|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 18 Диапазон измеряемых температур: от комнатной до температуры кипения жидкого гелия и ниже вплоть до сверхнизких температур; некоторые экспериментаторы считают возможным измерять этими термопарами температуры до 0,05 К. Термоэлектродвижущая сила сплавов золота и меди с ферромагнитными металлами железом и кобальтом при низких температурах необычно велика и достигает значений 10-15 мкВ/К при 2- 10 К (гигантская т.э.д.с, см. 2.3.2). В системах Au-Fe и Си-Fe наибольшую отрицательную т. э. д. с. в водородном и гелиевом диапазонах развивают сплавы, содержащие сотые и десятые доли процента железа (см. рнс. 2.6), в системе Au-Со - сплавы, содержащие десятые доли процента и проценты кобальта (см. рис. 2.7). Характер кривых температурной зависимости т. э. д. с. сплавов каждой системы определяется концентрацией легирующего элемента. Положительные термоэлектроды. Медь получила распространение в силу своей доступ-J00 ности, хорошей термоэлектрической однородности и воспроизводимости т. э. д. с. при температурах >30 К. Существенный недостаток меди заключается в ее весьма высокой чувствительности к содержанию малых количеств (тысячных и десятитысячных долей процента) переходных металлов, в частности железа, присутствие которого вызывает появление минимума т.э.д.с. в области гелиевых температур (рнс. 7.1). Величина этого минимума для меди различного происхождения колеблется в пределах от -2 до -6 мкВ/К [344]. Т.э.д.с. меди высших марок отечественного производства колеблется в пределах ±1 мкВ/К при 10 К и ±2 мкВ/К при 4,2 К. Неконтролируемое содержание железа и других примесей в меди может быть причиной плохой воспроизводимости т. э. д. с. термопар в области водородных и гелиевых температур. Недостатко.м меди является большая теплопроводность, которая может послужить причиной серьезных погрешностей прн точных измерениях температуры из-за тсплоподвода к рабочему спаю термопары. Т.э.д.с. медн, кроме того, весьма чувствительна к малым пластическим деформациям. Нормальное серебро - сплав, используемый в качестве эталона сравнения при измерениях т.э.д.с. при низких температурах, развивает т.э.д.с, близкую к т.э.д.с. меди, но обладает значительно худшей теплопроводностью и в этом отношении имеет преимущество перед медью. Недостаток нормального серебра -сравнительно большая концентрационная зависимость  Рнс. 7.2. Абсолютная т. э. д. с. нормального серебра: 7 - изготовитель А; 3, 5 - изготовитель Б; -изготовитель В; 2, 3, 4 - после отжига; /, 5 -в состоянии поставки. Сопоставлено [370] дифференциальной т.эд.с, порядка 1,5 мкВ/К на 1;% (ат.) Au, затрудняющая получение воспроизводимой т.э.д.с. (рис. 7.2), и несколько большая по сравнению с медью термоэлектрическая неоднородность. Т. э. д. с. нормального серебра немного меньше т. э. д. с. меди. Хромель применяется для увеличения чувствительности термопар при температурах выше >30 К и расширения диапазона измеряемых температур вплоть до комнатной. Колебания содержания легирующих элементов и примесей мало сказываются иа величине его т.э.д.с. при низких температурах. Недостаток хромеля - сравнительно большая неоднородность т. э. д. с. Для измерения температур до ~ 15 К известен опыт использования в качестве положительных электродов сверхпроводников, например ниобия или NbsZr [346]. Существенное увеличение чувствительности термопар в области температур до 80 К может быть достигнуто путем использования положительного электрода из сплавов палладия [383]. Воспроизводимось т. э. д. с. термоэлектродов термопар, особенно отрицательных, не вполне удовлетворительна для того, чтобы нормировать значения т. э. д. с. и стандартизировать градуировочные таблицы. Выпуск термоэлектродной проволоки из золота и меди с железом и кобальтом с нормированной т. э. д. с. не организован. Одна из причин этого -малые масштабы производства проволоки. В связи с необходимостью измерять низкие температуры с сравнительно высокой точностью термопары градуируют индивидуально. 