больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до Перехода в сверхпроводящее состояние (РЬ -7,2 К, In - 3,4 К). I Механические 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 а = 4,8 10 К .

По сравнению с никелем удельное сопротивление сплава никеля с железом в три раза больше, что позволяет упростить 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 О ,600 °С. При наличии магнитных полей их не рекомендуют 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- К~ при 80 К до 8 Ю-* К~ 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 градиуровки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей.

8.3. Инструментальная погрешност) и срок службы ТС с учетом реального циклического режима

Инструментальная погрешность ТС определяется предельно допускаемым отклонением сопротивления ARq при О С и отношения AWioo or их номинальных значений [539, 546]. В зависимости от измеряемой температуры и отклонения сопротивления Д/? при О °С погрешность ТС определяется выражением

а погрешность от отклонения отношения AH/joo формулой

Поскольку при изготовлении ТС допускаемые отклонения AR и AWirn являются некоррелированными величинами, то предельно допускаемая погрешность ТС рассматривается как погрешность случайных величин. С целью определения среднего квадратичного отклонения резуль-

тата измерения значений Rg и Wg от их номинальных величин были исследованы наиболее распространенные платиновые ТС класса В и медные ТС класса С. Определение Rg и Wgg производилось по методике ГОСТ 8.461-82. Проверка принадлежности распределения отклонений к 1гормальпому распределению выполнялась по критерию Пирсона.

Установлено, что среднее квадратичное отклонение результата измерения ARg составляет: для ТС, имеющих номинальную статическую характеристику (НСХ) 50П, S = 0,015, Л;? = 0,05 = 3S; для ТС, имеющих НСХ ЮОП, .5 = 0,025, ARg = 0,1 = 4S; для ТС, имеющих ИСХ 50М, S = 0,016, ARg = 0,1 = 6S. Установлено также, что номинальное значение

равное 1,3910 по ГОСТ 6651-84,

не соответствует действительному значению Гц , и равно 1,3916. В связи с

гт ш 600 800 ic

3,5 itfl 4,5 IgN

5 10 40 70NW

Рис. 8.7. Зависимость предельно допускаемых отклонений от НСХ при различных значениях температуры:

платиновых ТС: / - по работе 1539); 2 - систематическое отклонение 3 - ио ГОСТ 6651 - 84 н медных ТС; 4 - по работе 1539]; 5 - по ГОСТ 6651 - 84

Рис. 8.8, Кривые изменения НСХ в зависимости от температуры применения и числа циклов:

платиновых ТС: / - 750 °С; 2 - 500 °С; 3 - 400 °С и медных ТС; 4 100 °С; 5 - 100 °С

ЭТИМ для платиновых ТС характерна систематическая погрешность, которая должна быть учтена при определении точности измерения температуры.

Среднее квадратичное отклонение результата измерения AW, составляет:

1,3916 - = 0,00017, А1Г.з9,б = 0,001 = 65; *,4280 - S = 0,0005, AW, 4280 = 0.002 = 4S.

На рис. 8.7 представлена зависимость предельно допускаемых отклонений от НСХ при различных значениях температуры, а также зависимость отклонений НСХ по СТ СЭВ 1057-85. В соответствии с ГОСТ 8,207- 76 в качестве погрешности измерения илидоверительной границы среднего значения, внутри которого находится значение, указывается среднее квадратичное отклонение результата измерения ±25, соответствующее доверительной вероятности 0,95.

РУьтаты исследований на долговечность промышленных ТС в количестве ЮО шт., проводимых в лабораторных условиях циклами по 10 ч при различных значениях температуры, представлены на рис. 8.8. Вели-

чина /?о платиновых ТС со временем увеличивается, а Wo снижается. Вследствие такой корреляцноппои связи в диапазоне 400...500 °С максимальная погрешность за 70 000 ч рабо1Ы при 7000 циклах не превышает 0,5 К.

