Термометры сопротивления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Медь и изготовляемые из нее термометры сопротивления

К достоинствам меди, как  материала, применяемого для изготовления чувствительных элементов технических  термометров сопротивления типа ТСМ, следует отнести дешевизну, простоту получения тонкой проволоки  в различной изоляции, возможность  получения проводниковой меди высокой  чистоты. Температурный коэффициент  электрического сопротивления проводниковой  меди лежит в пределах от 4,2•10-³  до 4,27•10-³ °С-¹.

Зависимость электрического сопротивления меди от температуры  в широком интервале температур подчиняется уравнению

Rt = R0(l +αt)

где Rt и R0 – сопротивления  данного образца меди (чувствительного  элемента медного термометра) соответственно при температуре t и 0°С; α – температурный  коэффициент электрического сопротивления, характерный для данного образца  медной проволоки, из которого изготовлен ЧЭ термометра.

Температурный коэффициент  сопротивления α определяют из значений сопротивлений R0 и Rt чувствительного  элемента медного термометра, измеренных соответственно при точке таяния льда и температуре кипения воды. Медная проволока, применяемая для  изготовления чувствительных элементов  медных термометров ТСМ, имеет температурный  коэффициент сопротивления α = 4,26•10-3 °С-1.

Линейный характер зависимости  сопротивления меди от температуры  является ее достоинством. К числу  недостатков меди следует отнести  малое удельное сопротивление (ρ=1,7•10-8Ом•м) и интенсивную окисляемость при  невысоких температурах. В атмосфере  инертных газов медь ведет себя устойчиво  при более высоких температурах. При установлении верхнего температурного предела применения медного термометра сопротивления необходимо учитывать, какой электрической изоляцией  покрыта медная проволока, из которой  изготовлен его чувствительный элемент. Термометры сопротивления с ЧЭ, изготовленными из медной проволоки диаметром 0,1 мм, изолированной эмалью, могут быть использованы для длительного измерения  температуры не выше 100°С, а из медной проволоки с кремнийорганической  или винифлексовой изоляцией  – до 180°С.

Медные термометры сопротивления  типа ТСМ могут применяться для  длительного измерения температуры  от –50 до 180°С. По точности они подразделяются на два класса (2 и 3). Номинальные значения сопротивления при 0°С (R0) для термометров типа ТСМ установлены равными 53 и 100 Ом, которым присвоено обозначение градуировки соответственно гр23 и гр24. Допускаемое отклонение сопротивления чувствительного элемента термометра R0 от номинального значения для обоих классов точности составляет ±0,1%. Отношение сопротивлений R100/R0 установлено равным 1,426±0,001 для термометров класса точности 2 и 1,426±0,002 – для термометров класса точности 3.

Из медной проволоки приборостроительная  промышленность изготовляет термометры сопротивления типа ТСМ только 3-го класса точности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Никель и изготовляемые из него термометры сопротивления

Основным достоинством никеля является то, что он обладает высоким  температурным коэффициентом электрического сопротивления (α = 6,66•10-3 °С-1) и большим  удельным сопротивлением (ρ≈12,8•10-8 Ом•м). К числу недостатков никеля следует  отнести значительную окисляемость при высоких температурах и большую  зависимость температурного коэффициента сопротивления от степени чистоты  металла. Зависимость сопротивления  никеля от температуры имеет резко  нелинейную характеристику.

Вследствие указанных  выше причин термометры сопротивления  с ЧЭ из никелевой проволоки могут  быть использованы для измерения  температур не выше 180–200°С.

Для изготовления ЧЭ никелевых  термометров сопротивления для  температур от –10 до +180°С может быть использована проволока из никеля марки  НПО. Электрическое сопротивление  термометра с ЧЭ из этой марки никеля в интервале температур –10 ≤ t ≤ 180°С может быть вычислено по формуле

Rt = R0(1+At+Bt²)

где Rt, R0 — сопротивление  чувствительного элемента термометра соответственно при температуре t и 0°С, Ом;

A = 5,86•10-3°С-1; В = 8•10-6°С-2.

Отношение сопротивлений R100/R0 ЧЭ термометра должно находиться в  пределах 1,664 – 1,668. Максимальное отклонение значения сопротивления чувствительного  элемента термометра при температуре t не должно превышать, Ом:

∆R = ±(0,3+8,0•10-3)(R100 – R0)100-1.

При этом отклонение сопротивления  чувствительного элемента термометра при 0°С от его номинального значения (например, R0 = 100 Ом) должно быть ±0,3(R100 – R0) 100-1 Ом.

 

 

 

 

6. Устройство платиновых и медных термометров сопротивления

 Опыт эксплуатации  термометров сопротивления показывает, что надежная их работа в  наибольшей степени определяется  механической прочностью конструкции,  степенью герметичности и качеством  изготовления чувствительного элемента.

