Технические платиновые термопрсобразователи 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) [540, 541, 547, 561].

Для защиты чуствительного элемента от механических и химических воздействий применяются ингибиторные засыпки из боратов щелочных или галогенндов щелочноземельных

Таблица 8.2. Допускаемые отклонения сопротивления ТС от номинального сопротивления при о X, ± %

Тип тс

Класс допуска

тем тсн

0,05

0,1 0,1

0,2 0.2 0,24

Таблица 8.3. Значение Июо для различных ТС

металлов [1056].

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

Чувствительные 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).

Наибольшее допускаемое значение 47joo 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 ypoBiyi 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 проводни-, ки. В случа.е повышенной вибрации рекомендуются более жесткие сплавные провода, например, платинородиевые.

Сопротивление пары соединительных проводов при О С не долЖ ио превышать 0,1 % номинального сопротивления чувствительного эл меита. Для изоляции соедини1ельны1 проводов применяются слюдя иые или керамические шайбы с отверстиями, а также трубочки ш фарфора, кварца или стекла. Для высокотемпературных ТС использует

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 термопрсобразователи сопротивления имеют газонепроницаемую защитную арматуру, внутренпая полость которой сначала вакуумирована с нагреванием до 450 X, 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 [15, П27].

Внутреннее пространство защитной арматуры из нержавеющих сталей технических платиновых термопреобразователей заполняется отожженным порошком оксида алюминия с добавками ингибиторных материалов [1056, 1061], 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 [847].

Для измерения низких температур термопреобразователи сопротивления [696] имеют малые габариты и небольш т показатель тепловой инерции. Образцовые термопреобразователи для измерения температур до 630°С имеют значение сопротивления при 0°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) [125, 604].

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 реперной 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~-R. Для ТС, используемых при измерении температуры до 100°С, изменения значений относительного сопротивления в тройной точке воды не должны превышать 5 10~/?. ТС, предна-/тс , ? * измерения температуры до точки затвердевания золота inoo о1 подвергаются длительном старению при температуре около IООО с.

Исследования по стабильности показаний ТС, проведенные многими авторами [1199, 1246, 1471], показывают, что скорость охлаждения имеет осооое значение. Вакансии, образованные при высокой температуре, при очень оыстром охлаждении замораживаются, тогда как при медленном ох-.таждении при низких температурах происходит их уравновешивание. Дополнительное сопротивление ТС из-за быстрого охлаждения может

6 9-491

достичь 2 . 10 */?, что соответствует 0,5 К. При мсдленномохлаждении эта величина гораздо мепьшс. При быстром переносе ТС ня среды с температурой выше 500 C в среду с KoMtiaiиой тедтературон возникает дополнительное сопротивление. 3ri) сопротивление, иызывае.мое мгиовситм охлаждением, устраняеюя пу icm отжига при к-мпературе 500°С в течение 30 мин с последующим медлепн1,гм оетываинсм. Дополнительное сопротивление 1С может возникнуть такл;е нз-за наклеил, возннкаюи:его при эксплуатации и перевозке [1443].

Таблица 8.4. Основные параметры технических платиновых ТС

Лрилечоние. Основные значения W,oi> Для платиновых ТС -1.3910; для медных - 1,4280 ТС со значениями W, p = 1,3850 и W, о = 1.4260 допускается изготовлять по требованиям потребителя итю заказу-наряду внешнеторговой организации

Качество технических ТС определяется величиной изменения значения сопротивления при О °С (Rg), не превышающей 0,05 %Rq после четырехчасового пребывания в среде с температурой на 5 % выше верхнего предела их применения. Стабильность показаний измерений техническими ТС отечественного производства приведена в работах [540, 562].

Нестабильность ТС обусловлена точечными дефектами, появляющимися в платине вследствие облучения быстрыми нейтронами и резкого охлаждения (закалки). Условия испытаний платиновых ТС, описанные в работах [548, 847], имитировали их эксплуатацию. При этом определялись числовые значения частот вибрации и ударных сотрясений, цикличность тепловых

и механических нагрузок. Защитная арматура пспытуе.\цлх ТС - сталь Х18Н9Т [59, 553).

Исследования показали, что изменения значений Rq и Wio после ЮООО 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 [13, 98, 134, 964] характеризуются повышенной чувствительностью к изменению температуры, воспроизводимостью, стабильностью и удобством при эксплуатации. По сопротивлению ТС делятся на низкоомные и высокоомные. Увеличение соггротнвлепня чувствительного элемента при О С приводит к увеличению его размеров и

1 2

Рис. 8.4. Платиновый ТС конструкции Стрелкова:

/ - злюминиевыИ колпачок; 2 - клеммы; 3 - токовые провода; 4 -кварцевая оболочка: 5 - измерительная спираль; в - каркас; 7 ~ потенциальные выводы; 8 - подводящие провода

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 /? = 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 /? ~ 10 Ом; для измерения низких температур ( - 182,97...О °С) - с R 100 Ом; для измерения сверхнизких температур (13,81...273,15 К) - с 25 Ом /?о < 1000 Ом при температуре тройной точки (ТСПН-1 и ТСПН-2, ГОСТ 12877-76).

8.2. ТС с чувствительными элементами из других материалов

В случаях, когда не требуется высокая точность измерения, напри.мер для технических целен, чувствительные элементы ТС изготовляются из дешевых чистых металлов (154, 541, 703, 769, 1302]. Чувствительные элементы для измерения низких температур изготовляются главным образом из сплавов и полупроводников. Для измерения средних температур в качестве материала чувствительного элемента ТС применяются медь, никель, вольфрам, железо. Требования к конструкциям ТС с чувствительными элементами из других материалов аналогичны требованиям, предъявляемым к платиновым чувствительным элементам. При этом необходимо учитывать конкретные физические и химические свойства этих материалов.

