Материал: Методы измерения температуры в нефтегазовом оборудовании. Булыгин Ю.А., Скуфинский А.И
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
Рисунок 5. Зависимость ТКС платины, олова, индия от температуры.
3.2.8 ТС из других металлов
Кроме платины и меди в качестве материала для чувствительного элемента ТС применяют никель, железо, вольфрам, свинец, индий, олово, кадмий, ртуть, галлий.
3.2.8.1 Никелевые ТС. Преимущества никеля перед медью— высокие ТКС ( = 6,4•10-3) и удельное сопротивление ( = 12,8•108 Ом•м), недостаток — большое влияние загрязнений на ТКС. Сопротивление никелевых ТС, предназначенных для измерения температур в диапазоне от 0 до 200°С, описывается таким же уравнением, как и для платиновых ТС (α = 5.43•10-3 К-1, β == 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,
38
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