом устройстве, с целью автоматического регулирования нагревающего спай термопары тока в зависимости от температуры газов, применен вращаемый синхронным электродвигателем генератор переменного тока, обмотка возбуждения которого питается от цепи термопары.
На фиг. 2 чертежа показана схема предлагаемого устройства.
Синхронный электродвигатель /7, жестко скрепленный с ротором генератора переменного тока 6 и якорем динамо 7 (возбудителя), вращает их с постоянной скоростью. Обмотка возбуждения динамо 7 соединена последовательно : термопарой, питается током последней и является, в свою очередь, источником тока возбуждения для генератора 6. К последнему присоединена цепь 4 обогрева горячего спая термопары.
Известно, что электродвижущая сила генератора постоянного тока выражается следующей формулой;
wio-v...(i)
где Л - число проводников, а - число полуветвей, р - число полюсов, п - число оборотов, ф - магнитный поток.
Так как М, а и р являются для данной машинь величинами постоянными
(зависят от ег конструкции), то формулу можно переписать следующим образом:
/: С 1 //
гдеС const(11)
Таким образом, при постоянном числе оборотов электродвижущая сила пропорциональна магнитному потоку, зависящему в свою очередь от тока возбуждения г и до известного предела (до момента наступления явления, т. н. насыщения железа) является функцией этого тока возбуждения, увеличиваясь при его увеличении, и наоборот, следовательно формула (II) может быть еще представлена и в таком виде:
f(i) Ci, С const.
где
Из этой формулы непосредственно следует, что при соответствующем выполнении генератора 6 в пределах распределения нужного интервала будем иметь прямую зависимость между током возбуждения генератора и током обогрева, источником которого он является.
По схеме источником тока возбуждения для генератора является термопара.
Пусть температура измеряемой среды ,„ выше температуры горячего спая термопары t, тогда будет происходить переход тепла от среды к термометру; ток возбуждения динамо 7 вследствие этого увеличится, отчего увеличится и сила тока в цепи возбуждения генератора 6, а следовательно и в обогревающей цепи 4 и горячий спай при этом нагревается. В случае, если горячий спай термопары нагреется до температуры выше температуры среды, начнется отток тепла от него, понижение его температуры, уменьшение тока возбуждения и в конечном итоге уменьшение тока обогрева. Равновесие наступит только тогда, когда температура термопары будет равна температуре среды (только тогда закончится саморегулировка прибора).
Эта температура может быть замерена при помощи гальванометра, приключенного параллельно к цепи 2 термопары.
Для устранения влияния теплоотдачи лучеиспусканием необходимо регулировкой добиться, чтобы, как и в приборе Витгео, показания ,прибора оставались неизменными, независимо от скорости прососа газов мимо термопары. Это может быть достигнуто путем устройства отсасывающего вентилятора 9, приводимого во вращение электродвигателем //. Если, кроме того оттого же электродвигателя сделать привод 8 к крану 10 (кран может быть, конечно, заменен другим каким-либо устройством для регулирования проходного сечения трубки), тогда в зависимости от угла поворота крана будет меняться сила тяги в трубке термопары. Саморегулировка прибора, следовательно, будет происходить в условиях непрерывно меняющейся тяги, вследствие чего установившаяся температура термопары будет равна истинной температуре среды (кран W должен вращаться со скоростью не слищком больщой).
Термопара является, как известно, точечным прибором и, следовательно, для получения правильных показаний необходимо нагреть только очень небольшой ее участок. Отсюда следует, что мощность, потребная для работы прибора, будет весьма небольщой. Ориентировочно, мощность генератора и динамо могут быть определены, исходя из следующего несложного расчета.
Для пирометра Витгео требуется для обогрева горячего спая затратить мощность порядка 150 W. Генератор должен работать на том участке характеристики холостого хода, на котором последняя является почти прямой линией. Из этого следует, что мощность генератора б должна быть несколько ббльшей и равняться примерно W. Нормально для машин малой мощности на работу динамо-возбудителей требуется затратить около 3-4% от мощности основного генератора, следовательно мощность динамо 7 должна колебаться в пределах 6-10 W.
Остается выяснить последний вопрос, будет ли в состоянии термопара обеспечить такую мощность возбудителя.
На этот вопрос можно ответить только утвердительно на основании следующих данных:
1. Можно свести до минимума потери в динамо на гистерезис и токи Фуко путем устройства всех железных частей
из железных листов с изолирующими прослойками. Кроме того воздушный зазор между полюсными наконечниками и якорем может быть сделан возможно меньше путем применения роликовых подшипников. При этих условиях мощность, потребная для возбуждения самого возбудителя, будет колебаться в пределах 4--5% от его мощности и, следовательно, должна быть равна 0,25-0,5 W. Такую мощность может вполне развить термопара, если в качестве обмоток применить толстую медную проволоку и самые электроды (за исключением горячего спая) сделать из проволоки большого сечения (конусообразными).
2.Электродвижущая сила термопары может быть увеличена путем применения батареи двух или трех и больше термопар.
3.Витки обмотки возбуждения могут быть приключены группами параллельно к термопаре. В этом случае при большом количестве витков можно получить от термопары значительный ток (так как чем больше будет число у параллельно приключенных витков, тем меньше будет сопротивление обмотки возбуждения и, следовательно, тем больше протекающий по ней полный ток). Практически это означает, что ампервитки, нужные для создания соответствующего магнитного потока, могут быть этим путем в значительной степени увеличены.
4.В измерительной практике применяются приборы, представляющие собой своего рода электрические машинки, в которых одна из обмоток замыкается на крайне незначительное напряжение. Примером таких приборов могут служить ферродинамометры, употребляемые например в газоанализаторах ГЛ2, в которых при содержании СО в газах, равном , к зажимам подвижной катушки подводится напряжение 9-12 mV, напряжение же на зажимах неподвижной катушки в этом приборе 7-8 V.
Если такой прибор способен развить известный момент вращения, то очевидно, что в случае приложения такого же момента вращения к подвижной катушке этого прибора, при этом же напряжении на ее зажимах, получим на зажимах неподвижной катушки напряжение, ббльшее 8 V, ибо этот прибор представляет
собой своего рода машину постоянного тока, которые, как известно, обратимы.
В отношении точности показаний прит бора нет оснований бояться, что нагрев обмотки возбуждения будет влиять на точность прибора, ибо сопротивление этой обмотки будет значительно меньше внутреннего сопротивления гальванометра; кроме того, влияние нагрева может быть отчасти учтено при градуировке.
В общем же предлагаемая схема крайне проста и удобна тем, что не имеет никаких сложных передаточных механизмов, контактных приспособлений и т. д., как в обычных терморегуляторах. Это является гарантией надежности в работе и сравнительно невысокой стоимости.
Предмет изобретения.
1. Устройство для измерения температур газов при помощи отсасывающего пирометра с обогреваемым электрическим током спаем термопары, отличающееся, тем, что, с целью автоматического регулирования силы нагревающего спай термопары тока в зависимости от температуры газа, для питания током обогревающей спай термопары цепи применен вращаемый синхронным электродвигателем генератор переменного тока б, обмотки возбуждения которого питаются от цепи термопары.
2.Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения генератора б присоединена к цепи термопары через динамомашину 7, вращаемую тем же электродвигателем П.
3.Форма выполнения устройства по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что синхронный электродвигатель 77 связан с краном 10 или тому подобным приспособлением, регулирующим проходное сечение трубки для прососа газа.
4.В устройстве по пп. 1-3 применение вентилятора 9 для прососа газов, вращаемого электродвигателем 7 Л
./
и 
Сриг:2
