ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Действие ТС основано на температурной зависимости электрического сопротивления. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т. п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, представленных разными видами веществ, заметно способных проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами.

ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рис. 8.1. Как видно из рисунка, ТКС сравнительно невелик (0,3...0,6 % • К-¹) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников а в среднем на порядок больше, том для металлов, отрицателен для термисторов (кривая 4} и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3} характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Простые схемные решения позволяют получить широко растянутый малый диапазон измерения на любом уровне. Благодаря высоким метрологическим качествам платиновые ТС используются для воспроизведения МПТШ-68 в диапазоне температур 13,81...903,89 К. Полупроводниковые ТС обладают экстремальными характеристиками, поддающимися конструк­тивной вариации в широких пределах. Поэтому они наряду с металлическими термометрами эффективно используются в системах измерения, контроля и автоматизации в промышленных технологических комплексах. ТС состоит из чувствительного элемента соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов (рис. 8.2). Изменение сопротивления чувствительного элемента фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

8.1. Платиновые тс

Основные требования, которым должен удовлетворять материал чувствительного элемента ТС

1. нечувствительность к малым примесям, которые могут появиться в процессе изготовления или эксплуатации;

2. простота технологии получения и изготовления.

В промышленных условиях применение платиновых ТС нормировано для измерений до 1100 0С.

З ависимость относительного сопротивления от температуры для платины описывается уравнениями, регламентированными МПТШ-68. Для измерения низких температур платиновыми ТС с соблюдением требова­ний метрологической культуры целесообразно пользоваться зависимостью Т = f (W) в виде стандартной таблицы.

При измерении низких температур сопротивление ТС уменьшается и остаточное сопротивление составляет уже несущественную часть всего сопротивления цепи. При этом наблюдается незначительный разброс номинальных статических характеристик ТС, обусловленный степенью чистоты применяемой платиновой проволоки, способом ее получения, видом термической обработки, конструкцией преобразователя и т. п.

С целью обеспечения взаимозаменяемости ТС они разбиваются на группы с похожими характеристиками и комплектуются вторичны­ми приборами, имеющими соответствующие статические характеристики. При этом вторичные приборы могут иметь вставки для подстройки измеритель­ной схемы к фиксированным номинальным статическим характеристикам. В зависимости от условий применения, требований, предъявляемых к точности измерения, промышленностью выпускаются платиновые ТС раз­личных конструкций.

Требования к технологии изготовления ТС. Для воспроизведения шкалы МПТШ—68 при изготовлении платиновых ТС чувствительный эле­мент выполняется из свободной от напряжения, отожженной, чистой пла­тиновой проволоки с отношением сопротивлений при 100 °С и при О °С W100 > 1,39250. При этом короткие участки четырехпроводной линии термопреобразователя, примыкающие к спирали, также изготовляются из платины. Сопротивление изоляции элементов конструкции должно быть достаточно высоким, чтобы избежать заметное шунтирование сопро­тивления ТС. Составные части ТС, находящиеся в непосредственной близости к чувствительному элементу, изготовляются из чистых материалов, не реагирующих с платиной при высоких температурах.

Конструкции чувствительных элементов. Для измерения темпера­туры до 630,74 °С применяются ТС, чувствительные элементы которых изготовляются из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,2 мм, намотанной на каркас бифилярно для устранения влияния магнитных помех. В качестве изоляционного каркаса применяются слюдяные пластины, керамические стержни крестообразной формы сечения из кварца или оксида алюминия с канавками, в которых свободно размещаются спирали. Слюда в естественном состоянии содержит связанную воду и адсорбированные газы. В процессе измерения выделяющиеся газы и водяные пары могут захватываться проволокой чувствительного элемента с одновременным измерением сопротивления. Во избежание этого слюдяные каркасы следует перед навивкой прокалить в вакууме. Слюду рекомендуется применять при температурах до 450 °С. Кварц, алунд и фарфор более термостойки и лучше сохраняют изоляционные свойства. При 630 °С ток, протекающий по изолятору каркаса, обусловливает погрешность порядка 10^-3 К. При дальнейшем повышении температуры погрешность, вызванная потерями изоляционных характеристик каркаса, быстро растет и в значительной мере зависит от технологии ею изготовления, затем чувствительный элемент стабилизируют нагреванием до 800 °С и выдержкой в течение 30 мин.

