ТЕРМОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно - к термометрическим приборам, в которых в качестве термометрических тел используются металлические жидкости и их растворы, и может найти применение для измерения низких температур.

Известны приборы и устройства для определения температуры [1-3], но они сложны в изготовлении и эксплуатации, требуют использования сложных электронных схем и источников питания. В более простых термометрических устройствах в качестве рабочей жидкости используются ртуть и ее амальгамы, но они обладают повышенной токсичностью и представляют опасность для здоровья и загрязнения окружающей среды. В [4] доля используемой ртути в качестве термометрического тела сведена к минимуму (до 10%) за счет того, что в резервуаре с термометрической жидкостью, т.е. ртутью, дополнительно было размещено объемное твердое тело, выполненное из цельного куска материала, обеспечивающего при его температурном расширении перемещение мениска ртути в капилляре. Это устройство также полностью не свободно от присутствия токсичной ртути, хотя ее количество удалось уменьшить в десять раз, а диапазон измеряемых температур со стороны низких температур, ограниченный точкой кристаллизации ртути (235 К), остался прежним. Вдобавок использование в качестве рабочего тела гетерогенной системы, состоящей из твердой фазы, погруженной в жидкую (ртуть), не дает гарантии постоянства температурного коэффициента расширения двухфазного рабочего тела, т.е. основного требования «линейности» шкалы термометра в рабочем интервале измеряемых температур.

Другие термометрические устройства для измерения низких температур в качестве рабочего тела используют не содержащие ртуть сплавы на основе легкоплавких металлических компонентов (галлия, индия, висмута и др.) Но они также мало пригодны для измерения достаточно низких температур из-за ограниченности температурного интервала жидкого состояния в области отрицательных температур [5].

Наиболее близким является изобретение «Металлический сплав на основе галлия, используемый для изготовления жидкости для термометра» по заявке [6], в котором предложены пятикомпонентные сплавы на основе галлия (50,0-64,9% Ga; 10,0-24,9% In; 10,0-29,0% Sn; 10,0-29,0% Zn; 0-10,0% Pb), позволяющие несколько расширить область измерений в сторону низких температур.

Недостатком изобретения является невозможность измерения температур ниже 252 К из-за ограниченного температурного интервала гомогенного жидкофазного состояния предложенного сплава со стороны низких температур. Более того, для этих сплавов в жидком состоянии отсутствуют какие-либо данные о температурных зависимостях плотности и электропроводимости, которые могли бы служить свидетельством и гарантией линейности температурной шкалы термометра. Другим недостатком термометрического сплава, предложенного в прототипе, является большая вероятность механического разрушения (разрыва) резервуара термометра с рабочей жидкостью при случайных переохлаждениях и кристаллизации, поскольку галлий - базовый компонент сплавов, в отличие от всех металлов Периодической системы, имеет аномальный температурный коэффициент расширения, - его объем при кристаллизации увеличивается. Заметим, что этот эффект используется в технике эксперимента для вскрытия ампул с галлием в сверхвысоком вакууме простым охлаждением до низких температур.

Задачей изобретения является существенное (в несколько раз) расширение температурного диапазона измерений в сторону низких температур, полное исключение использования высокотоксичной ртути и ее амальгам в качестве рабочего тела, предотвращение механического разрушения термометра при температурах ниже температуры кристаллизации термометрической жидкости, упрощение конструкции термометра и обеспечение полной автономности термометра.

Нами предложен термометр для измерения низких температур (до 195 К), который содержит два коаксиальных осесимметричных цилиндра разных диаметров с вакуумно-плотно запаянными концами, зазор между которыми заполнен огнезащитной порошковой смесью до высоты, превышающей положение верхнего уровня камеры с рабочей жидкостью на расстояние, равное зазору между коаксиальными цилиндрами. Нижняя часть внутреннего цилиндра представляет собой камеру с размещенным в нем натрий-калий-цезиевым эвтектическим расплавом (рабочей жидкостью), переходящая в длинный калиброванный капилляр, в котором перемещается мениск рабочей жидкости, по положению которого определяется температура окружающей среды. На верхнем конце термометра предусмотрен расширительный бачок.