7.2.1. ТЕРМОПАРЫ М-ЗЖо,о7; М-ЗЖо.ог; X-зЖо.о?; X-зЖо,о2> НС-зЖо.о?; НС-ЗЖо,о2 с ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ из СПЛАВОВ ЗОЛОТА С ЖЕЛЕЗОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР 1-300 К Основные свойства и назначение Являются наиболее распространенными термопарами, специально предназначенными для измерения гелиевых и водородных температур и позволяющими также измерять сверхнизкие температуры. Отличаются самой высокой среди известных термопар чувствительностью при температурах ниже 10 К (порядка 10 мкВ/К при 2 К) и высокой стабильностью. Применяются в различных областях криогенной техники, физике низких температур и других исследованиях, связанных с криогенными температурами. Высокая чувствительность (такого же порядка величины, что и у высокотемпературных термопар) дает возможность использовать их в комплекте с обычными вторичными приборами. Известны шесть типов термопар, отличающихся между собой положительными электродами (медь, нормальное серебро, хромель) и отрицательными [сплавы золота с 0,07 % (ат.) Au и 0,02 % (ат.) Аи]. Широкое распространение получили термопары М-ЗЖо.о? н X-ЗЖо,о7- Сверхнизкие температуры предпочтительнее измерять термопарами с электродом ЗЖо.ог, так как их чувствительность при этих температурах несколько больше, чем у термопар с электродом ЗЖо,о7- Термопарами с хромелевым термоэлектродом можно измерять весь диапазон температур ниже 0°С. Если термостатирование свободных концов термопар возможно только при 0°С, то целесообразно применять термопары с положительными электродами из меди и нормального серебра (малая чувствительность при 0°С). Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы) Общая характеристика. Отрицательные электроды представляют собой разбавленные твердые растворы железа в золоте. Концентрация железа в сплавах оптимальных составов весьма далека от границы растворимости и равна 0,02 [347, 348, 350, 351, 353-357] и 0,07% (ат.) Fe [354-356, 358-364]*. Некоторые экспериментаторы предпочитают пользоваться сплавами с 0,03 % (ат.) Fe [346, 353, 365-369] или с 0,035 % (ат.) Fe [352]. Марки отечественных сплавов. В СССР изготавливается термо-электродный сплав из золота с 0,07% (ат.) Fe (марки ЗлЖ999). Т. э. д. с, термопары и термоэлектродов Интегральная т.э.д.с. термопар с термоэлектродами из сплавов зжо.01 и зжо.02 (табл. 7.14) ТАБЛИЦА 7.14 Т, Kil т. е. д. с, мкВ, термопар Г 10 20 40 60 80 100 150 200 250 273 38,8 119,8 891 1036 1320 1523 1674 1731 8,2 41,5 125,8 261 444 565 658 731 860 942 998 1018 7,9 40,0 127,4 963 1314 1682 2664 3709 4797 5306 8,3 42,7 133,5 808 1081 1377 2205 3129 4121 4593 38,6 119,8 986 1241 1422 1550 1595 8,2 41,3 125,8 262 441 546 622 680 782 841 874 883 Примечание. Температура свободных концов О К. * Концентрация железа в процентах по массе в сплавах равна соответственно 0,0057 и 0,0200 %. В литературе состав этих сплавов обычно указывается в атомных процентах.
Примечания: 1. Температура свободных концов ОК. 2. Термоэлектроды М, X я НС положителькы относктельно электрода AeAua, термоэлектроды ЗЖд уИ ЗЖд отрицательны. т.ыс, мкв/к 15 Интегральная т. э. д. с. термоэлектродов М, X, НС зжа.т и зжо.ог относительно электрода AgAus (табл. 7.15). В табл. 7.14 и 7.15 приведены значения т.э.д.с. термопар и термоэлектродов по данным [356]; цифры округлены до мкВ. Разброс значений т.э.д.с. термопар различного происхождения достигает нескольких процентов. Дифференциальная т. э. д. с. термопар с термоэлектродами из сплавов зжо.01 и ЗЖо,о2 (табл. 7.16). Дифференциальная т. э. д. с. термоэлектродов относительно электродов AgAuss (табл. 7.17). В табл. 7.16 и 7.17 приведены значения дифференциальной т.