На протяжении длительного времени для измерения температуры применялась конструкция платинового ТС, предложенная Г. Л. Каллен-даром, в которой на слюдяной крест наматывалась платиновая проволока диаметром 0,1...0,2 мм. Позже появились ТС с керамическим каркасом. В платиновых ТС для измерения с высокой точностью напряжение в проволоке, возникающее от деформации спирали, сведено к минимуму. Проволока диаметром 0,1 мм свивается в спираль диаметром 0,45 мм, а затем бифилярно навивается на слюдяной крестообразный каркас, помещаемый в защитную трубку из пирекса диаметром 7...7.5 мм. Чувствительный элемент соединен с головкой термопреобразователя золотыми проводами длиной 430 мм. В качестве другой типичной конструкции можно привести ТС, чувствительный элемент которого изготов­лен из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, сопротивление при О °С около 25 Ом. Платиновая спираль диаметром 1,5 мм помещается в тонкую U-образную пирексовую трубку с внутренним диаметром, незначительно превышающим внешний диаметр спирали, и толщиной стенки 0,5 мм. Кон­цы спирали припаяны к жестким платиновым вводам так, чтобы спираль была всегда свободна от напряжений. Конструкция термопреобразователя представляет собой двухканальную трубку из оксида кремния, в каналы которой помещена спираль чувствительного элемента. В ТС Стрелкова на кварцевый геликоидальный каркас монтируется платино­вая спираль из проволоки диаметром 0,07 мм. К концам платиновой проволоки чувствительного элемента приварены небольшие жестко скреп­ленные с каркасом выводные проводники из платиновой проволоки. К каждому проводнику приварено по два вывода из серебряной, золо­той или платиновой проволоки диаметром 0,2...0,5 мм. Чувствительный элемент помещается в защитную трубку из плавленого кварца.

Для измерения низких и средних температур каркасы чувствительных элементов изготовляются из стекла с близким к платине коэффициентом термического расширения. Для измерения температур в диапазоне 630... 1100 °С применяется платиновая проволока диаметром 0,3...0,6 мм, так как проволока меньших диаметров подвергается большому влиянию по­сторонних газов и паров. При этом для каркаса используется синтетиче­ский сапфир.

Технические платиновые термопреобразователи должны быть механически прочными и виброустойчивыми. Для этого во многих конструкциях чувствительных элементов отечественного производства свободную плати­новую спираль размещают в четырех каналах керамического каркаса (рис. 8.3) .

Для защиты чуствительного элемента от механических и химических воздействий применяются ингибяторные засыпки из боратов щелочных или галогенидов щелочноземельных металлов.

Кроме чувствительных элементов, размещенных в керамических каркасах, отечественной промыш­ленностью выпускаются различные конструкции миниатюрных чув­ствительных элементов из платино­вой проволоки, покрытой изоля­ционным лаком.

Ч увствительные элементы промышленных ТС. Для широкого диапазона выпускаемых промышленностью ТС существует сравнительно узкая номенклатура чувствительных элементов, которые в поисковых исследованиях и начальных технологических разработках могут применяться самостоятельно. Основные их технические характерис­тики приведены в табл. 8.1, а допустимые в соответствии с ГОСТ 6651—84 отклонения электрических сопротивлений ТС от номинальных значений — в табл. 8.2.

При изготовлении чувствительных элементов технических платиновых ТС допустимое отклонение номинального значения при О °С должно соответствовать А, В, С классам допуска, медных — В, С классам допуска (табл. 8.3).

Н аибольшее допускаемое значение W₁₀₀ не ограничивается.

Соединительные провода ТС. Концы измерительной спирали в образцовых ТС соединяются сваркой с U-образными короткими проводами из платины большего диаметра, к которым привариваются соединительные провода, идущие к головке. Материал соединительных проводов выбирается в зависимости от уровня измеряемой температуры и других условий эксплуатации, для которых приборы предназначены. При низких температурах до 300 °С и умеренной вибрации используются медные проводники, при умеренных температурах до 500 °С — серебряные; при температурах, превышающих 500 °С,— золотые, палладиевые и платиновые проводники. В случае повышенной вибрации рекомендуются более жесткие сплавные провода, например, платинородиевые.

Сопротивление пары соединительных проводов при О °С не должно превышать 0,1 % номинального сопротивления чувствительного эле­мента. Для изоляции соединтельных проводов применяются слюдя­ные или керамические шайбы с отверстиями, а также трубочки из фарфора, кварца или стекла. Для высокотемпературных ТС используется изоляционный материал из сапфира в виде шайб и бус или другой керамики.

Защитная арматура ТС. В зависимости от диапазона измеряемых температур в качестве защитной арматуры образцовых термопреобразователей сопротивления применяются стекло, кварц, огнеупорные, газоплотные, керамические материалы и платина. Для технических термопреобразователей применяется защитная арматура из других материалов: никель-содержащих, нержавеющих сталей и т. д.

Почти все образцовые термопреобразователи сопротивления имеют газонепроницаемую защитную арматуру, внутренная полость которой сначала вакуумирована с нагреванием до 450 С, затем заполнена сухим газом и герметически запаяна. Для заполнения арматуры применяется ге­лий, аргон, азот и сухой воздух. Для значительного уменьшения примеси посторонних металлов с целью защиты платины от загрязнения добавля­ется кислород (например, 5 %) по рекомендации.