Термометр для измерения низких температур состоит из корпуса 1, цилиндрической камеры 2 с рабочей жидкостью 3, соосно-расположенной с камерой 2 внешней цилиндрической оболочкой 4 в два раза большего диаметра, 5 - огнезащитная порошковая смесь (например, вермикулита с тальком), заполняющая зазор между камерой 2 и оболочкой 4, 6 - шкала термометра с делениями, 7 - калиброванный по диаметру капилляр, 8 - мениск рабочей жидкости в капилляре, 9 - расширительный бачок для предохранения термометра при случайных перегревах рабочей жидкости.

В предлагаемом нами низкотемпературном термометре в качестве рабочего вещества использован самый низкоплавкий из известных на Земле тройной эвтектический сплав Na-K-Cs с температурой плавления 195 К [7].

Известно, что основным свойством, в итоге определяющим пригодность и технические характеристики термометров, является температурная зависимость плотности рабочей жидкости и степень ее линейности во всем температурном диапазоне измерений, которая может нарушаться даже для чистых металлов [8].

Для обоснования возможности использования данного сплава в качестве термометрической жидкости нами экспериментально были изучены температурные и концентрационные зависимости плотности, поверхностного натяжения, коэффициента объемного расширения, а также проанализированы имеющиеся в литературе сведения о теплофизических и механических свойствах и особенностях системы Na-K-Cs [9-15].

На фиг.1 изображен низкотемпературный термометр для измерения температуры в области 195-400 К, где

1 - корпус термометра, 2 - внутренняя цилиндрическая камера для рабочей жидкости, 3 - рабочая жидкость, 4 - внешняя цилиндрическая оболочка, 5 - огнезащитная порошковая смесь вермикулита с тальком, 6 - шкала термометра, 7 - калиброванный капилляр, 8 - мениск рабочей жидкости в капилляре, 9 - расширительный бачок.

На фиг.2 графически показаны результаты наших исследований температурной зависимости плотности околоэвтектических и эвтектического расплава системы Na-K-Cs,

изотермы плотности (1) и мольного объема (2) сплавов тройной системы Na-K-Cs при 373 К вдоль сечений, идущих к вершинам калия (а) и цезия (б). Сплав эвтектического состава на рисунках обозначен крестиками [12].

Как видно из графиков фиг.2, в полном концентрационном интервале составов изотермы плотности тройных сплавов системы Na-K-Cs обнаруживают небольшие положительные отклонения от аддитивности, а изотермы мольных объемов изображаются аддитивными прямыми, что свидетельствует о близости системы Na-K-Cs к идеальным растворам. Заметим лишь, что наши результаты по плотности эвтектического сплава в интервале температур 300-550 К в среднем отклоняются от данных работы [13] на 0,25%, что можно считать вполне удовлетворительным.

Таким образом, из анализа результатов исследований плотности следует, что температурные зависимости плотности и мольного объема эвтектического и околоэвтектических сплавов Na-K-Cs четко описываются линейными уравнениями в интересующем нас температурном диапазоне 195-550 К, что свидетельствует о пригодности их в качестве надежной термометрической жидкости в области низких температур.

Сделанный вывод подтверждается и результатами исследований температурной зависимости электросопротивления эвтектического сплава Na-K-Cs - еще более структурно-чувствительного свойства, чем плотность, по которому также можно обнаружить различные фазовые переходы в металлах и сплавах [14], с наличием которых обычно связывают аномалии на политермах плотности. Установленная в [15] строгая линейная зависимость электрического сопротивления эвтектического сплава Na-K-Cs в широкой области температур (фиг.3) еще раз подтверждает, что данный эвтектический сплав во всем интервале температур от 195 до 400 К не претерпевает фазовых переходов и может быть успешно использован в качестве термометрической жидкости.

В связи с известной активностью щелочных металлов и их сплавов, многие из которых способны к самовозгоранию на воздухе, возникает проблема надежности обеспечения пожаробезопасности при практическом использовании предлагаемого термометра. На взгляд авторов, безусловное решение обозначенной проблемы дано в ряде фундаментальных работ [16-19].

На фиг.3 изображена температурная зависимость электрического сопротивления околоэвтектического сплава натрий-калий-цезий [15], теоретически обосновано отсутствие самовозгорания на воздухе как эвтектического, так и околоэвтектических сплавов системы Na-Cs-К в температурном диапазоне от 295 до 970 К и выше, что намного превышает температурные пределы измерений предлагаемым термометром. Более того, тройные околоэвтектические сплавы Na-Cs-К на воздухе практически не нагреваются и выделяют мало аэрозолей (см. табл.).

