Эталонный термометр сопротивления

Эталонный платиновый термометр сопротивления должен быть сконструирован и изготовлен таким образом, чтобы четырехпроводный чувствительный элемент был как можно свободнее от натяжений и оставался таким во время работы. Чувствительные элементы эталонных термометров изготовляют из платиновой проволоки постоянного диаметра от 0,05 до 0,5 мм, причем короткий участок каждого вывода, примыкающего к спирали, делают из платины.

Значение R (0°С) термометра обычно составляет 25 Ом, а сила измерительного тока такого термометра обычно равна 1 или 2 мА. Детали термометра, находящиеся в непосредственной близости к чувствительному элементу, изготовляют из чистых материалов, не реагирующих с платиной.

Во время изготовления термометра рекомендуется, чтобы его гильза была вакуумирована при нагреве примерно до 450°С, затем заполнена сухим газом и герметически запаяна. Желательно, чтобы в газе, заполняющем термометр, присутствовал кислород: он создаст для остатков примесей в платине окислительную среду. По окончании изготовления чувствительный элемент следует стабилизировать нагреванием при температуре превышающей максимальную, на которую он рассчитан, и во всяком случае не ниже 450°С.

Сопротивление изоляции каркаса и крепежных деталей должно быть достаточно высоким во избежание значительного шунтирования сопротивления термометра. Например, должны быть приняты меры предосторожности, чтобы избежать конденсации водяных паров в пространстве между выводами при работе термометра в условиях низких температур, а также, чтобы избежать возможных утечек в самих изоляционных материалах, используемых в термометре при высоких температурах.

В качестве изоляционных материалов применяют слюду, кварц и окись алюминия, которые обычно обеспечивают необходимую изоляцию вплоть до t = 500°C. Однако, когда температура приближается к 630°С, условия становятся более трудными и могут легко возникать ошибки порядка 1 мК или больше. В случае применения слюды создается дополнительная трудность, так как, если слюду нагревать до температуры выше 450°С, может образоваться значительное количество воды. Воду необходимо периодически устранять откачкой или осушением, иначе изоляция чувствительного элемента будет быстро ухудшаться.

Чтобы обеспечить необходимую стабильность сопротивления эталонного платинового термометра и температурного коэффициента его сопротивления, чувствительный элемент следует сохранять как можно дольше в отожженном состоянии. Изменение сопротивления термометра может возникнуть как из-за наклепа, вызываемого обычным обращением с термометром, так и из-за быстрого охлаждения, если термометр быстро перенести из среды с температурой выше 500°С в среду комнатной температуры. В последнем, случае сопротивление термометра возрастает из-за вызванных мгновенным охлаждением неравновесных концентраций дефектов кристаллической решетки и сохраняется таким до тех пор, пока термометр остается при температуре ниже 200°С. Большую часть сопротивления, возникающего из-за наклепа, и сопротивление, вызываемое мгновенным охлаждением, можно устранить отжигом при температуре 500°С за 30 мин.

Значительные ошибки могут быть вызваны радиационными потерями из-за полного внутреннего отражения в конструкционных деталях термометра, особенно если они из кварца. Такие потери в гильзе, а не во внутренних деталях, можно предотвратить чернением внутренней поверхности гильзы (например, суспензией коллоидного графита) или обработкой поверхности гильзы песком, что сделает ее матовой.

Глубину погружения термометра, обеспечивающую устранение погрешности из-за теплопередачи, устанавливают испытаниями. Для этого достаточно убедиться в том, что наблюдаемый температурный градиент при воспроизведении точки затвердевания металла соответствует температурному градиенту, ожидаемому в этой точке из-за гидростатического давления в соответствии с табл. 1. настоящего приложения

Для температур ниже 90 К обычно используют короткий платиновый термометр сопротивления диаметром не более 5 мм и длиной не более 60 мм, который может быть целиком погружен в среду с однородной температурой. Теплопередачи по проводам в этом случае избегают, прикрепив их к подходящему охранному кольцу. Чтобы получить хороший тепловой контакт между чувствительным элементом и окружающей средой, этот элемент помещают в тонкостенную (толщина стенки ~ 0,25 мм) гильзу обычно из платины, наполненную гелием.

Полезным критериев эффективности отжига и стабильности термометра является постоянство его сопротивления при температуре реперной точки, Для этой цели обычно используют тройную точку воды (273,16 К) и точку кипения гелия (4,215 К). Первая удобна для большинства высокотемпературных термометров, а вторая не только легко реализуется для термометров, встроенных в криогенную аппаратуру, но и имеет дополнительное преимущество – относительно малую чувствительность к изменениям температуры. Практикой установлено, что изменение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 4∙10-6 R(0°C) (эквивалентно ~ 1 мК при температуре выше 40 К) для серийных высокотемпературных термометров и 5∙10-7R (0°С) для самых лучших термометров при условии крайне осторожного обращения с ними. Для термометров, используемых только при температурах до 100°С или ниже, изменение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 5∙10-7 R(0°С),

Небольшое повышение температуры термометров, вызванное измерительным током, может быть определено измерениями его сопротивления при двух значениях силы тока.