э.д.с. термопар и термоэлектродов по данным [356]; цифры округлены до десятых долей мкВ. Разброс значений чувствительности термопар различного происхождения достигает нескольких процентов. Дифференциальная т. э. д. с. характеризуется наличием максимума при температурах 9-10 К (термопары М-ЗЖо.оз и НС-ЗЖо.ог) или 12-13 К (термопары М-ЗЖо,о7 и НС-ЗЖо.оу); у термопар с положительным хромелевым электродом, помимо максимума при 12-18 К наблюдается также минимум в районе 40 К.  0,15 ?е,% Рис. 7.3. т. э. д. с. термопар нормальное серебро - сплав золота с железом в зависимости от концентрации железа в отрицательном электроде [49, с. 1537-1542]. Цпфры у кривых -температура, К 14-330 Т, К Дифференциальная т. э. д. е., мкВ/К, термопар 4 10 20 40 60 80 100 150 200 250 273 8,5з 11,84 14,5о 14,0 11.1 9,3 7.9 6,8 4,8 3,5 2,6 2,3 9,08 12.6в 14,58 11,9 7,1 5,2 4,1 3,3 2,1 1,3 1,0 0,8 8.6, 12,4 16,0б 16,9 16,4 17,1 18,0 18,8 20,3 21,4 22,0 22,2 9,2з 13,7в 16.1, 14,8 12,4 13,0 14,2 15,3 17,6 19,2 20,4 20,7 8.4з 11,70 14,6i 14,1 10.5 8,4 7,1 6,1 4,3 3,0 2,1 1,8 9,0з 12,6, 14,69 12,0 6,5 4,3 3,3 2,6 1,6 0.8 0,5 0,3 Примечание. Температура свободных концов О К. ТАБЛИЦА 7.17 Г, К Дифференциальная т. э. д. с, мкВ/К, термоэлектродов М 0,07 30,02 10 20 40 60 80 100 150 200 250 273 O.Oj 0,04 -0,1а 0.5i 1,6 3,3 6,8 9,7 12,0 13,9 17,5 20.2 22,1 22,8 O.i3 0,08 0.1а 8,35 П.7в 14,4в 13,6 9,6 7,4 6,0 4.9 2,8 1.2 -0,1 -0,6 8.9й 12.6i 14,54 11.5 5,6 3,3 2.2 1,4 0,1 -1.0 -1,7 -2,1 Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2 термоэлектроды М, X и НС положительны относительно электрода AgAiia, термоэлектроды 3Xq д^и ЗЖд^дз-отрицательны. ТАБЛИЦА 7.18
Продолжение таблица 7.19
Продолжение
Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2. Температура по МПТШ-68 н (ниже 20 К) по акустиче 5 (США). 1965 (США). 214 Влияние химического состава на т. э. д. с. Концентрационная зависимость т.э.д.с. сплавов золота с железом при 4-10 К характеризуется наличием максимума при 0,03 % (ат.) Fe (рис. 7.3). Колебания в содержании железа в сплаве ЗЖо.о? меньше оказывается иа т.э.д.с, чем в сплаве ЗЖо.ог. О влиянии химического состава иа т. э. д. с. положительных электродов см. раздел 7.2. Градуировочные таблицы и точность термопар Градуировочные таблицы. Таблицы для всех шести типов термопар разработаны в работе [356]. В таб.11. 7.18 и 7.19 представлены таблицы для двух из них, наиболее распространенных: М- ЗЖо.о? (табл. 7.18) и X-ЗЖо.о? (табл. 7.19). В работах [354, 359 361] см. таблицы для термопары М-ЗЖо.от, в [354] -для термопары М-ЗЖо,о2, в [352] -для термопары X-ЗЖо,оз5 и М-ЗЖо,оз5, в [365] - для термопары X-ЗЖо.оз и в [6, 361] - для термопары X- ЗЖо.от. Все таблицы являются базовыми для градуировки конкретных термопар. Поправочная функция в виде степенного полинома находится по отклонениям значений т. э. д. с. в нескольких точках от табличных значений. Градуировочные таблицы для термопар X-ЗЖо.ог и X-ЗЖо.от в области температур 3-0,5 К разработаны в работе [355] - табл. 7.20. таблица 7.20 Т, К 0,02 0,540 0,553 0,581 0,612 0,641 0,673 0,714 0,755 0,805 0,836 0,872 0,912 0,953 1,037 1,125 44,69 44,57 44,37 44,02 43,81 43,52 43,16 42,78 42,30 41,99 41,70 41,30 40,87 39,98 39,05 8,240 8,319 8,480 8,651 8,842 8,952 9,100 9,270 9,476 9,611 9,765 9,936 10,11 10,44 10,75 0,07 35,71 35,67 35,56 35,40 35,26 35,10 34,95 34,70 34,41 34,23 34,05 33,83 33,57 33,01 32,41 3,781 3,888 4,106 4.340 4,559 4.814 5,023 5,243 5,518 5,694 5,901 6,125 6,359 6,805 7,234 Г, К 0,02 1,226 1,356 1,413 1,534 1,624 1,763 1,942 2,072 2,218 2,321 2,544 2,760 2,907 3,100 3,256 38,02 36,50 35,80 34,47 33,43 31,89 29,91 28,37 26,61 25,19 22,52 20.03 18,17 15,63 13,68 10,90 11,15 11,24 11.41 11,50 11.62 11,65 11,79 11,93 12,05 12,30 12,58 12,82 13,17 13,40 31,70 30,58 30,14 28,94 28,27 27,19 25,64 24,40 23,00 21,82 19,62 17,65 16,04 13,83 12,11 Примечание. Температура свободных кондов 4,2 К. 7,607 8,021 8,181 8,278 8,482 8,769 9,107 9,350 9.586 9,761 10.16 10,56 10.89 11,36 11,96
