Требования к исходному материалу.

 

В соответствии с рекомендациями Положения о международной температурной шкале при изготовлении наиболее точных платиновых термометров сопротивления необходимо обеспечивать следующие условия:

1. Платиновая проволока термометра должна быть по возможности свободна от натяжений во все время изготовления, хранения и работы термометра.

2. Наиболее подходящей для изготовления термометров является платиновая проволока диаметром от 0,05 до 0,5 мм.

3. В области, где имеется градиент температур, платиновые термометры сопротивления должны иметь золотые подводящие провода, соединяемые с проволокой термометра короткими платиновыми отрезками.

4. Проволока собранного термометра сопротивления должна быть отожжена в воздухе при температуре не ниже 450 С. При использовании термометра для измерения более высоких температур его проволоку отжигают при температуре более высокой, чем та, при которой она будет иметь применение. Критерием хорошего отжига термометра является постоянство его сопротивления в одной из температурных точек после длительной работы в области переменных температур.

5. Защитный чехол термометра по возможности следует заполнить газом, содержащим немного кислорода (присутствие кислорода необходимо для предотвращения возможных реакций восстановления платины).

6. Наряду с основным требованием к качеству платины термометра - выполнение соотношения

 

(20.2)

 

полезным критерием является условие

 

, (20.3)

 

где R₀, R₁₀₀ и R_444.6 - сопротивление термометра соответственно в точке таяния льда, кипения воды и кипения серы.

При соблюдении условия (20.3) можно говорить о правильности устройства термометра и об отсутствии ошибок градуировки его при постоянных точках.

В соответствии с этими рекомендациями Положения о международной температурной шкале и накопленным многолетним опытом работы с платиновыми термометрами сопротивления изготовляют термометры для работы в весьма широком интервале температур: от температур в области жидкого кислорода (в отдельных случаях вплоть до температур в области жидкого водорода) до температуры 1100 С.

 

Конструкции термометров.

 

Для изготовления эталонных термометров, к которым должны приближаться точные термометры сопротивления для теплофизических исследований, применяют специально очищенную платину «Экстра». В спектре такой платины должны отсутствовать линии иридия, палладия и железа, а все другие примеси составлять не более 2 10^-2%. Полученную платину протягивают через фильеры до необходимого диаметра; после прохождения через каждый фильер она должна промываться сначала в кипящей азотной кислоте, а затем в дистиллированной воде.

Качество полученной платины должно соответствовать условиям о международной температурной шкале. Платиновый термометр сопротивления изготовляется из платиновой проволоки, изредка из ленты, наматываемой на каркас из слюды, фарфора, кварца, стекла.

 

Рис. 20.2. Термометр сопротивления, смонтированный на слюдяном кресте, и элементы, из которых слагается слюдяной крест.

 

Метод изготовления термометров, обеспечивающий высокую их воспроизводимость, состоит в том, что отожженная платиновая проволока, помещенная в защитную оболочку при соблюдении максимальных предосторожностей против возникновения малейших механических напряжений, подвергается в таком виде повторному отжигу. Первый этап изготовления любого из трех успешно используемых типов платиновых термометров состоит в том, что тонкая платиновая проволока диаметром 0,125-0,25 мм навивается в виде спирали с общим сопротивлением примерно 25, 50 или 100 ом при комнатной температуре.

Далее используется один из следующих трех приемов:

а) эта проволочная спираль (точнее, геликоид) свободно подвешивается в U-образной трубке из пирекса;

б) спираль укладывается бифилярно на противоположные стороны скрученной ленточки из плавленого кварца (русский метод);

в) спираль бифилярно навивается во второй геликоид большего размера, который свободно поддерживается посредством креста из слюдяных пластинок с зубцами на краях. После этого термометр, снабженный четырьмя подводящими проводами, герметически уплотняется в защитной оболочке из плавленого кварца, пирекса или платины. При этом в защитной оболочке создается небольшое давление гелия 13-20 кПа.

 

Рис. 20.3. Термометр сопротивления, смонтированный на слюдяном кресте в защитной оболочке.

 

Из большого числа предложенных конструкций одной из лучших является термометр с биспиральной нитью на геликоидальном кварцевом каркасе, эта конструкция используется также для эталонных термометров в СССР (рис. 20.4). Чувствительный элемент 1 представляет собой две спирали из платиновой проволоки диаметром 0,050 мм, уложенные по обе стороны каркаса 2 в виде закрученной пластины из кварца. Концы спиралей припаяны к платиновым проводам, вваренным в бусы 3 и 4. Провода в одних бусах соединены между собой, а к концам проводов в других бусах припаяны платиновые проволоки, выходящие за пределы гильзы 5. После монтажа чувствительного элемента гильза откачивается вакуум-насосом, заполняется гелием при давлении 13-20 кПа и герметически запаивается.

В некоторых случаях для уменьшения габаритов и массы термометра его изготавливают без наружной оболочки. Чувствительный элемент навивают из предварительно отожженной платиновой проволоки на платиновом же керне, покрытом изолирующей пленкой клея БФ-4, который используется также для изоляции всего термометра. Теплоемкость такого чисто металлического термометра быстро убывает с температурой и определяется в основном теплоемкостью защитной оболочки из клея. Миниатюризация термометра достигается также путем свободной укладки спиралей в кварцевом капилляре размером 30х2х1 мм без каркаса. Такой термометр характеризуется малой инерционностью - константа запаздывания показаний не превышает 0,4 с.

 

Рис. 20.4. Термометр на скрученной ленточке из плавленого кварца (русский метод).

 

Расчет температуры.

 

В диапазоне температур от тройной точки равновесного водорода (13,8033 К) до точки затвердевания серебра (961,78 С) температура T определяется платиновым термометром сопротивления, градуированным в установленных группах реперных точек.

Для интерполяции используются стандартные функции и функции отклонения. Температура определяется с помощью отношения сопротивления термометра R (T) при температуре T к его сопротивлению R (273.16K) в тройной точке воды.

 

(20.4)

 

Температуру T вычисляют исходя из соответствующих стандартных функций W (T) и отклонений, учитывающих индивидуальные свойства каждого конкретного термометра и отклонения его функции преобразования от W (T). В реперных точках значения этого отклонения получают непосредственно при градуировке термометра, а при промежуточных температурах - из соответствующих функций отклонения.

В области от 13.8033 К до 273.16 К установлена следующая стандартная функция:

 

(20.5)

 

Для диапазона от 0 до 961.78 С установлена следующая стандартная функция:

 

(20.6)

В диапазоне температур от 0 до 961.78 С функция отклонения имеет вид:

 

(20.7)

 

На практике для расчета температуры часто пользуются специальными стандартными таблицами W (T) и таблицами поправок для данного термометра. Таблицы поправок всегда прилагаются к паспорту термометра.