影響鉑電阻溫度測量原因分析和處理方法

[摘要]標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計是ITS-1990國際溫標(biāo)中規(guī)定的內(nèi)插儀器,很多企事業(yè)單位特別是計量、熱工、電力等行業(yè)經(jīng)常用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計檢定工業(yè)鉑熱電阻、各類水銀溫度計或直接用于測量。正確使用與維護(hù)鉑電阻溫度計非常重要,否則將會引起很大測量誤差。文中對影響鉑電阻溫度計正確測量的常見原因進(jìn)行分析，并探討其對應(yīng)處理方法。
       鉑電阻溫度計是一種測溫精度很高、穩(wěn)定性好、測溫范圍廣.測溫誤差很小的溫度計,然而,如果使用不正確或者使用一段時間后會產(chǎn)生漂移,將會引起很大測量誤差,難以得到正確的熱電特性,本文對影響鉑電阻溫度計正確測量的常見原因進(jìn)行分析,并探討其對應(yīng)處理方法。
1常見原因及處理方法
1.1震動
       鉑電阻溫度計屬于儀器,它受到?jīng)_擊、震動或其它形式的加速時，都可能引起繞在骨架上的感溫元件變形、彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力,從而改變其溫度--電阻特性。通常對用于0℃以上的感溫元件所產(chǎn)生的應(yīng)力,電阻值會增大、電阻比Wt=Rr/Rtp減小,對用于0℃以下的感溫元件所產(chǎn)生應(yīng)力,電阻值會減小、電阻比Wt增加。但是，如果受到的機(jī)械沖擊不是太明顯,機(jī)械沖擊造成的漂移不是太大,那么機(jī)械沖擊造成的Rtp和Wt漂移可以通過退火處理來消除。將鉑電阻溫度計放人溫度為450℃的退火爐中進(jìn)行退火,以消除其內(nèi)應(yīng)力,然后重新分度。如果鉑絲被物理損壞，如在鉑絲上有小的傷口或者鉑絲成竹結(jié)構(gòu),則不能通過退火來恢復(fù)Rp和W.
1.2淬火與氧化
       雖然鉑電阻溫度計受到震動產(chǎn)生了應(yīng)力后,可以通過退火來消除其部分影響,但是,當(dāng)對鉑電阻溫度計進(jìn)行了不適當(dāng)?shù)耐嘶鸪绦?或者在不適宜的溫度下經(jīng)過多次熱沖擊后,將會引起鉑絲的淬火和氧化效應(yīng)。螺旋型結(jié)構(gòu)的感溫元件在高溫下熱循環(huán)后,感溫線圈可能會短接,嚴(yán)重時會使鉑絲與玻璃型骨架的交接處產(chǎn)生裂痕。長桿型鉑電阻溫度計由660℃快速冷卻時發(fā)生的淬火效應(yīng)可使鉑絲的晶格錯位或引起其它缺陷。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，導(dǎo)致其R，數(shù)值有所增加,有可能產(chǎn)生1mK誤差。當(dāng)出現(xiàn).這種情況后,將其放人退火爐中加熱到660℃,保持15min,然后以100C/h的降溫速度使其到達(dá)450℃,便能減少上述缺陷。
       當(dāng)對鉑絲加熱時，還應(yīng)注意其氧化效應(yīng)。雖然鉑絲有很強(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)。鉑絲在450℃~560℃范圍內(nèi)的空氣中加熱時表面會形成一層正交晶系β相P1O2薄膜。經(jīng)測定,鉑絲在450℃的空氣中加熱30min,會形成11nm厚的氧化膜,使鉑絲截面積增加,電阻值發(fā)生變化。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Rt與Rtp對應(yīng)于同一氧化狀態(tài),運(yùn)用W,表示其熱電特性時,即使存在著氧化效應(yīng),也不會對測溫的正確性造成很大影響。
       考慮到鉑絲在一-定溫度下出現(xiàn)的淬火、氧化效應(yīng),在對當(dāng)鉑電阻溫度計分度或測溫前，應(yīng)在450℃的爐中退火4h,高溫鉑電阻溫度計的退火程序是在700℃下退火2h,之后隨爐冷卻到450℃，保持30min到1h,然后從退火爐中取出溫度計,使其快速冷卻到室溫。
1.3污染
        鉑電阻溫度計有石英護(hù)管和金屬護(hù)管,它們在廉金屬環(huán)境下被污染的條件不同。溫度計的石英護(hù)管暴露于660℃到850℃的廉金屬環(huán)境下時會被污染。而在660℃以下和高于850℃時,石英護(hù)管在廉金屬中不會被污染。通常情況,在675℃以下都可以使用金屬護(hù)管鉑電阻溫度計。由于金屬護(hù)管鉑電阻溫度計的元件設(shè)計通常都比較好,可以用于廉金屬環(huán)境中。如果鉑電阻溫度計被污染,其Rtp將會增加,任何凝固點的電阻比Wt都會下降。Rtp和W.不能完全通過退火處理來恢復(fù)。被污染之后，鉑電阻溫度計可能就不再滿足ITS-90溫標(biāo)的要求。石英護(hù)管鉑電阻溫度計和金屬護(hù)管鉑電阻溫度計污染之間的不同在于金屬護(hù)管鉑電阻溫度計在非常短時間內(nèi)的漂移非常明顯，而石英護(hù)管鉑電阻溫度計的漂移有個逐漸的過程。