Аппроксимирующий полином. Зависимость т. э. д. с. Е, мкВ, термопар от температуры в диапазоне О-280 К может быть аппроксимирована полиномом вида: где Т - температура, К; oi - коэффициенты полинома, аппроксимирующего температурные зависимости т.э.д.с. термопар, приведены в табл. 7.21. Допускаемые отклонения т.э.д.с. Допуски на т.э.д.с. термопар и термоэлектродной проволоки из сплавов Аи-Fe не норми- рованы. Точность термопар. По оценке [18] точность термопары НС- ЗЖо.оз при индивидуальной градуировке, вероятно, меньше 0,1 К-По данным [359], точность измерения термопарой М-ЗЖо.от в интервале 4-20 К составляет 0,08 К, а по другим данным -всего 0,05 К- Согласно работе [354] при температурах <3 К точность термопар X-ЗЖ может достигать ±2 %, в то же время как при более высоких температурах (3-85 К) она примерно в 2 раза лучше. Приведенные в табл. 7.22 значения суммарных погрешностей, с которыми измерялась т. э. д. с. термопар при разработке градуировочных таблиц [356], можно считать близкими к предельно достижимым. Рекомендуемые рабочие атмосферы и диапазон рабочих температур. Срок службы (технический ресурс) Термопарами с электродами из сплавов Аи-Fe можно измерять низкие температуры в вакууме, на воздухе, в жидких и газообразных гелии, водороде, азоте. Интервал рабочих температур зависит от концентрации железа в отрицательном термоэлектроде и определяется также характером положительного электрода. Если принять условно, что верхний предел рабочих температур ограничивается чувствительностью термо- й мере равной чувствительности пр температуре Жо7 1-60 К; Х-ЗЖо,о2 1-20 К; Х-ЗЖо,о7 1-300 К. темпеоа'туо нижеТ^ °Л' = °ьзования термопар для измерения nZllJ требуется индивидуальная градуи- ровка в узком температурном диапазоне с шагом ~0 02К При этом градуировочная характеристика была продлена до 0 55 К-чувствительность термопар Х-ЗЖо.о^ н Х-ЗЖо от при 0,55 К рав! на около 8 мкВ/К [355, 356]. В работах [365, 384] с помощью ?ер-мопары н(..--5Жо,оз измерялись температуры вплоть до 0,35 К, а по данным 519, имеется принципиальная возможность измерять такими термопарами температуры до 0,05 К. Термоэлектрическая стабильность Хотя имеются лишь отрывочные данные о стабильности термопар, но в общем ее можно оценить как вполне удовлетворительную Умзывается, например, что изменения т.э.д.с. термопар М - ЗЖо,п2з) и НС-ЗЖо.о2(з) за 2 года не превышают 0,5 % [346- 348, 353, 364]. Дрейф термопары М-ЗЖо.от оказался равным в среднем около 0,04 % или в температурном эквиваленте О 044 К (результаты шестилетних испытаний) Подчеркивается, что термопары с электродами из сплавов Аире стабильны в условиях термоциклирования (4,25273 К) и выдерживают до 40 таких циклов с пребыванием в гелии до 12 ч, сохраняя свою градуировку в пределах ~0,5 % [348, 364]. По другим данным [347, 360], изменения т.э.д.с. не превышают 0,3%, если термопары подвергали циклическому нагреву и охлаждению до 10 раз. Влияние деформации на т. э. д. с. В OHHfax [347] обнаружено, что навивка проволоки из сплава ЗЖо.о2 диаметром 0,15 мм на катушку диаметром 0,3 мм уменьшает дифференциальную т. э. д. с. на 0,7 мкВ/К, на катушку диаметром 2,5 мм - на 0,2 мкВ/К. а растяжение проволоки на 12 % уменьшает т. э. д. с. на 0.2 мкВ/К. Измерения проведены при 4,2 К относительно недеформированных образцов, при 20 К эффект деформации намного меньше. Аналогичные эксперименты [354] показали, что после намотки проволоки из сплава с 0,02 % (ат.) Fe на катушку диаметром 12,5 мм и последующей осторожной размотки т.