試驗箱溫濕度校準(zhǔn)裝置溫度傳感器介紹

利用金屬、合金或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化來測量溫度的傳感器叫做電阻溫度計，鉑電阻溫度計(PRT)是以高純鉑絲作為感溫組件。其特點是質(zhì)地柔軟、容易加工成型、耐腐蝕、不易氧化、具有較好的化學(xué)、物理性能。制成的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，年變化率優(yōu)于1mK。它與其它溫度計相比，優(yōu)點是測溫準(zhǔn)確，在合理操作時，其測最不確定度為0.5mK。

一、鉑電阻溫度計技術(shù)指標(biāo)及特點

A.電阻溫度系數(shù)

為了表征導(dǎo)體電阻隨溫度而變的特性，引入了電阻溫度系數(shù)的概念。其定義為：在某一溫度間隔內(nèi)，導(dǎo)體的溫由式((3.6)可知，a表示電阻溫度計的相對靈敏度，是表示導(dǎo)體電阻與溫度關(guān)系內(nèi)在特性的一個物理量。如果導(dǎo)體電阻隨溫度升高而增加，這類導(dǎo)體的為正值，稱為正溫度系數(shù)。當(dāng)溫度增加時，其電阻值下降，a為負(fù)值，這類導(dǎo)體的。稱為負(fù)溫度系數(shù)。a的大小與導(dǎo)體的純度有關(guān)，通常純度越高，a越大。經(jīng)過很好退火的高純鉑絲的a數(shù)值能達0.003928℃。

B.自熱效應(yīng)

利用電阻溫度計測量時，必須對感溫組件的電阻通入工作電流。因此，會產(chǎn)生焦耳熱，引起溫度計示值升高，產(chǎn)生測溫誤差。這種現(xiàn)象稱為自熱效應(yīng)。它可分為內(nèi)自熱效應(yīng)和外自熱效應(yīng)，其中內(nèi)自熱效應(yīng)與焦耳熱成正比，與溫度計和介質(zhì)的熱阻成反比，也與介質(zhì)的熱交換狀態(tài)有關(guān)。通常內(nèi)自熱效應(yīng)還與電阻溫度計感溫組件和保護管外壁之間溫差有關(guān)。在給定的環(huán)境溫度下，它與溫度計結(jié)構(gòu)和工作電流等因素相關(guān)。外自熱效應(yīng)是感溫組件產(chǎn)生的焦耳熱經(jīng)過保護管外壁后與被測介質(zhì)溫度差引起的。如果被測介質(zhì)具有良好的傳熱特性，便能減小外自熱效應(yīng)。

C.絕緣性能

電阻溫度計的絕緣性能是與感溫組件電阻絲之間和引線之間絕緣程度有關(guān)。在常溫下，這些絕緣電阻是很大的，一般在100M。以上。但是，在高溫下，由于支撐鉑絲的骨架和引出線的絕緣管中的離子導(dǎo)電，使得絕緣電阻下降，于是出現(xiàn)電阻線之間以及引出線之間產(chǎn)生分流和漏電現(xiàn)象，引起溫度計指示的電阻變小。

D.熱惰性和時間常數(shù)