1.4自熱效應(yīng)
       測量電阻溫度計的電阻值時,不論采用什么方法都會有電流流過,電流的熱效應(yīng)會使感溫元件自身溫度升高，為使這種現(xiàn)象對測量影響不超過一定限度,通常規(guī)定流過標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的電流不超過1mA。測量過程中采用電流換向的方法來消除雜散熱電勢引起的誤差。
1.5傳熱誤差
       電阻溫度計的測溫方法屬于接觸測溫法，感溫元件必須浸沒于被測介質(zhì)中,其周圍熱量將通過熱傳導(dǎo)、熱輻射傳遞到感溫元件，從而引起測溫誤差。其大小與感溫元件的自熱效應(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)與感溫元件的熱交換系數(shù)、熱輻射系數(shù)和散熱系數(shù)等因素有關(guān)。通常適當(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),減小感溫元件熱傳導(dǎo)系數(shù),減小溫度計保護(hù)管的橫截面積，均能減小傳熱誤差。在溫度計結(jié)構(gòu)、材料已定,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。
       引起電阻溫度計傳熱誤差的另一因素是外界對溫度計的熱輻射。如果在感溫元件附近有一個高于或低于介質(zhì)溫度的熱輻射源,感溫元件將會增加或減少部分熱量，導(dǎo)致溫度計難以測得實際溫度。如用鉑電阻溫度計測量水三相點溫度時,當(dāng)室內(nèi)的照明燈照到溫度計露在室溫的部分或三相點瓶的內(nèi)壁,就有可能產(chǎn)生0.2mK誤差。因此做實驗時,要將水三相點瓶浸沒在冰槽中,并使溫度計具有盡可能多的浸沒深度。在高溫范圍用電阻溫度計測溫時,沿著溫度計套管的熱損失也會引起較大測量誤差。如在600℃時,用石英保護(hù)管的鉑電阻溫度計測量溫度時，套管內(nèi)的光管效應(yīng)引起的誤差將達(dá)80mK。在此情況下，可通過增大溫度計的浸沒深度來減少其影響。
1.6Wt的正確計算
       電阻溫度計的熱電關(guān)系,現(xiàn)改為用溫度與Wt的對應(yīng)關(guān)系計算。由IiTS-90可知,Wt=Rt/Rtp。按此方法計算時,可以減小電阻溫度計不穩(wěn)定性帶來的影響,也能克服不同電測設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是,如果在計算W,時選用的Rtp，不是取于同一天測量Rt前后的數(shù)值,而選用時隔多日的測量值,或是來源于該溫度計檢定證書上給出的Rtp,則將難以起到減少電阻溫度計不穩(wěn)定帶來的影響。另外，如果用來測量Rt和Rtp的電測儀.器不是同一臺儀器，也不能減少電測儀器系統(tǒng)誤差造成的部分影響。用上述不正確方法計算得到的Wt值,將會引起很大測量誤差。
2測量過程常見問題判斷規(guī)律
(1)如果Rtp稍微增大,電阻比Wt保持不變或變化非常小，則可能是鉑電阻溫度計被氧化,或受到了輕微的機(jī)械沖擊?？梢酝ㄟ^退火處理來恢復(fù)。
(2)如果Rtp明顯增大,Wt保持不變或變化非常小，則可能是鉑電阻溫度計被氧化或傳感器金屬絲被物理損壞。若退火后Rtp恢復(fù),則說明鉑電阻溫度計被氧化了。若退火后Rtp仍然沒有改善,則可能是鉑電阻溫度計的傳感器金屬絲被物理損壞。
(3)如果Rtp稍微增大,Wt稍微降低,則可能是鉑電阻溫度計受到了機(jī)械沖擊或輕微污染。退火后，若Rtp恢復(fù),則說明原因是機(jī)械沖擊，否則就是污染。
(4)如果Rp明顯增大,W,稍微降低,則可能是鉑電阻溫度計受到了明顯的機(jī)械沖擊?？梢酝ㄟ^退火在一定程度上恢復(fù)Rtp。
(5)如果Rtp明顯增大,Wt也明顯增大,則可能是鉑電阻溫度計受到了明顯污染。退火將無濟(jì)于事,或者Rtp會更糟。
(6)如果Rtp稍微下降Wt保持不變或變化很小,則可以認(rèn)為屬于正常。.
(7)如果Rtp明顯下降,Wt增大,則可能是Rtp的護(hù)管密封不嚴(yán)(潮氣進(jìn)入到了護(hù)管)。
(8)如果Rtp明顯下降,并且不穩(wěn)定，則可能是鉑電阻溫度計的傳感器短路。
(9)如果在退火過程中Rtp連續(xù)下降,則可能是由于傳感器鉑的顆粒增長造成的。