ساختار دماسنج های پلاتینی

هدف اصلی در هنگام مونتاژ یک دماسنج مقاومتی این است که پاسخ‌دهی فلز به دما در حالی که تحت تاثیر هیچ یک از عوامل محیطی شامل خوردگی شیمیایی ارتعاش کشش فشار و رطوبت قرار ندارد، تضمین شود . در دماسنج پلاتینی جدی ترین مسئله ناپایداری ناشی از شوک مکانیکی و کرنش ناشی از انبساط حرارتی است .

در ساده ترین شکل دماسنج مقاومتی، سیم پیچی است که به‌طور شل بر روی یک تکیه‌گاه عایق نصب شده است اما این دماسنج وقتی به این روش نصب می شود به شوک مکانیکی حساس است ضربه ها و ارتعاشات کوچک باعث می‌شوند که بخش‌های غیر مستحکم سیم خم شوند که این کار باعث خرابی سیم ها و افزایش مقاومت می شود . راه حل منطقی این است که سیم بر روی یک بوبین به طور مستحکم نصب تا از خم شدن آن جلوگیری شود. حال یک مشکل متفاوت داریم  ،وقتی دماسنج گرم میشود سیم و بوبین با آهنگ متفاوتی منبسط می شوند در نتیجه سیم کشیده یا فشرده می شود اگر کشش کوچک باشد تغییر شکل سیم همانند یک باند لاستیکی کشسان و موقتی است اگر کشش خیلی بزرگ باشد تغییر شکل نا کشسان خواهد بود. و هرگونه تغییرات ابعادی ماندگار خواهد شد. همچنین این فرآیند سیم را سخت می‌کند و مقاومت را افزایش می‌دهد.

 

 بنابراین PRT ها شکل های مختلفی دارند که بین استحکام مکانیکی و دقت،مصلحه برقرار می‌کند. این موضوع را در متن زیر با جزئیات بیشتری توضیح می دهیم تا شما بتوانید برای کاربردهای مورد نظرتان انتخابی آگاهانه انجام دهید این اطلاعات راهنمایی برای ساخت نیستند . به ویژه در دماهای بالاتر که مهارت کافی و دانش اختصاصی برای ساخت مجموعه وجود دارند و به استفاده کنندگان توصیه شده است که پروژه های آماده استفاده کنند تا پروژه های ساخت خودشان.

 

دماسنج های مقاومتی – پلاتینی استاندارد

 SPRT  ساقه بلند که بیشتر از همه رایج بوده سیم پیچی است از جنس پلاتین خالص که به طور شل بر روی یک مقطع میکایی یا کوارتزی نصب شده است و یک لوله شیشه ای یا کوارتزی غلاف ان است . پاکیزگی اجزای مختلف ، مسئله حیاتی این دماسنج هاست0به ویژه در دمای بالا که آلودگی سریعاً منتقل می شود.

 دماسنج های استاندارد تجهیزات بسیار ظریفی هستند که شوک ارتعاش یا هرگونه شتابی که باعث خمش سیم شود کشش و تغییر مقاومت آن را در پی خواهد داشت . ضربات بزرگ باعث ایجاد خطایی از مرتبهmK  ۱۰ می شوند . اما با مراقبت می توان از یک SPRT  به طور منظم برای یک دوره بیش از یک سال با رانش تجمعی کمتر ازmK ۱ استفاده نمود.

 

دماسنج های پلاتینی نسبتاً محکم

 معمولاً شکنندگی خیلی زیادSPRT ها  استفاده از آنها در مقیاس ITS90، کالیبراسیون و کاربردهای دارای درستی بسیار بالا را محدود می کند. اولین مرحله در ساخت یک PRTمستحکم ،  محکم نمودن سیم تا حد امکان است در حالی که اجازه انبساط و انقباض با دما را داشته باشد.  طرح دو المان مقاومتی از نوع صنعتی در شکل زیر نشان داده شده است . اولی از یک بوبین ساخته شده از آلومین دارای خلوص بالا استفاده می کند تا سیم پلاتینی پیچ خورده بر روی آن محکم شود.  دومی سیم پلاتینی پیچ خورده را درون عایق آلومینی دارای خلوص بالا محکم میکند . سیم ممکن است با پودر آلومینی که فضای حفره یا سوراخ عایق را پر کرده است، بیشتر مهار شود .در برخی طرح‌ها حدود یک سوم عایق با ماده سرامیکی پر می‌شود تا حرکت سیم را بیشتر مهار کند . در المان هایی که برای کاربردهای فضایی طراحی شدند محفظه یا غلاف ممکن است برای میرا کردن ارتعاشات با روغن پر شود.