通常在測溫時，感溫組件輸出的數(shù)值往往不能隨被測介質(zhì)的溫度同步增減，需經(jīng)過一定時間后才能取得平衡。這種在顯示時間上的滯后現(xiàn)象稱為溫度計的熱惰性，其數(shù)值直接關(guān)系到溫度計能否適用于被測介質(zhì)的環(huán)境和準(zhǔn)確顯示。溫度計的滯后現(xiàn)象，取決于感溫組件的性能、結(jié)構(gòu)、被測介質(zhì)狀況及其溫度等因素。理論研究可知，在簡單的一階環(huán)節(jié)中，其溫度達到介質(zhì)溫度63.2%所需要的時間等于T}。通常將T。稱為時間常數(shù)。在溫度測量領(lǐng)域中，規(guī)定被測溫稱為時間常數(shù)(???)。在溫度測量領(lǐng)域中，規(guī)定被測溫度出現(xiàn)階躍變化時，感溫組件的輸出量變化到相當(dāng)于環(huán)境溫度變化的某個規(guī)定百分?jǐn)?shù)時所需要的時間，稱為溫度計熱響應(yīng)時間。達到階躍溫度的10%，50%，90%所需要的時間分別記為To.；To.s；To.s。國際電工委員會(IEC)以及我國儀表行業(yè)均推薦采用50%對應(yīng)的時間T o，s作為感溫組件熱惰性的指標(biāo)。理論研究可知，時間常數(shù)T不僅與感溫組件的比熱、密度、體積成正比，還與其散熱系數(shù)、表面積成反比。在這些因素中，散熱系數(shù)既是復(fù)雜也是最難以地測定的，它與感溫組件形狀、表面狀況、流體介質(zhì)、流速等有關(guān)。如果感溫組件的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱系數(shù)和外徑小些，保護管的厚度薄些，能都減少響應(yīng)時間。

E.穩(wěn)定性

計量儀器的穩(wěn)定性，表示在規(guī)定條件下，計量儀器保持其計量特性恒定不變的能力。鉑電阻溫度計的穩(wěn)定性是與化學(xué)、物理等因素有關(guān)。其中化學(xué)因素是鉑絲被污染后引起的。如溫度計在裝配前工藝過程不完善，鉑絲和絕緣管、保護管內(nèi)壁的雜質(zhì)未徹底清除，使鉑絲受到染?；蛟诟邷叵?，雜質(zhì)氧化后從固溶體中排出，會引起溫度系數(shù)與熱電特性發(fā)生變化。物理因素是感溫組件受機械振動后，幾何尺寸發(fā)生微變，或經(jīng)過高低溫循環(huán)時，鉑絲與支撐間熱膨脹的差異使鉑絲產(chǎn)生了應(yīng)力，從而引起電阻特性發(fā)生變化。有時可通過退火減小這種變化，但產(chǎn)生了較大應(yīng)力，就難以完全恢復(fù)原狀。此外，有時即使對鉑電阻溫度計很好維護，但經(jīng)長時期使用后，鉑絲會發(fā)生老化、蠕變或晶粒長大等狀況，從而引起溫度計不穩(wěn)定。鉑電阻溫度計的穩(wěn)定性是以規(guī)定的溫度和時間內(nèi)，電阻值變化程度轉(zhuǎn)換成溫度量表示。其短期穩(wěn)定性用溫度計經(jīng)上限溫度退火后，在各個溫度點檢定過程中多次測得的水三相點電阻R}，之間差值所對應(yīng)的溫度表示。長期穩(wěn)定性用期限為兩年的兩次周期檢定結(jié)果之差表示。

二、鉑電阻溫度計的正確使用

鉑電阻溫度計為精密測溫傳感器，為了能滿足精密測量溫度的需要，在本課題測址溫度范圍內(nèi)，應(yīng)正確使用。

A.應(yīng)力

鉑電阻溫度計為一種精密測量儀器，沖擊和震動等都可能使骨架上的感溫組件變形、彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力，從而改變其溫度一電阻特性。通常對用于0℃以上的感溫組件所產(chǎn)生的應(yīng)力，將使其阻值增加；對用于0℃以下的感溫組件，產(chǎn)生應(yīng)力后相反。試驗結(jié)果表明，如果不小心地使用鉑電阻溫度計，一年后其水三相點阻值R}。會有所增加，其數(shù)值相當(dāng)于0.1 K。產(chǎn)生此現(xiàn)象后，需將其放入溫度為450℃的退火爐中退火，以消除其內(nèi)應(yīng)力，然后重新分度。因而溫度計的使用、運輸和存放應(yīng)盡可能不受機械沖擊的作用。

