試驗箱溫濕度校準裝置溫度傳感器介紹

利用金屬、合金或半導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。其特點是質地柔軟、容易加工成型、耐腐蝕、不易氧化、具有較好的化學、物理性能。制成的標準鉑電阻溫度計，年變化率優于1mK。它與其它溫度計相比，優點是測溫準確，在合理操作時，其測最不確定度為0.5mK。

一、鉑電阻溫度計技術指標及特點

A.電阻溫度系數

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

B.自熱效應

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，會產生焦耳熱，引起溫度計示值升高，產生測溫誤差。這種現象稱為自熱效應。它可分為內自熱效應和外自熱效應，其中內自熱效應與焦耳熱成正比，與溫度計和介質的熱阻成反比，也與介質的熱交換狀態有關。通常內自熱效應還與電阻溫度計感溫組件和保護管外壁之間溫差有關。在給定的環境溫度下，它與溫度計結構和工作電流等因素相關。外自熱效應是感溫組件產生的焦耳熱經過保護管外壁后與被測介質溫度差引起的。如果被測介質具有良好的傳熱特性，便能減小外自熱效應。

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。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電，使得絕緣電阻下降，于是出現電阻線之間以及引出線之間產生分流和漏電現象，引起溫度計指示的電阻變小。

D.熱惰性和時間常數

通常在測溫時，感溫組件輸出的數值往往不能隨被測介質的溫度同步增減，需經過一定時間后才能取得平衡。這種在顯示時間上的滯后現象稱為溫度計的熱惰性，其數值直接關系到溫度計能否適用于被測介質的環境和準確顯示。溫度計的滯后現象，取決于感溫組件的性能、結構、被測介質狀況及其溫度等因素。理論研究可知，在簡單的一階環節中，其溫度達到介質溫度63.2%所需要的時間等于T}。通常將T。稱為時間常數。在溫度測量領域中，規定被測溫稱為時間常數(???)。在溫度測量領域中，規定被測溫度出現階躍變化時，感溫組件的輸出量變化到相當于環境溫度變化的某個規定百分數時所需要的時間，稱為溫度計熱響應時間。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)以及我國儀表行業均推薦采用50%對應的時間T o，s作為感溫組件熱惰性的指標。理論研究可知，時間常數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、表面積成反比。在這些因素中，散熱系數既是復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、流速等有關。如果感溫組件的導熱系數、比熱系數和外徑小些，保護管的厚度薄些，能都減少響應時間。

E.穩定性

計量儀器的穩定性，表示在規定條件下，計量儀器保持其計量特性恒定不變的能力。鉑電阻溫度計的穩定性是與化學、物理等因素有關。其中化學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、保護管內壁的雜質未徹底清除，使鉑絲受到染。或在高溫下，雜質氧化后從固溶體中排出，會引起溫度系數與熱電特性發生變化。物理因素是感溫組件受機械振動后，幾何尺寸發生微變，或經過高低溫循環時，鉑絲與支撐間熱膨脹的差異使鉑絲產生了應力，從而引起電阻特性發生變化。有時可通過退火減小這種變化，但產生了較大應力，就難以完全恢復原狀。此外，有時即使對鉑電阻溫度計很好維護，但經長時期使用后，鉑絲會發生老化、蠕變或晶粒長大等狀況，從而引起溫度計不穩定。鉑電阻溫度計的穩定性是以規定的溫度和時間內，電阻值變化程度轉換成溫度量表示。其短期穩定性用溫度計經上限溫度退火后，在各個溫度點檢定過程中多次測得的水三相點電阻R}，之間差值所對應的溫度表示。長期穩定性用期限為兩年的兩次周期檢定結果之差表示。

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，應正確使用。

A.應力

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、彎曲而產生應力，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生的應力，將使其阻值增加；對用于0℃以下的感溫組件，產生應力后相反。試驗結果表明，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，其數值相當于0.1 K。產生此現象后，需將其放入溫度為450℃的退火爐中退火，以消除其內應力，然后重新分度。因而溫度計的使用、運輸和存放應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生了應力后，可通過退火消除其部分影響，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。據報導，鉑電阻溫度計在420℃下工作數百小時后，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后，其電阻值會發生變化。尤其螺旋型結構的感溫組件在更高溫度下熱循環后，感溫線圈可能會有短接，嚴重時會使鉑絲與玻璃型骨架的交接處產生裂痕。，據分析，這些缺陷在低于500℃時將會“淬”在晶格點陣中，引起阻值發生變化，很可能產生1mK誤差。當出現這種情況后，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。當對鉑絲加熱時，應注意其氧化效應。因為雖然鉑絲有很強的抗氧化能力，但是，在某些情況下，鉑絲將發生氧化效應。據試驗，鉑絲在450℃至560℃范圍內的空氣中加熱時，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，電阻值發生變化d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R。與Ro對應于同一氧化狀態，不會對準確測溫造成很大影響?？紤]到鉑絲在一定瓶度下出現的淬火、氧化效應，所以當鉑電阻溫度計分度或測溫前，應在450℃的爐中退火Oho

C.磁阻效應

由電阻溫度計的測溫原理可知，其導電機理與感溫組件內電子運動狀態有關。當感溫組件周圍存在磁場時，必將改變其內部電子的運動狀態，引起阻值變化，這就是通常所說的磁阻效應。這種效應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。實驗結果表明，磁阻效應與電阻溫度計的性質、測溫范圍，所處磁場強度等因素有關。，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

在測量鉑電阻溫度計電阻值時，電流流過電阻要產生焦耳熱Q=IZRt。自熱效應包括內熱效應和外熱效應。溫度計的內熱效應是鉑電阻感溫組件和保護套管外壁之間的溫度差，在給定的環境溫度下，只與溫度計結構和通過的電流有關。因此對同一結構和工作電流下在使用過程中的內熱效應是相同的。這樣的內熱效應一般在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，這是由于產生的焦耳熱必須流到外環境中去，將測得的電阻值外推到零電流相應的電阻值，這樣就可測出總的自熱效應。

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。標準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，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，改變引線和感溫組件接頭質檢的熱電動勢方向，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，還應注意到：①耐溫、耐絕緣，并有穩定的物理化學性能；②感溫組件和引線的電阻溫度系數應相近；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中，其周圍熱量將通過熱傳導、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、結構、體積、材料的導熱系數、介質流動狀況以及介質與感溫組件的熱交換系數、熱輻射系數和散熱系數等因素有關。并且，傳熱是一個復雜的綜合性過程。從宏觀上分析，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，減小感溫組件熱傳導系數，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、材料己定，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。電阻溫度計的徑向熱導率還與感溫‘組件工作電流產生的自熱效應成反比。

三、鉑電阻溫度計的內插方程

工業鉑電阻溫度計的內插方程與其溫度系數、測溫范圍有關。對于溫度系數為0.00385℃一，的工業鉑電阻溫度計，當測溫范圍為(-200--0)℃時，內插方程為：本項目在調研大量鉑電阻溫度計廠家的基礎上，最終選定對鉑電阻溫度計有豐富研究經驗的北京玻璃研究所生產的Pt100陶瓷骨架封裝鉑電阻溫度計，經與其技術人員協商，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，為了全量程的準確度要求，后續還需從軟硬件上對其進行全量程線性化處理。http://m.zgshfp.com