При изготовлении ЧЭ медных термометров сопротивления, обладающих достаточной надежностью и механической прочностью, не встречается затруднений.

При создании же ЧЭ платиновых термометров сопротивления приходится встречаться с рядом трудностей. Материал, выбираемый для изготовления их каркаса, должен обладать высокими электрическими изоляционными свойствами, хорошей теплопроводностью и  механической прочностью. Кроме того, материал каркаса не должен оказывать  вредного влияния на платину. Коэффициент  линейного расширения материала  каркаса должен быть близким коэффициенту линейного расширения платины. Для  изготовления каркасов чувствительных элементов платиновых термометров  сопротивления применяют слюду, плавленый кварц, специальную керамику и другие материалы.

Слюда пригодна для платиновых термометров с верхним пределом их применения до 500 – 650°С. При температуре выше 700°C слюда разбухает, становится хрупкой, а при более высокой температуре из нее выделяется связанная кристаллизационная вода. Кроме того, слюда при температуре около 800°C становится опасной для платины из-за восстановительного действия кремнезема. В силу указанных обстоятельств платиновые термометры с чувствительным элементом на слюдяном каркасе применяют в промышленных условиях до 400 – 500°С, а в лабораторной практике до 650°С.

Каркасы из кварца широко применяются, так как плавленый кварц химически  устойчив, обладает достаточной механической прочностью, высокими электрическими изоляционными свойствами. Он хорошо обрабатывается пламенем горелки с  кислородным дутьем. Кварцевые каркасы  изготовляют различных форм, например цилиндрические, геликоидальные и других конструкций. Цилиндрические кварцевые  каркасы применяют главным образом  для изготовления чувствительных элементов  технических платиновых термометров  сопротивления. Кварцевые каркасы  геликоидальной формы применяют для изготовления эталонных, образцовых и повышенной точности платиновых термометров сопротивления.

Каркасы из специальной керамики, изготовляемой на основе окиси алюминия, применены в конструкциях ЧЭ технических  платиновых термометров сопротивления. Каркасы из такой керамики обладают высокой механической прочностью, хорошей  теплопроводностью и малой газопроницаемостью при температурах 750 – 1000°С. Кроме  того, эта керамика обладает высокими электрическими изоляционными свойствами.

Выводные проводники, соединяющие  ЧЭ платинового термометра с его  зажимами, в зависимости от назначения термометра и диапазона измеряемой температуры выполняют из меди (до 150°С), серебра (до 400°С), золота (до 700°С), платины или специального сплава. При выборе того или иного материала  для выводных проводников необходимо учитывать свойство платины реагировать  при высоких температурах со многими  веществами, находящимися вблизи и  особенно в непосредственном контакте с ней. Указанное обстоятельство необходимо также учитывать при  пайке выводных проводников к  концам платиновой обмотки ЧЭ.

Для термометров сопротивления  эталонных, образцовых и повышенной точности выводные проводники применяют  только из платиновой проволоки. При  этом к каждому концу платиновой обмотки чувствительного элемента припаивают по два платиновых выводных проводника, из которых два называют токовыми, а два других потенциальными. Наличие четырех выводных проводников  дает возможность использовать компенсационный  метод измерения сопротивления  термометра, который позволяет полностью  исключить влияние выводных и  соединительных проводников на результаты измерения.

Технические термометры сопротивления  выпускаются с двумя и четырьмя выводными проводниками, соединяющими ЧЭ термометра с его зажимами. Сопротивление  выводных проводников термометров  с двумя выводными проводниками при температуре 0°С не должно превышать  у платиновых термометров 0,1%, а у  медных термометров 0,2% номинальных  значений сопротивлений при 0°С.

Чувствительные элементы термометров сопротивления обычно изготовляются с безындукционной  намоткой, например бифилярной или  сходной с ней по эффекту снижения индуктивности. В этом случае термометры сопротивления могут работать в комплекте с измерительными приборами, питаемыми как постоянным, так и переменным током.

На рис. схематично показан платиновый термометр сопротивления П.Г. Стрелкова.

Рис. Схема устройства платинового термометра сопротивления П.Г. Стрелкова. 1 – каркас, 2 – платиновая спираль, 3 – выводы, 4 – оболочка.

У этого термометра каркас, имеющий геликоидальную форму, изготовлен из плавленого кварца. ЧЭ имеет бифилярную обмотку из платиновой проволоки  диаметром 0,05—0,1 мм, свернутой в  спираль. Снизу петля платиновой спирали закреплена в каркасе. К  верхним концам спирали, закрепленным в каркасе, приварены по два выводных проводника из платиновой проволоки  диаметром 0,3 мм. ЧЭ помещен в защитную оболочку (гильзу), для изготовления которой применяют плавленый  кварц, металл или стекло в зависимости  от назначения термометра. Обычно гильза термометра герметична и заполнена  сухим гелием, азотом или воздухом при давлении около 0,2 кгс/см² (0,02 МПа) в зависимости от назначения и  области измеряемых температур. Диаметр d гильзы равен 5 – 6 мм, а длина ЧЭ L = 50÷100 мм. Для низких температур обычно применяют короткие платиновые термометры.