B.熱處理

雖然電阻溫度討一受到震動產(chǎn)生了應(yīng)力后，可通過退火消除其部分影響，但是，當(dāng)對鉑電阻溫度計進行了不適當(dāng)?shù)耐嘶鸪绦颍蛟诓贿m宜的溫度下經(jīng)過多次熱沖擊后，將會引起鉑絲的淬火和氧化效應(yīng)。據(jù)報導(dǎo)，鉑電阻溫度計在420℃下工作數(shù)百小時后，鉑晶粒將生長，在更高溫度下晶粒的生長速度會更快，此時鉑絲受到機械沖擊或多次熱循環(huán)后，其電阻值會發(fā)生變化。尤其螺旋型結(jié)構(gòu)的感溫組件在更高溫度下熱循環(huán)后，感溫線圈可能會有短接，嚴(yán)重時會使鉑絲與玻璃型骨架的交接處產(chǎn)生裂痕。，據(jù)分析，這些缺陷在低于500℃時將會“淬”在晶格點陣中，引起阻值發(fā)生變化，很可能產(chǎn)生1mK誤差。當(dāng)出現(xiàn)這種情況后，將其放入退火爐中加熱到660℃，保持15min，然后以100℃/h的降溫速度使其到達450℃，便能減少上述缺陷。當(dāng)對鉑絲加熱時，應(yīng)注意其氧化效應(yīng)。因為雖然鉑絲有很強的抗氧化能力，但是，在某些情況下，鉑絲將發(fā)生氧化效應(yīng)。據(jù)試驗，鉑絲在450℃至560℃范圍內(nèi)的空氣中加熱時，表面會形成一層正交晶系p相P}OZ薄膜。經(jīng)測定，鉑絲在450℃的空氣中加熱30min，會形成llnm厚的氧化膜，使鉑絲截面積增加，電阻值發(fā)生變化d如果在450℃使其快速冷卻，便能減小其氧化效應(yīng)。不過，當(dāng)鉑絲溫度保持在600℃到650℃范圍時，其表面的氧化膜會迅速分解，基本上可恢復(fù)原有的截面積。盡管鉑絲存在著上述氧化效應(yīng)，但是，只要鉑電阻溫度計的R。與Ro對應(yīng)于同一氧化狀態(tài)，不會對準(zhǔn)確測溫造成很大影響。考慮到鉑絲在一定瓶度下出現(xiàn)的淬火、氧化效應(yīng)，所以當(dāng)鉑電阻溫度計分度或測溫前，應(yīng)在450℃的爐中退火Oho

C.磁阻效應(yīng)

由電阻溫度計的測溫原理可知，其導(dǎo)電機理與感溫組件內(nèi)電子運動狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)感溫組件周圍存在磁場時，必將改變其內(nèi)部電子的運動狀態(tài)，引起阻值變化，這就是通常所說的磁阻效應(yīng)。這種效應(yīng)的估算方法是以電阻溫度計在一定磁場條件下測得的電阻增量△R。與零磁場下測得的電阻R之比表示。實驗結(jié)果表明，磁阻效應(yīng)與電阻溫度計的性質(zhì)、測溫范圍，所處磁場強度等因素有關(guān)。，但一般由于這些溫度計的電阻值大，具有很高的靈敏度(0R/0T)，相對而言，由此引起的測溫誤差較小。

D.自熱效應(yīng)

在測量鉑電阻溫度計電阻值時，電流流過電阻要產(chǎn)生焦耳熱Q=IZRt。自熱效應(yīng)包括內(nèi)熱效應(yīng)和外熱效應(yīng)。溫度計的內(nèi)熱效應(yīng)是鉑電阻感溫組件和保護套管外壁之間的溫度差，在給定的環(huán)境溫度下，只與溫度計結(jié)構(gòu)和通過的電流有關(guān)。因此對同一結(jié)構(gòu)和工作電流下在使用過程中的內(nèi)熱效應(yīng)是相同的。這樣的內(nèi)熱效應(yīng)一般在0.3至1.2mK/(mA)Z之間，有時也會達到4.5 mK/(mA)Z。在溫度計套管外部也存在著外熱效應(yīng)，這是由于產(chǎn)生的焦耳熱必須流到外環(huán)境中去，將測得的電阻值外推到零電流相應(yīng)的電阻值，這樣就可測出總的自熱效應(yīng)。

