Контроль характеристик термоперетворювачів опору (стр. 2 из 2)

3.Огляд сучасних термоперетворювачів

Нині існує багато засобів термометрії, які частково можуть задовольнити поставлені вимоги. Нас цікавлять термоперетворювачі для вимірювання температури в агресивних середовищах. Виконано огляд продукції різних фірм. У таблиці наведені найтиповіші термоперетворювачі.

Термоперетворювачі не повністю задовольняють наші умови за точністю, інерційністю.

Таблиця 2 Класифікація термоперетворювачів для вимірювання температури в агресивних середовищах

Тип термоперетво-рювача	Призначення	Температура,°С		НСХ		Класдопуску		Тепло-інерційність, с		Матеріалзахисноїарматури
Термоперетворювачі опору платинові (ТОП) і мідні (ТОМ)
ТОП 0505	Агресивні середовища,зокрема кислоти і лугирізних концентрацій.	0…+150	100П,2х100П		В		30		Скло БК8
ТОП 0604	Рідкі і газоподібнісередовища, в яких можеміститися аміак,вуглекислий газ і йогокомпоненти, а такожагресивні домішкисірководню.	-50…+150	100П		В		8,9,20		12Х18Н10Т,10Х17Н13М2Т,08Х13
ТОП 9307	Рідкі і газоподібнісередовища в хімічній ігазовій промисловості такріогенній техніці	-220…+500	50П, 100П		А,В		8		12Х18Н10Т
ТОП 9418	Рідкі і газоподібні середо-вища у вибухонебезпечнихзонах, в яких може місти-тися аміак, вуглекислий газі його компоненти, а такожагресивні домішкисірководню.	-200…+500	50П,100П		В		8,9,20		12Х18Н10Т,10Х17Н13М2Т
ТОМ 9418		-500…+150	50М,100М				20		12Х18Н10Т,10Х17Н13М2Т,08X13
ТОП 188 - 10	Системи автоматичногоконтролю і регулюваннятемператури на об’єктахенергетики, нафтової,газової промисловості	-50…+500	50П,100П		В,С		20		12Х18Н10Т
ТОМ 188 - 10		-50…+150	50М,100М
ТОП 101, 102,103	Рідкі і газоподібні, хімічнонеагресивні та агресивнісередовища, які неруйнують матеріалузахисного чохла.	-50…+500	Pt100,Pt500		А, В,С		30		12Х18Н10Т,10Х17Н13М2Т
ТОМ 101,102, 103		-50…+180	50М,100М		А, В,С

Як правило, чутливий елемент термоперетворювача захищають чохлом. Захисний чохол виготовляють з неіржавіючих сталей, високотемпературної кераміки. Можливі випадки, коли герметичність такого чохла може зменшитися і агент середовища проникає до самого чутливого елемента. Зростає інерційність термоперетворювача за рахунок використання захисних чохлів. Також чохли мають високу вартість. Отже, перш ніж захищати ззовні, треба подбати про стабільність самого чутливого елемента. У разі дії корозії на матеріал провідника його опір змінюється (збільшується). Це випливає з відомої залежності:

R= l/S

де R – електричний опір провідника; с – питомий опір провідника; l – довжина провідника; S – площа поперечного перерізу. А оскільки

S= d^2/4

де d – діаметр провідника, то

Відомо, що в електрорезистивних термоперетворювачах про зміну температури дізнаємося через зміну опору, і очевидний вплив агресивного середовища, який вносить додаткову похибку, що проявляється через відхилення від номінальної статичної характеристики перетворення. На рис. 1 наведено для прикладу додаткову температурну похибку, спричинену корозією матеріалу чутливого елемента мідного термоперетворювача опору. Сьогодні термометри опору з платиновими чутливими елементами вважають найкращими приладами для вимірювання температури. Проте платина має властивості, які нас не задовольняють:

– є дуже активним каталізатором хімічних процесів, які відбуваються з виділенням значної кількості тепла на поверхню, що призводить до додаткової похибки ( + Дt );

– висока вартість, дефіцитний матеріал.

Безконтактна термометрія, хоч і не потребує безпосереднього контакту з об’єктом вимірювання, але не забезпечує високої точності, оскільки коефіцієнт випромінювальної здатності об’єкта є невідомим (залежить від довжини хвилі та температури, а також від стану поверхні тіла).

Тому необхідно почати з аналізу, вдосконалення матеріалу чутливого елемента термоперетворювача.

4. Вплив агресивного середовища на матеріал

Розглянемо докладніше корозійні явища, які відбуваються в матеріалах термоперетворювачів. Середовище, яке викликає хімічне руйнування металів, називають агресивним. Приклади агресивних середовищ – це різноманітні кислоти (соляна, сірчана, азотна, фосфорна), луги, солі, основи, гази, пари. Вплив агресивного середовища спричиняє корозію.

Корозією називають руйнування речовин внаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії з довкіллям. Корозію металів, перебіг якої відбувається під дією окисників-неелектролітів, називають хімічною корозією. Якщо ж корозія відбувається під дією електроліту або прикладеної різниці електричних потенціалів, то її називають електрохімічною корозією.

