影響鉑電阻溫度測量原因分析和處理方法

[摘要]標準鉑電阻溫度計是ITS-1990國際溫標中規(guī)定的內插儀器,很多企事業(yè)單位特別是計量、熱工、電力等行業(yè)經常用標準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行分析，并探討其對應處理方法。
       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行分析,并探討其對應處理方法。
1常見原因及處理方法
1.1震動
       鉑電阻溫度計屬于儀器,它受到沖擊、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、彎曲而產生應力,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生的應力,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生應力,電阻值會減小、電阻比Wt增加。但是，如果受到的機械沖擊不是太明顯,機械沖擊造成的漂移不是太大,那么機械沖擊造成的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℃的退火爐中進行退火,以消除其內應力,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構,則不能通過退火來恢復Rp和W.
1.2淬火與氧化
       雖然鉑電阻溫度計受到震動產生了應力后,可以通過退火來消除其部分影響,但是,當對鉑電阻溫度計進行了不適當的退火程序,或者在不適宜的溫度下經過多次熱沖擊后,將會引起鉑絲的淬火和氧化效應。螺旋型結構的感溫元件在高溫下熱循環(huán)后,感溫線圈可能會短接,嚴重時會使鉑絲與玻璃型骨架的交接處產生裂痕。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，導致其R，數值有所增加,有可能產生1mK誤差。當出現.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450℃,便能減少上述缺陷。
       當對鉑絲加熱時，還應注意其氧化效應。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。鉑絲在450℃~560℃范圍內的空氣中加熱時表面會形成一層正交晶系β相P1O2薄膜。經測定,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。不過，當鉑絲溫度保持在600℃到650℃范圍時,其表面的氧化膜會迅速分解,基本.上可恢復原有的截面積。
       盡管鉑絲存在著上述氧化效應,但是,只要鉑電阻溫度計的Rt與Rtp對應于同一氧化狀態(tài),運用W,表示其熱電特性時,即使存在著氧化效應,也不會對測溫的正確性造成很大影響。
       考慮到鉑絲在一-定溫度下出現的淬火、氧化效應,在對當鉑電阻溫度計分度或測溫前，應在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管和金屬護管,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管鉑電阻溫度計。由于金屬護管鉑電阻溫度計的元件設計通常都比較好,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。被污染之后，鉑電阻溫度計可能就不再滿足ITS-90溫標的要求。石英護管鉑電阻溫度計和金屬護管鉑電阻溫度計污染之間的不同在于金屬護管鉑電阻溫度計在非常短時間內的漂移非常明顯，而石英護管鉑電阻溫度計的漂移有個逐漸的過程。
1.4自熱效應
       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,電流的熱效應會使感溫元件自身溫度升高，為使這種現象對測量影響不超過一定限度,通常規(guī)定流過標準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中,其周圍熱量將通過熱傳導、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、結構、體積、材料的導熱系數、介質流動狀況以及介質與感溫元件的熱交換系數、熱輻射系數和散熱系數等因素有關。通常適當增加電阻溫度計的浸沒深度,增大被測介質的對流散熱系數,減小感溫元件熱傳導系數,減小溫度計保護管的橫截面積，均能減小傳熱誤差。在溫度計結構、材料已定,對流散熱系數和導熱系數無法改善的情況下,只有隨所測溫度,適當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溫度的熱輻射源,感溫元件將會增加或減少部分熱量，導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,當室內的照明燈照到溫度計露在室溫的部分或三相點瓶的內壁,就有可能產生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,用石英保護管的鉑電阻溫度計測量溫度時，套管內的光管效應引起的誤差將達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系,現改為用溫度與Wt的對應關系計算。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備系統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,或受到了輕微的機械沖擊。可以通過退火處理來恢復。
(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,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械沖擊或輕微污染。退火后，若Rtp恢復,則說明原因是機械沖擊，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械沖擊。可以通過退火在一定程度上恢復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,則可以認為屬于正常。.
(7)如果Rtp明顯下降,Wt增大,則可能是Rtp的護管密封不嚴(潮氣進入到了護管)。
(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。