Внутреннее пространство защитной арматуры из нержавеющих сталей технических платиновых термопреобразователей заполняется отожженным порошком оксида алюминия с добавками ингибиторных материалов, предохраняющих платину от загрязнения. В верхней части защитная арматура закрывается пробкой из огнеупорной массы.

Материал защитной арматуры выбирается в зависимости от диапазона измеряемых температур и агрессивности измеряемой среды объекта.

Часто для исследовательских работ применяются термопреобразователи длиной до 500 мм в защитной арматуре цилиндрической формы.

Для измерения низких температур термопреобразователи сопротив­ления имеют малые габариты и небольшой показатель тепловой инерции. Образцовые термопреобразователи для измерения температур до 630 °С имеют значение сопротивления при О °С 10 или 25 Ом, выше 630 С — значение сопротивления при О °С плюс 10 Ом или доли единицы Ом.

Для специальных целей чувствительный элемент имеет определенную форму и измеряет среднюю температуру, например, поверхности кольца, спирали или стержня. Очень часто термопреобразователь имеет прочную защитную арматуру (например, для измерения температуры в паропрово­дах высокого давления).

Основные параметры технических платиновых ТС по ГОСТ 6651—84 приведены в табл. 8.4.

Стабильность чувствительных элементов ТС. После изготовления чувствительный элемент следует стабилизировать нагреванием при температуре выше верхнего предела применения (но не менее 450 °С).

Важным критерием эффективности отжига и стабильности ТС является постоянство его сопротивления при температуре репер ной точки. Для этого обычно используется тройная точка воды (273,16 К) и точка кипения гелия (4,215 К). Первая приемлема для большинства высокотемпературных ТС, вторая —для ТС, встроенных в криогенную аппаратуру. Согласно рекомендации МПТШ-68 относительное изменение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 4•10^-6 R. Для ТС, используемых при измерении температуры до 100 °С, изменения значений относительного сопротив­ления в тройной точке воды не должны превышать 5•10^-7 R. ТС, предна­значенные для измерения температуры до точки затвердевания золота (1064,43 °С), подвергаются длительному старению при температуре около 1000 °С.

Исследования по стабильности показаний ТС, проведенные многими авторами, показывают, что скорость охлаждения имеет особое значение. Вакансии, образованные при высокой температуре, при очень быстром охлаждении замораживаются, тогда как при медленном ох­лаждении при низких температурах происходит их уравновешивание. Дополнительное сопротивление ТС из-за быстрого охлаждения может достичь 2*10 -⁴ R, что соответствует 0,5 К. При медленном охлаждении эта величина гораздо меньше. При быстром переносе ТС из среды с температурой выше 500 °С в среду с комнатной температурой возникает дополнитель­ное сопротивление. Это сопротивление, вызываемое мгновенным охлажде­нием, устраняется путем отжига при температуре 500 °С в течение 30 мин с последующим медленным остыванием. Дополнительное сопротивление ТС может возникнуть также из-за наклепа, возникающего при эксплуатации и перевозке.

Качество технических ТС определяется величиной изменения значе­ния сопротивления при О °С (R0), не превышающей 0,05 %/Rо после четырех­часового пребывания в среде с температурой на 5 % выше верхнего предела их применения.Нестабильность ТС обусловлена точечными дефектами, появляющимися в платине вследствие облучения быстрыми нейтронами и резкого охлаждения (закалки). Условия испытаний платиновых ТС, описанные в работах, имитировали их эксплуатацию. При этом определялись числовые значения частот вибрации и ударных сотрясений, цикличность тепловых и механических нагрузок. Защитная арматура испытуемых ТС — сталь Х18Н9Т.

Исследования показали, что изменения значений R₀ и W₁₀₀ после 10000 ч работы не превышают допусков, предусмотренных требованиями ГОСТ 6651— 84. Это свидетельствует о том, что ТС обладают высокой устой­чивостью к механическим и тепловым циклическим изменениям.

ТС для исследовательских работ характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температуры, воспроизводимостью, стабильностью и удобством при эксплуатации. По сопротивлению ТС делятся на низкоомные и высокоомные. Увеличение сопротивления чувствительного элемента при О "С приводит к увеличению его размеров и инерционности, упрощая, однако, работу с ТС, так как появляется воз­можность применения более простых измерительных схем. Эталонные и образцовые платиновые ТС, работающие в диапазоне температур — 182,97...630 °С, изготовляются с R0 = 10 Ом.

Для точных измерений температуры применяется конструкция с чув­ствительным элементом в виде спирали Стрелкова (рис. 8.4). Для измере­ния средних температур (0...630°С) применяется платиновый ТС (ПТС-10) с R0 ~ 10 Ом; для измерения низких температур (—182,97...0 °С) —с R0 ~ 100 Ом; для измерения сверхнизких температур (13,81...273,15 К) — с 25 Ом < R0, < 1000 Ом при температуре тройной точки (ТСПН-1 и ТСПН;2, ГОСТ 12877—76).