بسته به کاربرد درستی مورد نظر، از سه گرید اصلی سیم در PRT های نسبتاً مستحکم استفاده می شود توجه کنید که گرید های متفاوت مشخص شده در استانداردهای مختلف ممکن است کمی تفاوت داشته باشند .معمولاً سیم از گره ای با بالاترین خلوص ساخته می شود سپس غلظت مورد نیاز از ناخالصی ها به آن اضافه می شود تا مقدار α جهت پیروی از استانداردها کاهش یابد .

سه گرید اصلی سیم عبارت است از :

 

α=3.926*10-3 -1   

این گرید از سیم همانی است که بر اساس ITS-90 در SPRT  ها استفاده می‌شود. اما استحکام اضافی سیم عملکرد دماسنج را به حدود 5mK تنزل می دهد و بسته به ماده غلاف، ماکسیمم زمانی که به طور پیوسته در دمای حدود ۵۰۰ درجه می تواند قرار داشته باشد، کاهش می یابد .

α=3.85*10-3 C°-1  

این گرید ازسیم مصالحه ای بین گرید SPRT  و گرید صنعتی رایج است . اصولاً استانداردی مرجع برای تجهیزات آزمایشگاهی است و مزیت اصلی آن به دماسنج های صنعتی با گرید پایین تر، تجدیدپذیری بالاتر در بین دماسنج هاست.

α=3.85*10-3 C°-1  

این گرید از سیم بیشترین استفاده در صنعت را دارد . وابستگی دمای واقعی سیم به فلزات استفاده شده در آن بستگی دارد. در بسیاری از حالت ها از فلزات کمیاب از خانواده شیمیایی یکسانی مانند پلاتین استفاده می‌شود ، بنابراین شکل منحنی دما مقاومت و سایر خواص فیزیکی شبیه پلاتین خالص است

 

در کل با PRT  های نسبتاً محکم استفاده شده در آزمایشگاه می‌توان به درستی نوعی بین  2 mKتا 20mK با حساسیت متغیری نسبت به ارتعاش و شوک که به میزان استحکام سیم بستگی دارد، دست یافت. برخی از بهترین انواع این المان ها ، در استفاده  متناوب در برابر دمای تا ۸۵۰ با درستی چند دهم درجه مقاومت می کنند . عملکرد آنها به ویژه پسماند و رانش ناشی از انبساط حرارتی متفاوت سیم و لایه سرامیکی محدود می‌شود. معمولاً مقادیر مقاومت نقطه یخ برای دماسنج های نسبتاً مستحکم در گستره ۱۰ تا ۵۰۰ قرار دارد اما ۱۰۰ اهم میان از همه رایج‌تر است همچنین قطر این المان‌ها بین 0.4 تا  0.9 و طول بین ۶ تا ۵۰ میلی متر تغییر میکند.

 

 

دماسنج های پلاتینی کاملا مستحکم

تنومندترین PRT المانی کاملا مستحکم است که بر روی شیشه یا سرامیک الومینی نصب می‌شود. با کپسولی کردن کامل سیم ، حساسیت به ارتعاش و شوک مکانیکی حداقل می‌شود .تاوان افزایش استحکام ، کاهش پایداری بلندمدت و افزایش پسماند ناشی از انبساط حرارتی تفاضلی و انقباض لایه و سیم است .

