Чувствительный элемент термометра сопротивления

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в областях, где необходимо измерение низких температур. Чувствительный элемент термометра сопротивления для измерения низких температур выполнен из сплава никеля и марганца, взятых в определенных весовых соотношениях. Изобретение обеспечивает создание чувствительного элемента, имеющего малые размеры, из несложного в обработке сплава, а также расширение диапазона измерений в области низких температур. 2 ил.

 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в криогенной технике, криоэлектронике, криомедицине и других областях, где необходимо измерение низких температур.

Материалы, которые используют для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления, должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь большой и постоянный температурный коэффициент сопротивления в широком интервале температур dρ/dt;

- иметь большое удельное сопротивление ρ;

- обладать удобными для изготовления механическими свойствами;

- сохранять воспроизводимость показаний в течение длительного времени;

- технология получения материала должна быть достаточно простой.

Известны чувствительные элементы термометров сопротивления из меди и никеля, ГОСТ 6651-94 "Термопреобразователи сопротивления. Общие требования и методы испытаний, стр.4-6".

Недостатками данных технических решений является то, что медь и никель имеют узкий рабочий интервал в сторону низких температур и небольшое удельное сопротивление, поэтому имеют ограниченное применение при низких температурах. Кроме того, медь обладает большой поверхностной активностью, легко окисляется, вследствие чего меняет свои метрологические характеристики и требует частых уточнений градуировки.

Известны чувствительные элементы термометров сопротивления из платины, патент США №3845443 от 29 октября 1974 г., патент США №4906965 от 6 марта 1990 г., которые выполнены, один в виде тонкопленочного напыления на подложку, преимущественно на керамическую или на полированную сапфировую пластину, и загерметизированный тонким слоем стекла от возможных повреждений и влияний атмосферных загрязнений, другой - в виде многослойной намотки подложки с укрепленной на ней платиновой проволокой на жесткий сердечник.

Недостатками данных технических решений является то, что у платины интервал рабочих температур составляет 13,81-273 К, причем ниже 30 К ее чувствительность уменьшается. Кроме того, платина имеет сравнительно небольшое удельное сопротивление, поэтому проволочные термометры имеют большие размеры, что неудобно в практическом применении.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является термометр сопротивления, у которого чувствительный элемент выполнен из сплава родий - железо (Rh+0,05_at% Fe), при содержании железа в сплаве 0,05_at%, М.П.Орлова, О.Ф.Погорелова, С.А.Улыбин "Низкотемпературная термометрия", М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр.129-134, при этом чувствительный элемент может быть или в виде термометрической проволоки, намотанной на геликоид из плавленного кварца, или микропровода в стеклянной изоляции, протянутого в атмосфере инертного газа. Достоинствами данного сплава является широкий интервал рабочих температур 4,2-300 К, большое удельное сопротивление, которое не уменьшается до 1,5 К, высокая воспроизводимость измерений - 0,1 мК, долговременная стабильность - ±0,1 мК/год. Метрологические характеристики проволочных образцов и образцов из литого микропровода одинаковы.

Основным недостатком данного технического решения является большой размер чувствительного элемента термометра сопротивления при изготовлении, так у проволочного диаметр равен 5 мм, длина - 50 мм, из литого микропровода диаметр - 2,6 мм, длина - 12 мм, а также сложность изготовления проволоки для чувствительного элемента.

Технической задачей заявляемого технического решения является создание чувствительного элемента из недорогого термометрического материала, несложного в обработке, обладающего достаточным удельным сопротивлением и температурным коэффициентом сопротивления, позволяющими расширить измерения в области низких температур и имеющего малые размеры.

Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент термометра сопротивления выполнен из сплава никель-марганец, где указанные компоненты взяты в следующих весовых соотношениях, %: никель - 90-80, марганец - 10-20, при этом определение температуры он позволяет производить в интервале 1,5-300 К, а погрешность при измерении составляет ±0,1 К.

Отметим, что заявляемый чувствительный элемент термометра сопротивления может быть использован как самостоятельный рабочий термометр, позволяющий производить измерения в широком интервале температур, либо вставлен в соответствующий корпус, причем размеры его значительно меньше, чем размеры прототипа, и сам сплав для чувствительного элемента достаточно прост в обработке, изготовлен из дешевых материалов, и метрологические характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к рабочим термометрам сопротивления.

На фиг.1 представлен общий вид чувствительного элемента термометра сопротивления, уложенного на подложку.

На фиг.2 показан график зависимости сопротивления от температуры в интервале 1,5-300 К.

Чувствительный элемент термометра сопротивления на фиг.1 содержит подложку 1, на которую уложена проволока 2 из сплава никель-марганец и две пары медных проводов 3.

На фиг.2 по оси абсцисс показано значение температуры в измеряемом интервале, по оси ординат отложено нормированное значение сопротивления образца при различных температурах R_T/R₀.

Смысл такой нормировки состоит в том, что позволяет исследовать характеристики образцов, различающихся по сопротивлению, и получать сведения о воспроизводимости характеристик между образцами, чтобы затем выполнять групповые градуировки чувствительных элементов.

Разработанный для чувствительного элемента термометра сопротивления сплав никель-марганец при весовых соотношениях, %, никеля - 90-80, марганца - 10-20, протягивают в проволоку диаметром 30 мкм, имеющую удельное сопротивление 27,46 мком.см и температурный коэффициент сопротивления 2.29·10^-3К^-1. Затем проволоку отжигают при температуре 900°С в атмосфере инертного газа, чтобы снять механические напряжения, возникшие при протягивании, и которые являются причиной нестабильной работы термометра сопротивления. Полученную проволоку наносят на бумажную подложку с базовыми размерами, например, 0,02 мм ×5 мм ×7 мм, в виде решетки, а к концам проволоки присоединяют две пары медных проводов диаметром 0,1 мм, для включения в измерительную цепь. Измерение осуществляется по четырехпроводной схеме. Определение зависимости сопротивления от температуры осуществляют в криостате, а также периодически контролируют величину сопротивления в реперных точках шкалы МТШ-90. Вычисление градуировочных кривых выполняется методом наименьших квадратов полиномом вида:

где - A_i - коэффициенты полученные при определении температуры в реперных точках;

R_T/R_О - отношение сопротивлений при температуре Т(К) и при температуре таяния льда (0°С);

R_T - сопротивление при температуре Т(К);

R_O - сопротивление в точке таяния льда.

Такое представление кривых, на фиг.2, позволяет использовать групповую градуировку, изучать воспроизводимость и стабильность термометров сопротивления.

Таким образом, применение заявляемого чувствительного элемента термометра сопротивления, выполненного из сплава никель-марганец, позволяет проводить измерения с высокой точностью, его метрологические характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к чувствительным элементам рабочих термометров сопротивления, чувствительный элемент сохраняет воспроизводимость показаний в течение длительного времени, имеет большое удельное электрическое сопротивление, обладает удобными для изготовления механическими свойствами, доступен в изготовлении.

Чувствительный элемент термометра сопротивления, преимущественно для измерения низких температур, выполненный из сплава металлов, отличающийся тем, что сплав состоит из никеля и марганца, взятых в следующих весовых соотношениях, %:

Никель - 90-80

Марганец - 10-20