影響鉑電阻溫度測(cè)量原因分析和處理方法

[摘要]標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是ITS-1990國(guó)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(jì)量、熱工、電力等行業(yè)經(jīng)常用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定工業(yè)鉑熱電阻、各類水銀溫度計(jì)或直接用于測(cè)量。正確使用與維護(hù)鉑電阻溫度計(jì)非常重要,否則將會(huì)引起很大測(cè)量誤差。文中對(duì)影響鉑電阻溫度計(jì)正確測(cè)量的常見(jiàn)原因進(jìn)行分析，并探討其對(duì)應(yīng)處理方法。
       鉑電阻溫度計(jì)是一種測(cè)溫精度很高、穩(wěn)定性好、測(cè)溫范圍廣.測(cè)溫誤差很小的溫度計(jì),然而,如果使用不正確或者使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生漂移,將會(huì)引起很大測(cè)量誤差,難以得到正確的熱電特性,本文對(duì)影響鉑電阻溫度計(jì)正確測(cè)量的常見(jiàn)原因進(jìn)行分析,并探討其對(duì)應(yīng)處理方法。
1常見(jiàn)原因及處理方法
1.1震動(dòng)
       鉑電阻溫度計(jì)屬于儀器,它受到?jīng)_擊、震動(dòng)或其它形式的加速時(shí)，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(duì)用于0℃以上的感溫元件所產(chǎn)生的應(yīng)力,電阻值會(huì)增大、電阻比Wt=Rr/Rtp減小,對(duì)用于0℃以下的感溫元件所產(chǎn)生應(yīng)力,電阻值會(huì)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(guò)退火處理來(lái)消除。將鉑電阻溫度計(jì)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?yè)p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(guò)退火來(lái)恢復(fù)Rp和W.
1.2淬火與氧化
       雖然鉑電阻溫度計(jì)受到震動(dòng)產(chǎn)生了應(yīng)力后,可以通過(guò)退火來(lái)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?或者在不適宜的溫度下經(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)。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(huì)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。長(zhǎng)桿型鉑電阻溫度計(jì)由660℃快速冷卻時(shí)發(fā)生的淬火效應(yīng)可使鉑絲的晶格錯(cuò)位或引起其它缺陷。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，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(duì)鉑絲加熱時(shí)，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(shí)表面會(huì)形成一層正交晶系β相P1O2薄膜。經(jīng)測(cè)定,鉑絲在450℃的空氣中加熱30min,會(huì)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(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Rt與Rtp對(duì)應(yīng)于同一氧化狀態(tài),運(yùn)用W,表示其熱電特性時(shí),即使存在著氧化效應(yīng),也不會(huì)對(duì)測(cè)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(duì)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4h,高溫鉑電阻溫度計(jì)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(jì),使其快速冷卻到室溫。
1.3污染
        鉑電阻溫度計(jì)有石英護(hù)管和金屬護(hù)管,它們?cè)诹饘侪h(huán)境下被污染的條件不同。溫度計(jì)的石英護(hù)管暴露于660℃到850℃的廉金屬環(huán)境下時(shí)會(huì)被污染。而在660℃以下和高于850℃時(shí),石英護(hù)管在廉金屬中不會(huì)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(jì)。由于金屬護(hù)管鉑電阻溫度計(jì)的元件設(shè)計(jì)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(jì)被污染,其Rtp將會(huì)增加,任何凝固點(diǎn)的電阻比Wt都會(huì)下降。Rtp和W.不能完全通過(guò)退火處理來(lái)恢復(fù)。被污染之后，鉑電阻溫度計(jì)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(jì)和金屬護(hù)管鉑電阻溫度計(jì)污染之間的不同在于金屬護(hù)管鉑電阻溫度計(jì)在非常短時(shí)間內(nèi)的漂移非常明顯，而石英護(hù)管鉑電阻溫度計(jì)的漂移有個(gè)逐漸的過(guò)程。