В работах [18, 19] это явление изучено детально, в частности достаточно четко установлены температурные и концентрационные границы внутри концентрационного треугольника Na-Cs-К, в пределах которых обнаруженные свойства околоэвтектических сплавов сохраняются. Графически эта область составов представлена на фиг.4 в виде заштрихованного эллипса, в «центре» которого (точка Е на фиг.4) и находится эвтектический сплав Na-K-Cs. Более того, для обеспечения дополнительного запаса надежности по пожаробезопасности и механической прочности в разработанной нами конструкции нового термометра (фиг.1) цилиндрическая камера 2 с рабочим веществом 3 снабжена соосно-расположенной внешней цилиндрической оболочкой 4 в два раза большего диаметра. Зазор между цилиндрами 5 предварительно заполняется огнезащитной порошковой смесью вермикулита с тальком, обладающей хорошими сорбционными свойствами и используемой на практике для тушения горящих щелочных металлов.

На фиг.4 - концентрационные границы околоэвтектических расплавов системы Na-K-Cs (заштрихованноый эллипс, численные параметры которого приведены в табл.3), устойчивых к самовозгоранию на воздухе: точка О - центр эллипса, точка Е - эвтектический сплав Na-K-Cs.

В связи с тем что при низкотемпературных измерениях жидкостными термометрами возникает проблема механической устойчивости термометра -разрушение его рабочей камеры при случайных переохлаждениях термометрической жидкости и кристаллизации последней, как это имеет место, например, для ртутных или амальгамных термометров. В нашем случае специальные механические испытания экспериментального образца термометра с натрий-калий-цезиевым эвтектическим расплавом показали, что его охлаждение до температуры кипения жидкого азота не приводит к механическому разрушению. Более того, «набивка» зазора между коаксиальными цилиндрами порошковой смесью вермикулита с добавкой талька играет не только огнезащитную роль, но одновременно служит хорошим демпфером, смягчающим механические удары или сотрясения, и тем самым улучшая механическую прочность нового термометра.

Следует также отметить, что по такому показателю, как быстрота времени отклика термометра на температурные изменения, предложенное нами термометрическое устройство не уступает существующим ртутным термометрам и даже несколько их превосходит, поскольку теплопроводность жидкоэвтектического натрий-калий-цезиевого сплава (13,7 Вт/мК) выше теплопроводности чистой ртути (13,0 Вт/мК) при 723 K [20], что способствует более скорому установлению теплового равновесия с окружающей средой.

Таким образом, критический анализ результатов исследований физико-химических, теплофизических и механических свойств эвтектического сплава Na-K-Cs позволяет сделать нижеследующие выводы, характеризующие новый термометр:

- существенное (в несколько раз) расширение температурного интервала измерений в сторону низких температур (до 195 K);

- строгая линейность температурной шкалы низкотемпературного термометра;

- высокая надежность термометрической жидкости в области низких температур и достаточный запас по пожаробезопасности в верхнем диапазоне измеряемых температур;

- исключение возможности механического разрушения термометра при температурах ниже температуры кристаллизации рабочей жидкости абсолютного нуля;

- простота термометра и дешевизна;

- удобная форма, компактность и легкость термометра, позволяющие, как авторучку, носить его с собой;

- автономность термометра, не требующего источников питания;

- малая упругость паров термометрической жидкости;

- полное отсутствие ртути и проблем, связанных с токсичностью;

- наличие у нового термометра противоударно-огнезащитной оболочки.

Литература

1. Термометр сопротивления с преобразователем, A RTD with a transmitter built-in. Chem. Eng. (USA). 2004. 111, N 1, с.24. Англ. Фирма Endress+Hauser Inc. Greenwood, Ind., США.

2. Митин В.Ф., Болтовец Н.С., Холевчук В.В., Конакова Р.В. Миниатюрные термометры сопротивления на основе пленок германия, предназначенные для работы в диапазоне температур 0.03-300 K // Инж.-физ. ж., 2000, 73, N 1. С.202-205.

3. Брагин И.В., Бойченко Б.М., Алексеев А.Т., Сгибнев В.П., Морозов А.А., Маслова Н.С. Термометр. Патент 2131116 Россия, МПК⁶ G01J 5/00, N 97102657/28; заявл. 21.2.97; опубл. 27.5.99, бюл. N 15.