э.д.с. ее уменьшилась на 0,25%, а после нескольких циклов намотки на катушку диаметром 3 мм, последующей размотки и повторной иамотки в противоположном направлении т. э. д. с. понизилась па 1,42%. В аналогичных опытах с проволокой из сплава с 0,07 % (ат.) Ре при слабой деформации изменений т. э. д. с. ие Медведева Л. А. Исследование термоэлектоодиых материалов и создание новых низкотемпературных термопар. Автореф. канд. дис, 1973. 2 Первый эксперимент имитировал обычное обращение с проволокой, второй - грубое. таблица 7.23
Примечание. В числителе приведены значения т. э. д. с. для термопар с электродами из деформированной проволоки, в знаменателе - из отожженной. произошло, а при сильной онн составили 0,42 %. Все эксперименты проводились при 1,4-65 К, деформация сильно сказывается при температурах ниже 20 К. Влияние деформации оценивалось также [234] путем образования на проволоке барашков и измерения т. э. д. с. такой проволоки в паре с недеформированной. Согласно полученным данным (см. табл. 7.13) такая деформация не изменяет т.э.д.с. термопары X-ЗЖо.оз при температурах до 4 К в пределах точности 0,1 К. Однако на основании этих результатов сделать вывод о меньшей чувствительности к деформации сплава с 0,07 °/о (ат.) Fe (как это следует из данных [354]) не представляется возможным. Влияние термической обработки на т. э. д. с. На практике большинство экспериментаторов пользуется отожженной проволокой. Отжиг проволоки из сплавов Au-Fe значительно увеличивает дифференциальную т. э. д. с. термопар Х-ЗЖ (табл. 7.23), несколько сдвигает максимум т.э.д.с. в сторону более низких температур и улучшает термоэлектрическую однородность [354]. Режимы отжига термоэлектродной проволоки не разработаны. В литературе приведены следующие виды термической обработки: отжиг в вакууме при температурах от 550 до 640 °С в течение от 2 до 12 ч [34/, 350, 352, 361], отжиг в восстановительной атмосфере при 55U °С в течение 12 ч [346, 359], отжиг на проход в водороде при 750 °С со скоростью 3 м/мин [503]. Отжиг проволоки из сплавов Au-Fe в окислительной атмосфере должен быть полностью исключен, так как из-за селективного окисления железа т.э.д.с. сплава может уменьшиться на порядок или более, а кроме того, может резко увеличиться неоднородность т. э. д. с. Имеются данные [362] о том, что отжиг в нейтральной атмосфере при температурах до 1000 °С не изменяет термоэлектрическую характеристику термопар. Термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных сплавов По данным [503], флуктуации т.э.д.с. проволоки из сплава ЗЖо.от в деформированном состоянии на длине 40 м достигают 7 мкВ (метод двух сред 77 К/273 К). Разброс т.э.д.с. 10 термопар, изго- товленных из проволоки одной плавки, составляет 0,2 %. Неоднородность т. э. д. с. проволоки из сплава ЗЖо.от после отжига уменьшается в 1,5 раза. Так, после деформации она составляет 1,2 мкВ, после отжига в вакууме 1,3-10- Па, 600 °С, 3 ч - 0,8 мкВ, после отжига в водороде, 750 °С, 3 м/мин - 0,8 мкВ. По данным [359], разброс величин т.э.д.с. 15 произвольно выбранных термопар М/ЗЖо,о7, изготовленных из одной катушки проволоки сплава ЗЖо,о7. составляет ±0,2 % (Г=4,2 К, Го=273,15 К). Колебания дифференциальной т.э.д.с. проволоки из сплава ЗЖо.оа в пределах одной плавки достигают 1,5 %. Результаты сравнительных испытаний на неоднородность т.э.д.с. ряда сплавов для низкотемпературных термопар (см табл. 7.12 и 8.8) указывают, что местная неоднородность сплавов ЗЖ в несколько раз (в жидком азоте) и иа порядок (в жидком гелии) больше, чем у других сплавов. Согласно [364] воспроизводимость т. э. д. с. проволоки из сплава ЗЖо,оз5 в пределах одной плавки обычно не превышает 1 % и достигает примерно такой же величины для проволоки разного происхождения. Однако приведенные в указанной работе данные других авторов свидетельствуют о гораздо худшей воспроизводимости, особенно при очень низких температурах (рис. 7.4).  