精度高数字多用表在铂热电阻测温中应用
发布时间:2023-10-10
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精度高
数字多用表(6½位以上)具有显示直观操作简单携带方便等优点,自上世纪90年代以来,在
铂热电阻测温中得到越来越广泛的应用。
精度高数字多用表(以下简称数字表)的检定条件与使用环境存在着很大的差异。数字表检定环境温度要求20℃±1℃,电阻挡标准源为定值标准电阻,性能稳定。在此环境下,测量回路中存在的热电势和杂散电势很小,可以忽略。但是铂热电阻经常使用在-10℃~-300℃的范围中。从热电阻元件到数字表输入端存在着几十甚至几百摄氏度的温度梯度,在整个测量回路中使用的连线(热电阻引线和测量导线)也不是同一种均匀的材料,从热电效应中可以得出,在测量回路中存在着较大的热电势和杂散电势。
以前通常使用的直流测温电桥,虽然存在着操作复杂等不足,但具有电流换向装置。经过正向电流和反向电流两次测量可以得到两个值R;和R;,通过计算公式Rt=(Rt
++Rt
-)/2,可以消除热电势以及杂散电势,最终得到真实的测量值,
数字表的设计者显然没有考虑到上述问题。其实数字表最主要的应用是在恒温实验室里测量电子元件或信号源的电阻等参数,根本不需要考虑电流换向问题。虽然大多数温度检定人员,都知道通过电流换向测量,可以消除铂热电阻热电势和杂散电势,但是在实际使用数字表测量铂热电阻的电阻示值时,人们最关心的可能是数字表的测量位数,没有意识到使用单向电流测量热电阻可能引起的误差。
为考察电流换向对铂热电阻示值的影响,以数字表和铂热电阻(包括标准铂电阻温度计和工业用铂热电阻)作标准器对标准恒温槽的温场进行测试,测试数据见表1。
为实现电流换向功能,将四线转换开关的接线方式做了改动(如图1所示)。将测量通道“I”的“1”“2”“3"“4"端分别与测量通道“II”的“"”“2"“4"“3"相连。数字表的电压测量端与测量通道“I”的“1”“2”相连。数字表的电流输出端电流输入端与测量通道“I”的“3"“4”相连。在实际应用中,分别测量转换开关通道“I”和通道“II"的数据,即得到测量电流方向相反的两个数据。测试数据见表1。
从表1中可以发现,在测量100℃温场时,无论上平面还是下平面,单向电流测试的电阻值与双向测量平均值差别较小,甚至可以忽略不计。在测量300℃温场时,上平面单向电流测试的电阻值与双向测量平均值差别较小,也可忽略不计。但在测量300℃下平面温场时,单向电流测试的电阻值却与双向测量平均值差别较大,在5mK左右。
是什么原因造成如此大的差别?主要原因在于铂热电阻手柄内部的构造。在铂热电阻手柄的内部,有铂额外电阻元件的银质引线与和铜质引出导线连接的焊点,此处存在较大的温度梯度。而且一般采用锡焊,而锡的熔点在230C左右。如果手柄过于接近高温环境,而焊锡的物理性能也会出现不稳定,造成很大的差别,由此产生明显的热电势和杂散热电势。
要解决上述问题,可以在制作铂热电阻时,将内引线和外引线都采用银质材料。在温度不高的环境下使用,也可以全部使用铜质材料。
从表1中可看出,在温度不太高或手柄距离热源较远的位置(测量.上水平温场)时,同一温度正反向测量之间的差异很小即存在的热电势和杂散电势很小,此时采用单向电流测试引起的误差也很小,在某些情况下可以忽略不计。上述试验中,使用的是英国产标准铂电阻温度计,其石英管外露部分长度都是51em。目前国产标准铂电阻温度计石英管外露部分长度是47cm,如果使用长度较短的国产标准铂电阻温度计进行测试,发现的问题可能更明显。
所以在温场测试、精度高温度仪表检定等场合使用数字表,必须要考虑电流换向测量。
如果是测量两支以上铂热电阻,转换开关与各个铂热电阻之间的连线依然采用常规方式,只是在图1所示转换开关后再串接一个四线转换开关,直接与铂热电阻相连。