試驗(yàn)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(lái)測(cè)量溫度的傳感器叫做電阻溫度計(jì)，鉑電阻溫度計(jì)(PRT)是以高純鉑絲作為感溫組件。其特點(diǎn)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(jì)，年變化率優(yōu)于1mK。它與其它溫度計(jì)相比，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫準(zhǔn)確，在合理操作時(shí)，其測(cè)最不確定度為0.5mK。

一、鉑電阻溫度計(jì)技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

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(jì)的相對(duì)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(gè)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(shí)，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(guò)很好退火的高純鉑絲的a數(shù)值能達(dá)0.003928℃。

B.自熱效應(yīng)

利用電阻溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，必須對(duì)感溫組件的電阻通入工作電流。因此，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，引起溫度計(jì)示值升高，產(chǎn)生測(cè)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(jì)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(jì)感溫組件和保護(hù)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(jì)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(guò)保護(hù)管外壁后與被測(cè)介質(zhì)溫度差引起的。如果被測(cè)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(jì)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(jì)指示的電阻變小。

D.熱惰性和時(shí)間常數(shù)

通常在測(cè)溫時(shí)，感溫組件輸出的數(shù)值往往不能隨被測(cè)介質(zhì)的溫度同步增減，需經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才能取得平衡。這種在顯示時(shí)間上的滯后現(xiàn)象稱為溫度計(jì)的熱惰性，其數(shù)值直接關(guān)系到溫度計(jì)能否適用于被測(cè)介質(zhì)的環(huán)境和準(zhǔn)確顯示。溫度計(jì)的滯后現(xiàn)象，取決于感溫組件的性能、結(jié)構(gòu)、被測(cè)介質(zhì)狀況及其溫度等因素。理論研究可知，在簡(jiǎn)單的一階環(huán)節(jié)中，其溫度達(dá)到介質(zhì)溫度63.2%所需要的時(shí)間等于T}。通常將T。稱為時(shí)間常數(shù)。在溫度測(cè)量領(lǐng)域中，規(guī)定被測(cè)溫稱為時(shí)間常數(shù)(???)。在溫度測(cè)量領(lǐng)域中，規(guī)定被測(cè)溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，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(gè)規(guī)定百分?jǐn)?shù)時(shí)所需要的時(shí)間，稱為溫度計(jì)熱響應(yīng)時(shí)間。達(dá)到階躍溫度的10%，50%，90%所需要的時(shí)間分別記為To.；To.s；To.s。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)以及我國(guó)儀表行業(yè)均推薦采用50%對(duì)應(yīng)的時(shí)間T o，s作為感溫組件熱惰性的指標(biāo)。理論研究可知，時(shí)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(cè)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(hù)管的厚度薄些，能都減少響應(yīng)時(shí)間。

E.穩(wěn)定性

計(jì)量?jī)x器的穩(wěn)定性，表示在規(guī)定條件下，計(jì)量?jī)x器保持其計(jì)量特性恒定不變的能力。鉑電阻溫度計(jì)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(jì)在裝配前工藝過(guò)程不完善，鉑絲和絕緣管、保護(hù)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(huì)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(jī)械振動(dòng)后，幾何尺寸發(fā)生微變，或經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)時(shí)，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(shí)可通過(guò)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(shí)即使對(duì)鉑電阻溫度計(jì)很好維護(hù)，但經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期使用后，鉑絲會(huì)發(fā)生老化、蠕變或晶粒長(zhǎng)大等狀況，從而引起溫度計(jì)不穩(wěn)定。鉑電阻溫度計(jì)的穩(wěn)定性是以規(guī)定的溫度和時(shí)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(jì)經(jīng)上限溫度退火后，在各個(gè)溫度點(diǎn)檢定過(guò)程中多次測(cè)得的水三相點(diǎn)電阻R}，之間差值所對(duì)應(yīng)的溫度表示。長(zhǎng)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(jì)的正確使用

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

A.應(yīng)力

鉑電阻溫度計(jì)為一種精密測(cè)量?jī)x器，沖擊和震動(dòng)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(duì)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(duì)用于0℃以下的感溫組件，產(chǎn)生應(yīng)力后相反。試驗(yàn)結(jié)果表明，如果不小心地使用鉑電阻溫度計(jì)，一年后其水三相點(diǎn)阻值R}。會(huì)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(jì)的使用、運(yùn)輸和存放應(yīng)盡可能不受機(jī)械沖擊的作用。

