1402

стойкостью, сохраняя хорошую коррозионную стойкость благодаря включению в сплав 3,4% Al, который образует на поверхности сплава тугоплавкую окисную пленку и препятствует развитию коррозионного процесса.

3.1.6.3 Необходимо отметить, что в России недостаточно производится термопар в защитных чехлах, предназначенных для специальных областей применения. Универсальные чехлы не могут решить проблему защиты термопар во многих агрессивных средах.

3.2 Термометры сопротивления, их типы и области применения

3.2.1Действие термопреобразователей сопротивления (ТС) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество металлов, 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.

3.2.2ТС состоит из ЧЭ соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов (рисунок 3.).

Основные требования, которым должен удовлетворять материал чувствительного элемента ТС, следующие:

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

-простота технологии получения и изготовления.

Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи измерительного преобразователя температуры (ИПТ), фиксируется показывающим прибором или регулятором (контроллером).

31

Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры. Номинальные функции преобразования (статические характеристики) ТС и их погрешность определяются [4].

Согласно [4], в России стандартизованы следующие типы термопреобразователей сопротивления (ТС):

-платиновые (ТСП) – с чувствительным элементом (ЧЭ) из платины;

-медные (ТСМ) – с ЧЭ из меди;

-никелевые (ТСН) – с ЧЭ из никеля. Характеристики указанных выше ТС представлены в

приложении И.

Следует отметить, что никелевые ТС не получили широкого распространения в России.

1 - головка

2 - штуцерная гайка

3 - арматура

4 - чувствительный элемент

Рисунок 3. ТС (а) и схема его включения (б)

32

Функция преобразования платинового ТС нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом. Темпе-

ратурный коэффициент платины примерно равен = 3,91•10-3

K-1

3.2.3 Медные ТС

Функция преобразования медного ТС линейна:

Rt = R0 (1 + t),

где R0 — сопротивление при 0°С; = 4,28•10-3 K-1 - температурный коэффициент.

Чувствительный элемент медного ТС (рисунок 4,а) представляет собой пластмассовый цилиндр 1, на который бифилярно в несколько слоев намотана медная проволока 2 диаметром 0,1 мм. Сверху катушка покрыта глифталевым лаком. К концам обмотки припаиваются медные выводные провода 3 диаметром 1,0-1,5 мм. Провода изолированы между собой асбестовый шнуром или фарфоровыми

трубочками. Чувствительный элемент вставляется в тонкостенную металлическую гильзу 4. Гильза с выводными проводами помещается в защитный чехол (рис.4 ,б), который представляет собой закрытую с одного конца трубку 1. На открытом ее конце помещается клеммная головка 2. Для удобства монтажа защитный чехол может иметь фланец 3.

3.2.4 Обычная медь не дефицитна, дешева, чиста и гомогенна — вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к материалу чувствительных элементов ТС для измерения умеренных температур. Существенный практический недостаток меди — при температуре выше 300°С она начинает активно окисляться. Поэтому медь применяется в чувствительных элементах ТС для измерения температур не выше 200°С. Изоляционные покрытия медных проводов — лак или шелк — также не выдерживают влияния высоких температур.

33

К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление ( = 1,7*10-8 Ом•м).

Рисунок 4. ЧЭ (а) и конструкция (б) медного ТС

ТКС определяется по сопротивлениям R0 и Rt чувствительного элемента медного ТС, измеренных соответственно при точке таяния льда и кипения воды. В диапазоне темпера-

34

тур от —50 до 200°С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер: Rt = R0 (1 + α t). Согласно ГОСТ 6651-94, медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазоне от —200 до

200°С.

Медь применяется для измерения температур до 200оС, в применениях, не требующих особой точности.

Кдостоинствам медных ТС можно отнести:

-дешевый материал;

-простота получения тонкой проволоки;

-линейный характер зависимости сопротивления от температуры.

Недостатки медных ТС:

-окисляется при невысоких температурах;

-малое удельное сопротивление (ρ = 1,7*10 -8 Ом*м).

3.2.4Платиновые ТС

Для измерения температур до 630,74°С применяются платиновые ТС, ЧЭ которых изготовляются из платиновой проволоки диаметром от 0,05 до 0,2 мм, свободной от натяжений, бифилярно намотанной на каркас для устранения влияния магнитных помех.

В качестве изоляционного каркаса применяются слюдяные пластины, керамические стержни крестообразной формы сечения из кварца или окиси алюминия с канавками, в которых размещаются спирали. Слюда в естественном состоянии содержит связанную воду и адсорбированные газы. В процессе

35

измерения выделяющиеся газы и водяные пары могут захватываться проволокой чувствительного элемента с одновременным изменением сопротивления. Во избежание этого слюдяные каркасы следует перед навивкой прокалить в вакууме. В общем, слюду не рекомендуется применять при температурах выше 450°С. Кварц, алунд и фарфор лучше сохраняют изоляционные показатели. 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 изготовления каркаса.