Платиновые термометры сопротивления  П. Г. Стрелкова применяют в качестве эталонных, образцовых 1-го и 2-го разрядов и лабораторных (повышенной точности).

Технические термометры сопротивления, предназначенные для измерения  температур в промышленных условиях, выпускаются различных типов. Конструкцию  защитной гильзы и монтаж в ней  чувствительного элемента термометра выполняют в зависимости от условий  его применения, свойства и параметров среды, температура которой должна измеряться термометром.

 

Рис.Чувствительные элементы платиновых термометров сопротивления на керамическом каркасе с двумя (а) и четырьмя каналами (б).

Чувствительный элемент  на керамическом каркасе (рис.) состоит из двух или четырех соединенных последовательно платиновых спиралей 1. К двум верхним концам этих спиралей припаяны короткие платиновые выводы 2 или выводы из сплава иридия с родием (60% родия), к которым привариваются необходимой длины выводные проводники и на них надеваются бусы из керамики. Платиновые спирали помещены в каналы керамического каркаса 4. Крепление платиновых спиралей и выводов в каркасе осуществляется глазурью (или термоцементом) 3, изготовляемой на основе окисей алюминия и кремния. Коэффициент линейного расширения глазури близок к коэффициентам линейного расширения материала выводов и каркаса. Электрическое сопротивление глазури при 500–700°С составляет около 0,5–1 МОм. Подгонка номинального сопротивления ЧЭ R0 при 0°C осуществляется постепенным уменьшением длины нижних концов двух платиновых спиралей с последующей пайкой в точке 5 (рис а).

Пространство между платиновыми  спиралями и стенками каналов  каркаса заполнено порошком окиси  алюминия, который исключает возможность  закорачивания витков спиралей и  улучшает тепловой контакт между  ними и каркасом.

В четырехканальном каркасе  могут быть смонтированы два независимых  чувствительных элемента.

Рассмотренная конструкция  платиновых термометров сопротивления  на керамическом каркасе имеет ряд  преимуществ по сравнению с другими  типами. В этой конструкции достигнута достаточно хорошая герметичность  при незначительном в платине механическом напряжении. ЧЭ имеет небольшие габариты и обладает высокой механической прочностью.

Для повышения верхнего предела  измерения температуры до 1000°С и  выше разработаны возможные варианты конструкций технических малоомных  термометров сопротивления с  ЧЭ из платиновой проволоки диаметром  от 0,2 до 0,5 мм.

Для измерения низких температур в криогенной технике выпускаются  платиновые термометры сопротивления  повышенной точности, например типа ТСП-4054 на четырехканальном керамическом каркасе. В процессе изготовления ЧЭ из каналов  керамического каркаса откачивается воздух, а затем они наполняются  гелием. Изготовленный ЧЭ вставляют  в защитную металлическую гильзу, герметизация которой со стороны  выводов осуществлена с помощью  втулки из вакуумно-плотной керамики. Из этой гильзы также откачивается воздух, и она заполняется гелием под небольшим давлением. При  таком выполнении термометра обеспечивается хорошая теплоотдача от среды, температура  которой измеряется. Термометр ТСП-4054 обладает малой инерционностью (показатель тепловой инерции ε∞ ≈ 2 с). При измерении  температуры от 20°С до точки кипения  азота или воздуха погрешность  термометра не превышает ±0,01°С.

Чувствительный элемент  платиновых термометров сопротивления  типа ТСП-236 и ТСП-246, предназначенных  для измерения температуры подшипников  в интервале от 0 до 100°С (гр21), выполняют  в виде спирали из платиновой проволоки  диаметром 0,05 мм (ТСП-236) и 0,07 мм (ТСП-246). Платиновая спираль, изолированная  с двух сторон фторопластовыми прокладками  и приклееная к каркасу, помещена на дно медной гильзы. Медная гильза вставлена в защитную арматуру из стали 20, на конце которой укреплена  малогабаритная головка. Дно медной гильзы припаяно к краям нижней части  стальной арматуры. Медные выводы изолированы  между собой и от стенки защитной арматуры фарфоровыми изоляторами. Свободные концы выводов подведены  к зажимам контактной колодки, находящейся  в корпусе головки. На объекте  термометр сопротивления крепится с помощью накидной гайки и  резиновых прокладок, обеспечивающих плотное прижатие дна медной гильзы к поверхности подшипника.