8.4. Промышленные ТС

Чувствительные элементы с соединительными проводами называются измерительными пакетами. При измерении температуры до 300 С с целью обеспечения падежной изоляции пакетов ТС применяются изоляционные лакоткани, эмали, оплетки и др.; при-измеренни температуры выше 300°С - бусы из электроизоляционной керамики [541, 547].

Для устранения влияния температурной вариации сопротивление соединительных проводов выбирают малым по сравнению с сопротивле-

Рис. 8.9. Схема измерительного пакета:

а - двухпроводного: б - трехпроводного; в - четырехпроводного.

нием чувствительного элемента. При О °С оно не должно превышать 0,1 % для платиновых ТС и 0,2 % - для медных. С этой же цельюТС подключают по трех- и четырехпроводной схеме (рис. 8.9). Для компенсации изменения сопротивления соединительных проводов промышленностью выпускаются также ТС с дополнительными соединительными проводами (рис. 8.10).

Соединительные провода измерительи( го пакета подключаются к клеммам контактной колодки или контактам корпуса пластмассовой головки ТС. На рис. 8.11 показаны типы измерительных пакетов и конструкции наиболее распространенных медных и платиновых ТС.

Подключение соединительных проводов измерительных пакетов к чувствительному элементу осуществляется посредством сварки. При измерении температуры измерительные пакеты вставляются в защитный чехол ТС, предохраняющий их от повреждений и загрязнений. Внутреннее пространство чехла засыпается ингибиторным порошком.

Учитывая опыт эксплуатации выпускаемых ТС представляется возможным разделить технические ТС на следующие укрупненные группы: общепромышленные ТС дяя измерения температуры в различных отраслях народного хозяйства; ТС для измерения температуры в условиях с повышенными механическими нагрузками; ТС во взрывобезопасном исполнении для измерения температуры вередах различных категорий взрывоопаснос-ти; ТС для измерения температуры в атомных и энергетических установках; ТС для измерения температуры поверхностей вращающихся объектов; ТС для измерения температуры поверхностей неподвижных твердых тел; ТС для измерения температуры в помещениях; ТС для измерения температуры в криогенной технике; ТС для измерения температуры зерна; ТС с

Рис. 8.10. Схема измерительного пакета с компенсационными выводами.

унифицированным выходным сигналом 0...5 мА, 4...20 мЛ для измерения температуры в различных отраслях промышленности.

Основные требования, предъявляемые к техническим ТС: взаимозаменяемость, простота и надежность в работе. Типы и осн(чи1ые характеристики ТС, серийно выпускаемых промышленностью СССР, приведены в табл. 8.6 (рис. 8.12-8.41).

В зависимости от условий эксплуатации для изготовления несушей и защитной арматуры применяются стекло, кварц, огнеупорные, газоплот-пые, керамические материалы. Внешний кожух для образцовых ТС выполняется из платины, а для технических - из нержавеющих сталей. Почти все образцовые ТС имеют газонепроницаемую защитную арматуру, внутренняя полость которой предварительно вакуумируется с нагреванием

Рис. 8.11. Конструкция измерительного пакета;

а - медного; б - платинового

до 450 С, затем заполняется сухим газом и герметизируется. Для заполнения арматуры применяется гелий, аргон, азот или сухой воздух. Для защиты платины от возможного загрязнения другими металлами в газовое заполнение ТС добавляется 5... 10 % кислорода.

Внутреннее пространство защитней арматуры нз нержавеющих сталей технических платиновых ТС заполняется отожженным порошком оксида алюминия с примесью ингибиторов. В верхней части внутреннее пространство защитной арматуры отделяется от окрулсаюшей среды пробкой из огнеупорной массы. Материал защитной арматуры выбирается в зависимости от диапазона измеряемых температур и агрессивности измеряемой среды объекта.