B.熱處理

雖然電阻溫度討一受到震動(dòng)產(chǎn)生了應(yīng)力后，可通過(guò)退火消除其部分影響，但是，當(dāng)對(duì)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行了不適當(dāng)?shù)耐嘶鸪绦颍蛟诓贿m宜的溫度下經(jīng)過(guò)多次熱沖擊后，將會(huì)引起鉑絲的淬火和氧化效應(yīng)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，鉑電阻溫度計(jì)在420℃下工作數(shù)百小時(shí)后，鉑晶粒將生長(zhǎng)，在更高溫度下晶粒的生長(zhǎng)速度會(huì)更快，此時(shí)鉑絲受到機(jī)械沖擊或多次熱循環(huán)后，其電阻值會(huì)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(huì)有短接，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(shí)將會(huì)“淬”在晶格點(diǎn)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(dá)450℃，便能減少上述缺陷。當(dāng)對(duì)鉑絲加熱時(shí)，應(yīng)注意其氧化效應(yīng)。因?yàn)殡m然鉑絲有很強(qiáng)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(yàn)，鉑絲在450℃至560℃范圍內(nèi)的空氣中加熱時(shí)，表面會(huì)形成一層正交晶系p相P}OZ薄膜。經(jīng)測(cè)定，鉑絲在450℃的空氣中加熱30min，會(huì)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(guò)，當(dāng)鉑絲溫度保持在600℃到650℃范圍時(shí)，其表面的氧化膜會(huì)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(jì)的R。與Ro對(duì)應(yīng)于同一氧化狀態(tài)，不會(huì)對(duì)準(zhǔn)確測(cè)溫造成很大影響?？紤]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(jì)分度或測(cè)溫前，應(yīng)在450℃的爐中退火Oho

C.磁阻效應(yīng)

由電阻溫度計(jì)的測(cè)溫原理可知，其導(dǎo)電機(jī)理與感溫組件內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)感溫組件周圍存在磁場(chǎng)時(shí)，必將改變其內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引起阻值變化，這就是通常所說(shuō)的磁阻效應(yīng)。這種效應(yīng)的估算方法是以電阻溫度計(jì)在一定磁場(chǎng)條件下測(cè)得的電阻增量△R。與零磁場(chǎng)下測(cè)得的電阻R之比表示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁阻效應(yīng)與電阻溫度計(jì)的性質(zhì)、測(cè)溫范圍，所處磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。，但一般由于這些溫度計(jì)的電阻值大，具有很高的靈敏度(0R/0T)，相對(duì)而言，由此引起的測(cè)溫誤差較小。

D.自熱效應(yīng)

在測(cè)量鉑電阻溫度計(jì)電阻值時(shí)，電流流過(guò)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(jì)的內(nèi)熱效應(yīng)是鉑電阻感溫組件和保護(hù)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(jì)結(jié)構(gòu)和通過(guò)的電流有關(guān)。因此對(duì)同一結(jié)構(gòu)和工作電流下在使用過(guò)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(shí)也會(huì)達(dá)到4.5 mK/(mA)Z。在溫度計(jì)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(cè)得的電阻值外推到零電流相應(yīng)的電阻值，這樣就可測(cè)出總的自熱效應(yīng)。

E.引線電阻影響

電阻溫度計(jì)的引線分為兩線、三線和四線三種。標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)均為四線制。有多種方式可消除其影響，可在測(cè)量電阻時(shí)，通過(guò)引線換向開關(guān)，改變引線接入電橋的位置，來(lái)消除引線電阻，也可通過(guò)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(dòng)勢(shì)方向，以消除附加電動(dòng)勢(shì)。為減少引出線對(duì)測(cè)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(shí)名義電阻Ro的千分之一。除此，對(duì)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(dòng)勢(shì)。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(jì)的測(cè)溫方法屬于接觸測(cè)溫法，感溫組件必須浸沒(méi)于被測(cè)介質(zhì)中，其周圍熱量將通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射傳遞到感溫組件，從而引起測(cè)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(dòng)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(gè)復(fù)雜的綜合性過(guò)程。從宏觀上分析，適當(dāng)增加電阻溫度計(jì)的浸沒(méi)深度，增大被測(cè)介質(zhì)的對(duì)流散熱系數(shù)，減小感溫組件熱傳導(dǎo)系數(shù)，減小溫度計(jì)保護(hù)管的橫截面積，均能減小傳熱誤差。在溫度計(jì)結(jié)構(gòu)、材料己定，對(duì)流散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法改善的情況下，只有隨所測(cè)溫度適當(dāng)加大電阻溫度計(jì)的浸沒(méi)深度來(lái)減少此項(xiàng)誤差。電阻溫度計(jì)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(jì)的內(nèi)插方程

工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的內(nèi)插方程與其溫度系數(shù)、測(cè)溫范圍有關(guān)。對(duì)于溫度系數(shù)為0.00385℃一，的工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)，當(dāng)測(cè)溫范圍為(-200--0)℃時(shí)，內(nèi)插方程為：本項(xiàng)目在調(diào)研大量鉑電阻溫度計(jì)廠家的基礎(chǔ)上，最終選定對(duì)鉑電阻溫度計(jì)有豐富研究經(jīng)驗(yàn)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(jì)，經(jīng)與其技術(shù)人員協(xié)商，對(duì)所購(gòu)的Pt100進(jìn)行了電阻篩選，保證所購(gòu)十余支溫度計(jì)在零攝氏度下的R。為100士0.02。即滿足了所購(gòu)十余支溫度計(jì)在零攝氏度下的極差為0.1℃。所購(gòu)鉑電阻溫度計(jì)已預(yù)先在廠家進(jìn)行了熱處理，并按三線制點(diǎn)焊加工了3m長(zhǎng)高溫鍍銀銅線，在陶瓷骨架之外按設(shè)計(jì)尺寸封裝了不銹鋼保護(hù)套。雖然對(duì)波電阻溫度計(jì)在凡進(jìn)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(duì)其進(jìn)行全量程線性化處理。http://www.sh-bise.com