3.2.5Для измерения низких и средних температур каркасы чувствительных элементов изготовляются из стекла с близким к платине коэффициентом расширения. Для измерения температур в диапазоне от 630 до 1100°С применяется платиновая проволока диаметром от 0,3 до 0,6 мм, так как проволока меньших диаметров подвергается большому влиянию посторонних газов и паров. При этом для каркаса используется керамика из синтетического сапфира. Для измерений умеренных температур применяются различные конструкции чувствительных элементов из платиновой проволоки, покрытой изоляционным лаком.

Для защиты платиновой спирали от взаимодействия с выделениями каркаса и других конструктивных элементов применяются ингибиторные засыпки из боратов и галогенидов щелочноземельных металлов.

3.2.6Концы 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 проводни-

36

ки, при умеренных температурах до 5000 оС — серебряные, при температурах, превышающих 5000 оС, по мере ее роста,— золотые, палладиевые и платиновые проводники. В случае повышенной вибрации рекомендуются более жесткие сплавные провода, например платино-родиевые.

3.2.7 Сопротивление двух соединительных проводов чувствительного элемента при 0°С не должно превышать 0,1 % его номинального сопротивления. Для изоляции соединительных 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.

Платина, как правило, применяется для эталонных, образцовых, и повышенной точности ТС.

Достоинства платиновых ТС:

-высокий температурный диапазон;

-точность измерения (до 0,001oC). Недостатки:

-отклонение от линейного закона зависимости Rt;

-особый подход к изготовлению материала каркаса(слюда, кварц, керамика);

-высокая стоимость.

37

при 0°С. Никель претерпевает структурное превращение при

350°С.

3.2.8.2 Железные ТС применяются для измерения температур в диапазоне от 0 до 100°С ( = 6,5•10 -3 К-1).

3.2.8.3Вольфрамовые ТС обеспечивают удовлетворительную точность при измерениях температур до 1000°С. При измерении высоких температур чувствительный элемент необходимо помещать в герметичную арматуру.

3.2.8.4Свинцовые и индиевые ТС хорошо зарекомен-

довали себя при измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рисунок 7) заметно больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до перехода в состояние сверхпроводимости (Pb — 7,2 К, In — 3,4 К).

3.2.8.5Механические напряжения затрудняют использование при измерениях температур ТС. Поэтому неоднократно предпринимались попытки применения в ТС жидких металлов, заполняющих кварцевые капилляры. Использование для изготовления капилляров плавленого кварца, имеющего малый коэффициент термического расширения, практически решает вопрос о влиянии вариации температуры на размеры чувствительного элемента. Для жидкометаллических ТС применялись также сплавы ртути с галлием и таллием. Ртуть хорошо зарекомендовала себя и в твердом состоянии для измерений вплоть до наступления сверхпроводимости.

По ряду характеристик сплавы имеют преимущества перед чистыми металлами для применения в качестве материала чувствительных элементов ТС: они более прочны, стойки при высоких температурах и в агрессивных средах, их удельное сопротивление в несколько раз больше. Однако ТКС при средних и высоких температурах у них ниже, чем у чистых металлов,— за исключением сплава никеля с железом, для

которого = 4,8•10-3 К-1.

По сравнению с никелем удельное сопротивление сплава никеля с железом в три раза больше, что позволяет упро-

39

стить конструкцию чувствительного элемента и повысить ее надежность. Характеристики этого сплава не одинаковы от партии к партии, в связи с чем необходимо применять индивидуальную градуировку. Рабочий диапазон таких ТС — от 0 до 600°С. При наличии магнитных полей их не рекомендуется применять.

Константан и манганин широко используются как материалы, сопротивление которых в области нормальных температур пренебрежимо мало зависит от температуры. Однако при температуре ниже 80 К эта зависимость настолько возрастает, что оба сплава используются для измерения температур вплоть до температуры кипения гелия. ТКС манганина изменяется от 6•10-4 К-1 при 80 К до 8•10-4 К-1 при 10 К.

В ТС с чувствительным элементом из манганина не наблюдается однозначная связь между сопротивлением при комнатной температуре и тех температурах, при которых производится измерение. Поэтому они требуют индивидуальной градуировки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей.

3.2.9 Схемы включения ТС.

ТС и провода, соединяющие его со вторичным прибором, включены последовательно. Обычно используются медные провода, сопротивление которых зависит от их температуры. Температурные изменения сопротивления проводов приводят к погрешности измерения температуры.

ЧЭ с соединительными проводами называются измерительными пакетами. Соединительные провода измерительного пакета должны быть электрически изолированы друг от друга. При измерении температуры до 300°С с целью обеспечения надежной изоляции пакетов ТС применяются изоляционные лакоткани, эмали, оплетки и др.; при измерении температуры выше 300°С — бусы из электроизоляционной керамики.

Для устранения влияния температуры на сопротивление соединительных проводов их собственное сопротивление выбирают малым по сравнению с сопротивлением чувствитель-

40