E.引線電阻影響

電阻溫度計的引線分為兩線、三線和四線三種。標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計均為四線制。有多種方式可消除其影響，可在測量電阻時，通過引線換向開關(guān)，改變引線接入電橋的位置，來消除引線電阻，也可通過電流換向開關(guān)，改變引線和感溫組件接頭質(zhì)檢的熱電動勢方向，以消除附加電動勢。為減少引出線對測溫的影響，鉑熱電阻引出線的電阻值應(yīng)小于感溫組件在0℃時名義電阻Ro的千分之一。除此，對選用的引線，還應(yīng)注意到：①耐溫、耐絕緣，并有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能；②感溫組件和引線的電阻溫度系數(shù)應(yīng)相近；③引線與熱電阻絲之間有較小的熱電動勢。通常鉑熱電阻引線采用純度為99.90，6以上的銀絲。

F.傳熱誤差

電阻溫度計的測溫方法屬于接觸測溫法，感溫組件必須浸沒于被測介質(zhì)中，其周圍熱量將通過熱傳導(dǎo)、熱輻射傳遞到感溫組件，從而引起測溫誤差。其大小與感溫組件的自熱效應(yīng)、結(jié)構(gòu)、體積、材料的導(dǎo)熱系數(shù)、介質(zhì)流動狀況以及介質(zhì)與感溫組件的熱交換系數(shù)、熱輻射系數(shù)和散熱系數(shù)等因素有關(guān)。并且，傳熱是一個復(fù)雜的綜合性過程。從宏觀上分析，適當(dāng)增加電阻溫度計的浸沒深度，增大被測介質(zhì)的對流散熱系數(shù)，減小感溫組件熱傳導(dǎo)系數(shù)，減小溫度計保護管的橫截面積，均能減小傳熱誤差。在溫度計結(jié)構(gòu)、材料己定，對流散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)無法改善的情況下，只有隨所測溫度適當(dāng)加大電阻溫度計的浸沒深度來減少此項誤差。電阻溫度計的徑向熱導(dǎo)率還與感溫‘組件工作電流產(chǎn)生的自熱效應(yīng)成反比。

三、鉑電阻溫度計的內(nèi)插方程

工業(yè)鉑電阻溫度計的內(nèi)插方程與其溫度系數(shù)、測溫范圍有關(guān)。對于溫度系數(shù)為0.00385℃一，的工業(yè)鉑電阻溫度計，當(dāng)測溫范圍為(-200--0)℃時，內(nèi)插方程為：本項目在調(diào)研大量鉑電阻溫度計廠家的基礎(chǔ)上，最終選定對鉑電阻溫度計有豐富研究經(jīng)驗的北京玻璃研究所生產(chǎn)的Pt100陶瓷骨架封裝鉑電阻溫度計，經(jīng)與其技術(shù)人員協(xié)商，對所購的Pt100進行了電阻篩選，保證所購十余支溫度計在零攝氏度下的R。為100士0.02。即滿足了所購十余支溫度計在零攝氏度下的極差為0.1℃。所購鉑電阻溫度計已預(yù)先在廠家進行了熱處理，并按三線制點焊加工了3m長高溫鍍銀銅線，在陶瓷骨架之外按設(shè)計尺寸封裝了不銹鋼保護套。雖然對波電阻溫度計在凡進行了初步篩選，為了全量程的準(zhǔn)確度要求，后續(xù)還需從軟硬件上對其進行全量程線性化處理。http://www.sh-bise.com