4. Кузнецов Э.С., Кузнецов М.Э., Колосенцев С.Д. Ртутный электроконтактный термометр. Патент 2079119 Россия, МПК ⁶ G01K 5/16. ИЧП Оптимум. N 94001139/28, заявл. 5.1.94; опубл. 10.5.97, бюл. N 13.

5. Иванова А.Г., Герасимов С.Ф. Реперная точка на основе эвтектического сплава Ga-In для экспресс-контроля термометров и систем измерения температуры // Измерит. техн., 2008, №5. С.26-30.

6. Металлический сплав на основе Ga, используемый для изготовления жидкости для термометра. Metallische Galliumlegierung als Thermometerflüssigkeit. Заявка 10321843. Германия, МПК⁷ С22С 28/00. Speckbrock, Gerd, 98704 Wumbach, DE. N 10321843.2; заявл. 15.05.2003; опубл. 09.12.2004.

7. Kagan D.N. Ternary Systems. In: Handbook of Thermodynamic and Transport Properties of Alkali Metals. / Ed. R.W.Ohse. Oxford. B.S. Publ., 1985. P.963-977.

8. Филиппов Е.С., Нестеренко А.К. Явление дискретного изменения объемных свойств и структуры в жидких сплавах // Изв. вузов. Черная металлургия, 1974. №1. С.119.

9. Alchagirov B.B., Arkchestov R.Rh., Taova T.M. Khokonov Kh.B. Surface tension of melts of Na-K-Cs ternary system // J. of Materials Science. V.40 (May 2005). №9/10. P.2217-2219.

10. Таова T.M., Алчагиров Б.Б., Архестов Р.Х., Хоконов Х.Б. Плотность и мольный объем сплавов системы натрий-калий-цезий // Перспективные материалы. 2006. №6. С.53-58.

11. Таова T.M., Карамурзов Б.Б., Алчагиров Б.Б., Архестов Р.Х., Хоконов Х.Б. Жидкометаллические теплоносители для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Поверхностное натяжение в жидкой фазе // Перспективные материалы. 2009. №2. С.25-31.

12. Таова T.M., Мальсургенова Ф.М., Алчагиров Б.Б., Хоконов Х.Б. Плотность и мольные объемы тройных сплавов сечений системы натрий-калий-цезий при технически важных температурах // ТВТ. 2009. Т.47. №6. С.850-855.

13. Новиков И.И., Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А. и др. Исследование плотности жидких натрий-калий-цезиевых сплавов при высоких температурах // Перспективные материалы. 2001. №5. С.37-41.

14. Глазов В.М., Вобст М., Тимошенко В.И. Методы исследования свойств жидких металлов и полупроводников. - М.: Металлургия, 1989. 384 с.

15. Гордеева В.Д., Давыдов B.B., Саарс С.Я. и др. Определение удельного электрического сопротивления эвтектического сплава натрий-калий-цезий // Использование жидких металлов в народном хозяйстве: Межотраслевая конференция «Теплофизика-91», Обнинск, 12-15 ноября 1991: Тезисы докладов. Обнинск, 1993. С.72-74.

16. Казачковский О.Д., Старков О.В., Кочеткова Е.А. и др. Некоторые особенности сплавов системы натрий-калий-цезий // Атомная энергия. 1992. Т.73. Вып.6. С.500-502.

17. Сулим Е.В., Богданович Н.Г., Старков О.В. и др. Исследования свойств тройной системы щелочных металлов натрий-калий-цезий в интервале температур 293-973 K. - г.Обнинск. Препринт ФЭИ - 3087. 2007. 45 с.

18. Сулим Е.В. Повышение безопасности применения щелочных металлов. Дисс. на соиск. уч. степ.канд. техн. наук. Обнинск: 2010. ФЭИ. 28 с.

19. Сулим Е.В., Старков О.В., Богданович Н.Г. и др. Обоснование равновесных состояний систем эвтектического сплава натрия, калия, цезия и компонентов воздуха, водорода, кислорода на основе термодинамического анализа // Межотраслевая тематическая конференция «Теплогидравлические аспекты безопасности ЯЭУ с реакторами на быстрых нейтронах. Теплофизика-2005». - Обнинск, 2005. С.167-177.

20. Кириллов П.Л., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей (справочные таблицы и соотношения). Обзоры ФЭИ. Министерство РФ по атом. энергии. ЦНИИ упр. экон. и инф., 2000. №0291. 41 с.