1.4自熱效應(yīng)
       測(cè)量電阻溫度計(jì)的電阻值時(shí),不論采用什么方法都會(huì)有電流流過(guò),電流的熱效應(yīng)會(huì)使感溫元件自身溫度升高，為使這種現(xiàn)象對(duì)測(cè)量影響不超過(guò)一定限度,通常規(guī)定流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的電流不超過(guò)1mA。測(cè)量過(guò)程中采用電流換向的方法來(lái)消除雜散熱電勢(shì)引起的誤差。
1.5傳熱誤差
       電阻溫度計(jì)的測(cè)溫方法屬于接觸測(cè)溫法，感溫元件必須浸沒(méi)于被測(cè)介質(zhì)中,其周?chē)鸁崃繉⑼ㄟ^(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射傳遞到感溫元件，從而引起測(cè)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(dòng)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(jì)的浸沒(méi)深度,增大被測(cè)介質(zhì)的對(duì)流散熱系數(shù),減小感溫元件熱傳導(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)、材料已定,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。
       引起電阻溫度計(jì)傳熱誤差的另一因素是外界對(duì)溫度計(jì)的熱輻射。如果在感溫元件附近有一個(gè)高于或低于介質(zhì)溫度的熱輻射源,感溫元件將會(huì)增加或減少部分熱量，導(dǎo)致溫度計(jì)難以測(cè)得實(shí)際溫度。如用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量水三相點(diǎn)溫度時(shí),當(dāng)室內(nèi)的照明燈照到溫度計(jì)露在室溫的部分或三相點(diǎn)瓶的內(nèi)壁,就有可能產(chǎn)生0.2mK誤差。因此做實(shí)驗(yàn)時(shí),要將水三相點(diǎn)瓶浸沒(méi)在冰槽中,并使溫度計(jì)具有盡可能多的浸沒(méi)深度。在高溫范圍用電阻溫度計(jì)測(cè)溫時(shí),沿著溫度計(jì)套管的熱損失也會(huì)引起較大測(cè)量誤差。如在600℃時(shí),用石英保護(hù)管的鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)，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(guò)增大溫度計(jì)的浸沒(méi)深度來(lái)減少其影響。
1.6Wt的正確計(jì)算
       電阻溫度計(jì)的熱電關(guān)系,現(xiàn)改為用溫度與Wt的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算。由IiTS-90可知,Wt=Rt/Rtp。按此方法計(jì)算時(shí),可以減小電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定性帶來(lái)的影響,也能克服不同電測(cè)設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是,如果在計(jì)算W,時(shí)選用的Rtp，不是取于同一天測(cè)量Rt前后的數(shù)值,而選用時(shí)隔多日的測(cè)量值,或是來(lái)源于該溫度計(jì)檢定證書(shū)上給出的Rtp,則將難以起到減少電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定帶來(lái)的影響。另外，如果用來(lái)測(cè)量Rt和Rtp的電測(cè)儀.器不是同一臺(tái)儀器，也不能減少電測(cè)儀器系統(tǒng)誤差造成的部分影響。用上述不正確方法計(jì)算得到的Wt值,將會(huì)引起很大測(cè)量誤差。
2測(cè)量過(guò)程常見(jiàn)問(wèn)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(jì)被氧化,或受到了輕微的機(jī)械沖擊。可以通過(guò)退火處理來(lái)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(jì)被氧化或傳感器金屬絲被物理?yè)p壞。若退火后Rtp恢復(fù),則說(shuō)明鉑電阻溫度計(jì)被氧化了。若退火后Rtp仍然沒(méi)有改善,則可能是鉑電阻溫度計(jì)的傳感器金屬絲被物理?yè)p壞。
(3)如果Rtp稍微增大,Wt稍微降低,則可能是鉑電阻溫度計(jì)受到了機(jī)械沖擊或輕微污染。退火后，若Rtp恢復(fù),則說(shuō)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(jì)受到了明顯的機(jī)械沖擊。可以通過(guò)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(jì)受到了明顯污染。退火將無(wú)濟(jì)于事,或者Rtp會(huì)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(jì)的傳感器短路。
(9)如果在退火過(guò)程中Rtp連續(xù)下降,則可能是由于傳感器鉑的顆粒增長(zhǎng)造成的。