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測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)是測溫準(zhǔn)確,在合理操作時(shí),其測最不確定度為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)測量時(shí),必須對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)過保護(hù)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(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)
通常在測溫時(shí),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(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(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)。在溫度測量領(lǐng)域中,規(guī)定被測溫稱為時(shí)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(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。國際電工委員會(huì)(IEC)以及我國儀表行業(yè)均推薦采用50%對應(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)量儀器的穩(wěn)定性,表示在規(guī)定條件下,計(jì)量儀器保持其計(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。或在高溫下,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)即使對鉑電阻溫度計(jì)很好維護(hù),但經(jīng)長時(shí)期使用后,鉑絲會(huì)發(fā)生老化、蠕變或晶粒長大等狀況,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)檢定過程中多次測得的水三相點(diǎn)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(jì)的正確使用
鉑電阻溫度計(jì)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(jì)為一種精密測量儀器,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(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,可通過退火消除其部分影響,但是,當(dāng)對鉑電阻溫度計(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,在更高溫度下晶粒的生長速度會(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,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對應(yīng)于同一氧化狀態(tài),不會(huì)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(jì)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(jì)的測溫原理可知,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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁阻效應(yīng)與電阻溫度計(jì)的性質(zhì)、測溫范圍,所處磁場強(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(jì)電阻值時(shí),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(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(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(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,可在測量電阻時(shí),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(dòng)勢方向,以消除附加電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)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(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)雜的綜合性過程。從宏觀上分析,適當(dāng)增加電阻溫度計(jì)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(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(jì)的浸沒深度來減少此項(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(jì),當(dāng)測溫范圍為(-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,對所購的Pt100進(jìn)行了電阻篩選,保證所購十余支溫度計(jì)在零攝氏度下的R。為100士0.02。即滿足了所購十余支溫度計(jì)在零攝氏度下的極差為0.1℃。所購鉑電阻溫度計(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)還需從軟硬件上對其進(jìn)行全量程線性化處理。http://m.zgshfp.com