Рис. 7.4. Абсолютная т. э. д. с. сплава Аи+0,03 % (ат.) Fe производства 1966 (/), 1967 (2), 1969 (3) и 1970 гг. (4) при температурах <2 К [364] 7.2.2. ТЕРМОПАРЫ М-ЗК, X-ЗК и НС-ЗК С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ТЕРМОЭЛЕКТРОДОМ ИЗ СПЛАВОВ ЗОЛОТА С КОБАЛЬТОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР 10-300 К Основные свойства и назначения 3,0 появления термопар с отрицательным термоэлектродом из спла-зов Аи-Fe - самые распространенные термопары для измерения водородных и гелиевых температур. В области водородных температур обладают чувствительностью 10 мкВ/К, в области гелиевых-4 мкВ/К, а при температурах 200-300 К - 15-16 мкВ/К. Применяются три типа термопар, отличающихся друг от друга положительными термоэлектродами. Воспроизводимость и стабильность термопар неудовлетворительна. Термопары используются для измерения температуры в разнообразной научной аппаратуре. Свойства термопар НС-ЗК, М-ЗК и X-ЗК и практика использования описаны в работах [371-374, 377]. В настоящее время все они посте- пенно вытесняются более чувствительными, стабильными и технологичными, а также более дешевыми термопарами с электродами из сплавов Аи-Fe (см. раздел 7.2.1). Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы) Общая характеристика. Отрицательный термоэлектрод (ЗК) представляет собой сплав золота с 2,1% (ат.) Со* - пересыщенный твердый раствор кобальта в золоте. Положительные термоэлектроды: медь, нормальное серебро и хромель. Т. э. д. с. термопары и термоэлектродов Интегральная т. э. д. с. См. табл. 7.23. В табл. 7.24 приведены значения т.э.д.с. термопар с термоэлектродом из сплава ЗК, по данным [24, 356, 375]. Разброс значений т.э.д.с. термопар, изготовленных разными экспериментаторами, достигает в лучшем случае нескольких процентов. таблица 7.24 Т, э. Д. с, мкВ, термопар
Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2. Термоэлектрод ЗК отрицателей относительно эталона AgAuje. 3. Т. э. д. с. термоэлектродов М н X относительно эталона AgAujs, см. табл. 7.15. таблица 7.25  10 20 40 60 80 100 150 200 250 273 Дифференциальная т. э. д. с, мкВ/К, термопар 9,4 16,4 26,2 32,1 35,6 38,0 41,4 42,7 43,0 43,0 9,5 17,5 25,6 31,2 34,8 37,4 40,9 42,2 42,5 42,5 4,4 11,0 19,3 31,5 39,9 45,7 50,0 56,9 60,6 62,4 62,9 0,9 3,9 9,3 16,0 24,7 30,2 33,7 36,1 39,4 40,4 40,3 40,1 Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2. Дифференциальную т. э. д. с. термоэлектродов М, НС и X относительно электрода AgAujs см. в табл. 7.17. * В литературе состав этого сплава обычно указывают в атомных процентах. Концентрация кобальта равна 0,65 % (по массе). Дифференциальная т.э.д.с. В табл. 7.25 приведены значения дифференциальной т.э.д.с. термопар по данным [24, 356, 375]; цифры округлены до десятых долей мкВ. Разброс значений чувствительности термопар различного происхождения достигает по меньшей мере нескольких процентов. Влияние химического состава на т. э. д. с. термоэлектродов. Концентрационная зависимость диф- еренциальной т. э. д. с. сплавов ц-Со представляет собой кривую с максимумом при ~3 % (ат.) Со (рис. 7.5). Уменьшение содержания кобальта в сплаве должно, по-видимому, приводить к несколько большим изменениям т. э. д. с, чем его увеличение. Дифференциальная т.э.д.с. сплавов с 1,9; 2,0 и 2,19% (ат.) Со до ~ 70 К одинаково, а при 100 К различается примерно на 1 мкВ/К (см. ниже [385]).  