تقریبا از همه PRT کاملا مستحکم از سیمی با α=3.85*10-3 C°-1  ساخته می‌شوند. همانندPRT  نسبتاً مستحکم گستره دمایی به شدت به جنس غلاف که منبع اصلی آلودگی ها وابسته است .از ضریب انبساط حرارتی لایه های سرامیکی به پلاتین نزدیکتراست تا شیشه، بنابراین PRT  مبتنی بر سرامیک از المان های شیشه ای پسماند کمتری دارند. اما ماده پرکننده استفاده شده برای مهار سیم در المان های سرامیکی اغلب همانند خود سرامیک متخلخل است بنابراین سرامیکی به آلودگی حساس دارند. گاهی المان های سرامیکی در شیشه کپسولی می شود تا مشکل متخلخل بودن از بین برود و در برابر آلودگی محافظت شوند. هرچند المان‌های شیشه‌ای کم‌هزینه اند و از نفوذ سیال جلوگیری می‌کنند اما تعدادی اشکال جدی دارند .در دماهای بالا ضریب انبساط شیشه سریعاً تغییر می‌کند که به نرمی شیشه مربوط می‌شود این کار باعث ایجاد پسماند و سخت شدن پلاتین می شود که در نتیجه کشش بیش از حد آن به وجود می‌آید و همچنین افزایش جنبش اجزای فلزی موجود در شیشه( سدیم ، سرب ،بور و غیره) باعث می‌شود که شیشه رسانش الکترولیتی داشته باشد و امکان سرایت اتمهای فلز به پلاتین را فراهم کند

 

غلاف

 انتخاب غلاف برای یک المان مقاومتی پلاتینی عاملی کلیدی در تعیین گستره دمای آن است .دو کلاس برای مواد غلاف وجود دارد فلزی مانند فولاد زنگ نزن یا اینکه و غیر فلزی شامل شیشه -  اکسید آلومینیوم و کوارتز.

 غلاف های فلزی حداقل شکنندگی را دارند و ساخت آنها بسیار آسان است اما احتمال آلوده سازی از طریق آنها بسیار بالاست. در استفاده پیوسته کاربرد آنها به دمای پایین‌تر از ۴۵۰ درجه و ترجیحاً به دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود می‌شود. در دماهای بالاتر، ا اتم های فلز موجود در غلاف متحرک شده و می‌توانند سیم پلاتینی را آلوده کند. برای استفاده در دمای بالاتر از ۲۵۰ درجه غلاف های فولادی و اینکنلی باید قبل از مونتاژ تحت عملیات حرارتی در هوا یا اکسیژن قرار گیرند تا لایه غیر قابل نفوذ ای از اکسید در داخل غلاف تشکیل و روان کننده های استفاده شده در فرآیند کشش لوله خارج شوند.

 المان‌های شیشه‌ای و المان های سرامیکی کپسولی شده با شیشه که کمتر به آلودگی‌های غلاف هستند ممکن است برای کار در دمای بالاتر از ۲۵۰ درجه مناسب تر باشد در دمای بالاتر از ۴۵۰ درجه همه المان های پلاتینی به طور افزاینده ای به آلودگی حساس می شوند و هر جزء فلزی مجموعه می‌تواند یک منبع آلودگی باشد، ماده غلاف باید به همان نسبت تمیز باشد .در بالاترین دما ها فقط کوارتز و اکسید آلومینیوم با خلوص بالا غلاف های مناسبی هستند هر دو قبل از مونتاژ دماسنج در دمای ۱۱۰۰ پخته می‌شوند تا ناخالصی ها خارج شوند در دمای بالاتر از ۶۰۰ برخی فلزات به ویژه مس و نقره از طریق کوارتز منتقل خواهند شد ، بنابراین از یک غلافه محافظ از نوع فویل پلاتینی جهت حفاظت بیشتر استفاده می‌شود همچنین قراردادهای کوارتزی مشکل واشیشه ایشدن دارند : ناخالصی هایی که باعث میشوند کوارتز از فرم شیشه ای به فرم بلورین تبدیل شود و فلم بلورین متخلخل تر و بسیار شکننده است

 

سیمهای رابط

به سیم های رابط که جریان را به دماسنج هدایت می‌کنند باید به عنوان یک منبع بالقوه ناخالصی نگریست. در کاربردهای دمای بالا تنها سیم رابطه مناسبت پلاتین است اما در بیشتر کاربرد ها محدودیت هزینه وجود دارد. در دمای پایین تا ۲۵۰ درجه از مس عایق شده با شیشه یا سیم های نقره استفاده می‌شود شیشه از اکسید شدن سیم و انتقال مولکولی فلزات جلوگیری می‌کند در مجموعه‌های دمای بالا اغلب از سیم‌های از جنس آلیاژ نیکل یا پلاتین دارای روکش نیکل استفاده می‌شود.