8.5. Полупроводниковые ТС

Терморезисторные характеристики полупроводников значительно различаются. Поэтому обобщение их в одном структурном подразделении условно [498, 625, 964, 1012, 1014[. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. ТКС большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для некоторых материалов в экстремальных ус ловиях - на два порядка больше соответствующего среднего значения для металлов.

Целесообразно разделить полупроводники, используемые при измерении низких температур, на материалы, обладающие отрицательным ТКС,- термисторы; материалы, обладающие положительным ТКС,- позисторы. Все полупроводниковые ТС имеют сравнительно небольшой срок применения, поэтому они не вошли в номенклатуру приборов, используемых в метрологии.

При измерении низких температур вблизи О К наиболее часто используются германий и кремний, обладающие термисторной чувствительностью (см. рис. 8.1, кривая 2). С уменьшением температуры растет не только само сопротивление, ко и производная - коэффициент сопротивления. ConiJo-тивление чистых германия и кремния увеличивается настолько интенсивно.

Таблица 8.6. Основные характеристики ТС, серийно выпускаемых

8.12

8.13 8.14

8.15

8.16

8.17 8.18 8.19

СССР

теп-0879

ТСМ-0879 теп-0879

ТСМ-0879 ТеП-0879

ТСМ-0879 теп-0879

ТСМ-0879 ТеП-0879

ТСМ-0879 теп-0879

ТСМ-0879 теп-0879

ТСП-8040П

50П; ЮОП 50П: ЮОП

50М; ЮОМ 50П; ЮОП 50П; ЮОП 50М; ЮОМ 50П; ЮОП 50П; ЮОП

50М; ЮОМ 50П; ЮОП 50П; ЮОП

50М; ЮОМ 50П; ЮОП 50П; ЮОП

50М; ЮОМ 50П; ЮОП

50М: ЮОМ ЮОП

50П; ЮОП

-260...+600

-50...+200 -260...+600

-50...+200 -260...+600

-50...+ 200 -260. +600

-50...+200 -260,.,+600

-50,.,+200 -50...+250

-50...+200 -50...+60

-200...+500 -50...+300 -50..,+150

Материал защитной арматуры (диаметр X X толщина стенки, мм)

Условное давление, МПа (ГОСТ 356-80)

Д\лтериал соединительной ГОЛОВИН, штуцер

Сталь 08X13; 12Х18НЮТ; Х23Ю5; 10X1

(ГОСТ 9941-81) То же

Сталь 08Х13; 012XI8H10T; Х23Ю5; 10Х 1

(ГОСТ 9941-81) То же

Защитная гильза из стали 08X13; 12Х18Н10Т; 16X2

(ГОСТ 9941-81) То же

Защитная гильза из стали 08X13; 12XI8H10T; коническая (ГОСТ 5949-75) То же

Сталь 08X13;

12Х18Н10Т;

8X0,8

(ГОСТ 9941-81) То же

Сталь 12X18HI0T; 6X0,5

(ГОСТ 9941-81)

Сталь 08Х18Н10Т 10X2

(ГОСТ 9941-81) Сплав ЗМ; 10X2

(ТУ 1-5-021-72)

Бр-АЖНМц

9-1-4-1

0,4 6,4

6,4 6,4

6,4 25

25 50

50 0,4

16 10

Пластмасса; щтуцер с резьбой М27Х1,5 под кабель с dmax= 16 мм

То же

Пластмасса; штуцер с резьбой М27Х1,5 под кабель с dax = ,6 мм

То же

Без соединительной головки, со специальной заделкой трехпроводного кабеля длиной до 5 м То же

Без соединительной головки, со специальной заделкой четырехпро-водного кабеля длиной до 15 м

Сталь; штуцер с резьбой М20Х1,5, под кабель с rfmax = 16 мм Cfaflb; 2 штуцера с резьбой М20Х1,5 под ка-

<40

<40 <40

<40

<С20

<20 СбО

<60 <40

<40 <20

20 <15