2 4 £о, % (ат.) Рис. 7.5. Зависимость абсолютной т. э. д. е. сплавов Au-Со от концентрации кобальта при 10 К [373] Градуировочные таблицы и точность термопары Градуировочные таблицы. Подробная таблица с шагом 1 К построена для термопары М-ЗК [374, 376] (см. также [503, 357] и сокращенные варианты [378, 340] и [503]). Таблицы для термопары X-ЗК опубликованы в работах [503, 371, 377] и сокращенная таблица в работе [374]. Аппроксимирующий полином. Согласно данным [371] зависимость т. э. д. с. от температуры в области 90-300 К приблизительно линейна, а в области 4-90 К описывается полиномом 3-й степени, см. также [375]. Допускаемые отклонения т. э. д. с. Допуски на т. э. д. с. термопар и термоэлектродной проволоки нз сплава ЗК не нормированы. Точность термопар. При индивидуальной градуировке, вероятно, можно уменьшить погрешность до ~0,1 К [18]. Согласно [371] точность термопары М-ЗК в интервале 4-20 К равна ~0,2К, а при температурах >20К равна ~0,1 К. Рекомендуемые рабочие атмосферы и интервал рабочих температур. Срок службы (технический ресурс) Термопарами можно измерять температуру на воздухе, в вакууме, а также в жидких и газообразных азоте, водороде и гелии. Интервал рабочих температур 10-300 К. Термоэлектрическая стабильность Испытания трех термопар М-ЗК показали [375], что в результате вылеживания при комнатной температуре в течение 2,5 лет т.э.д.с, одной термопары уменьшилась на 5%, другой на 3%, а показания третьей существенно не изменились. В первые шесть месяцев изменения т.э.д.с. достигали 1 %. Нагрев в течение 24ч при температурах до 70°С практически не изменил т.э.д.с, в то время как нагрев при 90°С уменьшил т.э.д.с. на ~1 %. По данным [379], чувствительность термопары М-ЗК уменьшается примерно на 0,1 % после нескольких циклов охлаждения от комнатной температуры до температуры жидкого водорода и примерно на 1 % после многих циклов охлаждения на протяжении около 1 ч. Согласно данным [371] несколько циклов охлаждения до температуры жидкого гелия в течение трех месяцев изменили показания термопары М-ЗК иа 0,17 К. В работе [373] отмечалось, что т.э.д.с. одной партии сплава Аи+1,8% Со в течение нескольких лет уменьшалась со скоростью около 0,6 % в год, а другой - со скоростью 0,2 % в год. Уменьшение т. э. д. с. связывают с распадом твердого раствора кобальта в золоте (сплав ЗК пересыщен при температурах 500°С), а разброс данных по стабильности - с неоднородностью распада. Влияние термической обработки на т. э. д. с. Т. э. д. с. деформированной проволоки из сплава ЗК после отжига при 600-900 °С почти не изменяет своего значения (разброс т. э. д. с. в пределах неоднородности) и равна относительно меди 8,3-8,7 мВ (при -200°С). Отжиг при 400 °С, 3 ч значительно уменьшает т. э. д. с. до 6,3-6,5 мВ [368]. Термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных сплавов Отдельные эксперименты [372. 378] по измерению термоэлектрической неоднородности сплава ЗК показали, что максимальная местная неоднородность, измеренная методом погружения петли в жидкий гелнй 5-5,5 мкВ, в жидкий азот -4 мкВ. Средние значения достигают 3-3,5 и 2,5 мкВ соответственно. Максимальные значения протяженной неоднородности (на длинах порядка нескольких метров) составляют 0,8 мкВ (4-20 К); 3,5 мкВ (30-76 К) и 14мкВ (76-273 К). По сравнению с испытывавшимися одновременно другими термоэлектродными материалами неоднородность т. э. д. с. сплава ЗК по меньшей мере в несколько раз больше. По данным [372, 378], разброс значений т. э. д. с. между отдельными кусками проволоки из сплава ЗК одной партии (протяженная неоднородность) составляет 0,5 % при температурах ниже 20 К и 0,3 % при более высоких температурах. В других публикациях [379, 384] те же авторы приводили большие цифры. Т.э.д.