Внаслідок хімічної корозії метал вкривається шаром продуктів окиснення — найчастіше плівкою оксиду або гідроксиду.

Наприклад, алюміній в сухому повітрі швидко вкривається тонкою, проте дуже щільною оксидною плівкою, після чого окиснення алюмінію практично припиняється. Оксидна плівка на поверхні заліза (FeO або Fe3O4) не є суцільною й тому не запобігає подальшій корозії заліза.

Корозія проходить тим інтенсивніше, чим агресивніше середовище і значно зростає з підвищенням температури. Хімічна активність газів і швидкість газової корозії металів сильно підвищується при температурах, вищих за 200 – 300 °С.

Отже, є проблема: прецизійне вимірювання температури в агресивних середовищах. Як уже було сказано вище, платина не вирішує всіх проблем. Огляд літературних джерел показав, що перспективними матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів можуть бути металеві аморфні стопи (МАС).

5. Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів

Аморфний стан (від грецького amorphous – безформенний) – стан твердої речовини, в якому, навідміну від кристалічного стану, частинки (атоми, іони,

молекули) розміщені безладно і речовина ізотропна, тобто має однакові фізичні властивості в усіх напрямках. Для аморфного стану характерний так званийближній порядок, який зумовлюється взаємодієючастинок на близьких віддалях. Найважливішими характеристиками ближнього порядку є кількість найближчих сусідів і тип найближчих сусідів, а такожпросторове розташування частинок в околі конкретного атома. Зі збільшенням віддалей закономірності у розміщенні частинок зникають. Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних матеріалах спостерігається нечіткий порядок в розташуванні їх частинок. Різниця між аморфним і склоподібним станами полягає в тому, що у склі існує зворотний перехід від склоподібного стану в розтоп і з розтопу в склоподібний стан. Ця властивість характерна тільки для скла. В інших типах аморфних станівпід час нагрівання відбувається перехід матеріїспочатку в кристалічний стан, а тільки потім у разіпідвищення температури до температури топлення – врідкий стан. У склоутворюючих розтопах поступове зростання в’язкості розтопу перешкоджає кристалізації матеріалу, тобто переходу в термодинамічний стійкіший стан з меншою вільною енергією.

В аморфному стані при кімнатній температурі питомий електроопір МАС становить близько 50 – 200 мкОм.см, а в кристалічному – зменшується в 3–4 рази. Під час поліморфноїкристалізації спостерігається різке зменшення електроопору з підвищенням температури. Вкристалічному стані питомий електроопір зростає з підвищенням температури. Поблизутемпературного інтервалу топленняелектроопір різко зростає і в рідкому стані (тут практично відсутні внутрішні напруження) лежить в області, що приблизно на 10 – 20 % нижче від відповідної екстраполяції експериментальних даних для аморфного стану.

Як показують літературні джерела, МАС володіють високою корозійною стійкістю і довговічністю, що характерно дляматеріалів з гомогенною структурою. Хімічна однорідність, відсутність лінійнихдефектів типу дислокацій вказують наможливість підвищеної корозійної стійкості. Були виконані попередні дослідження. Металічне скло, у складі якогоє Cr, проходило випробування у стандартних розчинах. Спостерігались дуженизькі, порівняно зі звичайними неіржавіючими сталями, швидкості корозії. Цеаморфне скло стійке до пітинговоїкорозії в сірчаних розчинах. Швидкість корозії аморфного стопу нижча. На відміну від аморфного зразка, у кристалічній неіржавіючій сталі в цих умовах виникала пітингова корозія.

Варто підкреслити, що феромагнетизм аморфних стопів зумовлений наявністю в них одного, двох або всіх трьох феромагнетних елементів: заліза, нікелю і кобальту. Подвійні феромагнетні стопи можна розділити на такі групи: стопи феромагнетних елементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt тощо; стопи феромагнетних елементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P тощо; стопи феромагнетних елементів з одним з рідкісноземельних елементів: Co-Sm, Ni-Nd тощо.

Металеві аморфні стопи є перспективними матеріалами для застосування в електро-термометрії, але потрібні додаткові дослідження, які повинні довести, що металеві аморфні стопи є справді найкращими матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів опору для вимірювання температури в агресивних середовищах.

Висновок

Використання аморфних матеріалів длявиготовлення чутливого елемента є одним із варіантіввирішення проблеми підвищення стабільності метрологічних характеристик. Аморфні матеріали майже не взаємодіють з матеріалами арматури, їхні електрофізичні властивості подібні до властивостей розтопів; механічні властивості кращі за властивості кристалічних зразків.

Застосування металевих аморфних матеріалів у термометрії дасть змогу мінімізувати термічно активовані внутрішні механічні напруження у термоелектродах та забезпечити високу відтворюваність електрофізичних параметрів останніх. Аморфні матеріали є перспективними для термометрії, тому доцільно дослідити електрофізичні властивості, зокрема ефект Холла, що дасть нам змогу отримати їх характеристики в магнетному полі, а саме: дослідити рухливість електронів, концентрацію носіїв заряду, поведінку матеріалу під впливом магнетних полів, критичні точки, в яких матеріал переходить зодного стану в інший.