Медные ТС. Обычная медь, поставляемая системой снабжения и торговли в виде проволоки и проводов всех требуемых размеров, недефицитна, 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. К числу недостатков меди следует отнести и ее малое удельное сопротивление (р = = 1,7 \0~ Ом м). В диапазоне температур - 50...200 С зависимость сопротивления меди от температуры линейная; R( = (1 + at).

Таблица 8.5. Основные чуиствительных элементов

технические характеристики медных

Обозначение

Количество чувсгвитель-ны.\ элемсн-

тон и ИСХ преобразования по ГОСТ B6.i!-84

Диапазон измеряемых

Показатель тепловой инерции е,,. с, не более

Габаритные ра.И!егы. мм

Диаметр

ДJUПla

5Ц4.679, 5Ц4.67Э, 5Ц4.679, 5Ц4.679 5U4.679 5Ц4.679 5Ц1.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679 5Ц4.679

070-01 070-02 070-03 070-04 070-05 070-07 070-08 070-09 070-10 070-11 070-13 070-14 ,070-15 070-16 070-17 070-19 070-20 .070-21 .070-22 .070-23 .070-25 .070-26 .070-28 .070-29 .070-30

IX ЮМ 1Х50М 1Х50М IX ЮОМ IX ЮОМ 2Х ЮМ 2Х50М 2Х50М 2Х ЮОМ 2Х ЮОМ IX ЮМ 1Х50М 1Х50М

IX ЮОМ

IX ЮОМ 2Х ЮМ 2Х50М 2Х50М 2Х ЮОМ 2Х ЮОМ 1Х50М

IX ЮОМ

2Х50М 2Х ЮОМ 1Х50М

С В С В

с в с с в с в с с с с с с

-50...-Ь150 -50...-Ь150 -50...-М50 -50...-1-150 -50...-1-150 -50...-Ь150 -50...-1-150 -50...-М50 -50...-Ь150 -50...-М50 -50...-f-200 -50...-f-200 -50...-f-200 -50...-f-200 -50...-f 200 -50...-f-200 -50...-f 200 -50...-h 200 -50...+200 -50...+200 -50...+150 -50...+150 -50...+150 -50...+ 150 -50...+ 100

10 12 12 15 15 10 16 16 20 20 10 12 12 15 15 10 16 16 20 20 9 10 13 16 12

5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 4,0 4,0 5,0 5,0 5,0

50 50 80 80 32 80 80 :00 00 20 50 50 80 80 32 80 80 100 100 25 40 32 50 55

Согласно ГОСТ 6651-84 медные ТС применяются для длительного измерения температуры в диапазояе - 200...+ 200 °С. Допустимые значения отклонений сопротивления при О °С от номинального приведены в табл. 8.2; отношения сопротивления при 100 °С к сопротивлению при 0°С - в табл. 8.3; основные параметры технических медных ТС - в табл. 8.4; основные характеристики чувствительных элементов медных ТС - в табл. 8.5. -

Бескаркасный чувствительный элемент медных промышленных ТС (рис. 8.5) имеет безындуктивиую намотку из медной проволоки, покрытой фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. Для устойчивости элемент помещается в тонкостенную металлическую гильзу, засыпается керамическим порошком и герметизируется замазкой. В зависимости от действительных условий изготовляются чувствительные элементы

специальных конструкций: от сосредоточенной обмотки небольшой длины для измерения температуры подшипников до обмотки, растянутой на несколько метров, для измерения средней температуры нефти в резервуарах. К чувствительному элементу припаиваются соединительные медные провода, которые электрически изолированы оплеткой из термостойкой нити, в качестве защитной арматуры применяются трубы из различных сталей. После изготовления чувствительные элементы стабилизируются нагреванием при температуре, превышающей температуру верхнего предела применения на 20 К. Погрешность медных ТС с бескарк;сным чувствительным элементом за счет изменения R и после 50 000 ч работы при 160 °С составляет 1 % [543. Измерительный ток, протекающий ио чувсгви1ельному элементу серийно выпускаемого термопреобразователя ТСМ-0879, равен jj OR 15 мА на 1 К- Сопротивление чув- Яо <И ствительиого элемента медного ТС

20 itO

80 Ц

Рис. 8.5. Медный чувствительный элемент:

/ - моток: 2 - металлическая гильза: .J - порошок; 4 - выводы

Рис. 8.6. Зависимость температурного коэффициента сопротивления платины, олова, индия от температуры

не так стабильно, как платинового. Если чувствительный элемент не подвергать резким тепловым ударам или механическим деформациям, то в течение длительного времени можно поддерживать стабильность показаний ТС с погрешностью ±0,01 К.

ТС из других чистых металлов. Кроме платины и меди в качестве материала для чувствительного элемента ТС применяют никель, железо, вольфрам, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.

Никелевые ТС. Преимущества никеля перед медью - высокие ТКС (а = 6,4 10 и удельное сопротивление (р = 12,8 10 Ом м), недостаток - большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление никелевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне 0...200 °С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС {А ---- 5,43 10- К-, S = 7,85 . Ю * К~). Нелинейные члены в уравнениях сопротивления имеют разные знаки (для никеля положительный, для платины - отрицательный). Это открывает возможность создания ТС с линейной характеристикой до 350 С ггутем последовательного включения платиновой и никелевой обмоток с отношением сопротивлений, равным 12 : 1, при О °С. Никель претерпевает структурное превращение при 350 °С.

Железные ТС применяются для измерения температур в диапазоне 0...100 °С (Л = 6,5 . 10-3 К-).

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

Свинцовые яЭцевб/е ГС хорошо зарекомендовали себя при измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рис. 8.6) заметно