с проволоки сплава ЗК разных партий и разных изготовителей различается пе менее чем па несколько процентов и нередко более чем на десятки процентов. Так, значения т. э. д. с. термопары М-ЗК, приведенные [371], отличаются по данным [375] иа 8-17%, а приведенные [376]-на 10-13%. Относительные отклонения максимальны прн температурах ниже 20 К и выше 200 К. 7.2.3. ТЕРМОПАРЫ М-МЖ и Х-МЖ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ИЗ СПЛАВОВ МЕДИ С ЖЕЛЕЗОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР 2-300 К Основные свойства и назначение Термопары М-МЖ и X-МЖ - аналоги соответствующих термопар с отрицательным электродом из сплавов Аи-Fe. Обладают чувствительностью ~10 мкВ/К при 4 К и-13-15 мкВ/К при 20 К, хорошей воспроизводимостью и стабильностью т. э. д. с. Применяются в качестве рабочих средств измерения температур от 2 до 300 К в различных областях криогенной техники и научных исследованиях. Свойства термопар с отрицательным электродом из сплавов Си-Fe описаны [381, 382]. Проволока из сплава МЖ поставляется по техническим условиям. Материал термоэлектродов (термоэлектродные сплавы) Общая характеристика. Отрицательный электрод - сплав меди с -0,1 % Fe - пересыщенный твердый раствор железа в меди, легированный дополнительно небольшим количеством лития. Литий вводится в сплав с целью уменьшения скорости процесса распада твердого раствора и стабилизации т. э. д. с. во времени (9.8, рис. 9.13). Положительные электроды - медь или хромель. Марки отечественных сплавов. Сплав МЖ содержит 0,05- 0,15% Fe и 0,002-0,04 % Li, остальное - медь (примесей не более 0,03%). Для положительных электродов используется медь ие ниже марки Ml по ГОСТ 859-66 и хромель марки НХ9,5 по ГОСТ 492-73. Содержание железа в меди подлежит обязательному контролю. Т. э. д. с. термопары и термоэлектродов Интегральная т. э. д. с. В табл. 7.26 приведены значения т. э. д. с. термопар М-МЖ и X-МЖ с электродом МЖ, содержащим 0,1 % Fe. Значения т.э.д.с. термопары М-МЖ Даны по работе [381], термопары X-МЖ вычислены как сумма значений т. э. д. с. термопар М-МЖ и X-М [24]. Цифры округлены до микровольт. Т. э. д. с. термопар различного происхождения может отличаться от приведенной на несколько процентов. Дифференциальная т.э.д.с. В табл. 7.27 приведены значения дифференциальной т.э.д.с. термопар М-МЖ [381] и X-МЖ (последние вычислены как сумма значений дифференциальной т. э. д. с. термопары М-МЖ и X-М [23]) с электродом МЖ, содержащим 0,1% Fe. Цифры округлены до десятых долей микровольт. Разброс значения дифференциальной т. э. д. с. термопар различного происхождения может достигать нескольких процентов. таблица 7.26
Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2. Т. э. д. с. термоэлектродов М и X относительно эталона AgAuzj см. в табл. 7,15. Примечания: 1. Температура свободных концов О К. 2. Дифференциальную т. э. д. с. термоэлектродов М и X относительно эталона AgAuja см, в табл. 7.17. Для температурной зависимости дифференциальной т. э. д. с. термопары М-МЖ характерно наличие максимума при ~30 К. Влияние химического состава на т. э. д. с. термоэлекгродньи сплавов. Увеличение концентрации железа в сплаве МЖ приводят к росту интегральной т. э. д. с. термопары. Дифференциальная т. э. д. с. при температурах <15 К проходит через максимум и падает, а при более высоких температурах увеличивается (рис. 7.6). Содержание лития не сказывается на т. э. д. с. сплава МЖ. Примеси ферромагнитных металлов несколько увеличивают т. э. д. с. прн температурах >60 К (кобальт) и 120- 150 К (никель), см., например, [386]; другие примеси уменьшают т. э. д. с. сплава.  0,2 0,4 0,6 0,8 Fe, % (am.) Рис. 7.6. Концентрационная зависимость абсолютной т. э. д, с. сплавов Cu-Fe [61]; /-12; 2-35; 3-77; -250 К Градуировочная таблица и точность термопары Гоадиировочная таблица. Таблица [381] для термопары М-МЖ с электродом МЖ, содержащим 0,1 % Fe, приведена по данным табл. 7.28. В работе [503] приведены таблицы для термопар М-МЖ 15-330 1 ... 8 9 10 11 12 13 14 ... 18 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||