8.2. Тс с чувствительными элементами из других материалов

В случаях, когда не требуется высокая точность измерения, например для технических целей, чувствительные элементы ТС изготовляются из дешевых чистых металлов. 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•10^-8 Ом•м). В диапазоне температур — 50...200 °С зависимость сопротивления меди от температуры линейная: Rt{ = R₀ (1 + at).

Согласно ГОСТ 6651—84 медные ТС применяются для длительного из­мерения температуры в диапазоне —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 О °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 безындуктивную 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 бескаркасным чувствительным элементом за счет изменения R0 и W100 после 50000 ч работы при 160 °С составляет 1 %. Измерительный ток, протекающий по чувствительному элементу серийно выпускаемого термопреобразователя ТСМ-0879, равен 15 мА на 1 К. Сопротивление чув­ствительного элемента медного ТС

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 (a = 6,4 • 10-³) и удельное сопротивление (р = 12,8 • 10-⁸ Ом • м), недостаток — большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление ни­келевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне О...200 °С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС (Л = 5,43 • 10-³ К-1 В = 7,85 • 10-⁶ К-²). 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 путем 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 (А = 6,5 • 10-3K-1¹).

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

Свинцовые и индиевые ТС хорошо зарекомендовали себя при измерении низких температур. При температуре ниже 50 К их ТКС (рис, 8.6) заметно больше, чем у платины, и они эффективно работают вплоть до перехода в сверхпроводящее состояние (Pb — 7,2 К, In — 3,4 К). 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 • 10-³ K~ ^!.

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 • 10-⁴ 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 градиуровки. Как большинство ТС из сплавов, они также чувствительны к влиянию магнитных полей.