影响铂电阻温度测量原因分析和处理方法

[摘要]标准铂电阻温度计是ITS-1990国际温标中规定的内插仪器,很多企事业单位特别是计量、热工、电力等行业经常用标准铂电阻温度计检定工业铂热电阻、各类水银温度计或直接用于测量。正确使用与维护铂电阻温度计非常重要,否则将会引起很大测量误差。文中对影响铂电阻温度计正确测量的常见原因进行分析，并探讨其对应处理方法。
       铂电阻温度计是一种测温精度很高、稳定性好、测温范围广.测温误差很小的温度计,然而,如果使用不正确或者使用一段时间后会产生漂移,将会引起很大测量误差,难以得到正确的热电特性,本文对影响铂电阻温度计正确测量的常见原因进行分析,并探讨其对应处理方法。
1常见原因及处理方法
1.1震动
       铂电阻温度计属于仪器,它受到冲击、震动或其它形式的加速时，都可能引起绕在骨架上的感温元件变形、弯曲而产生应力,从而改变其温度--电阻特性。通常对用于0℃以上的感温元件所产生的应力,电阻值会增大、电阻比Wt=Rr/Rtp减小,对用于0℃以下的感温元件所产生应力,电阻值会减小、电阻比Wt增加。但是，如果受到的机械冲击不是太明显,机械冲击造成的漂移不是太大,那么机械冲击造成的Rtp和Wt漂移可以通过退火处理来消除。将铂电阻温度计放人温度为450℃的退火炉中进行退火,以消除其内应力,然后重新分度。如果铂丝被物理损坏，如在铂丝上有小的伤口或者铂丝成竹结构,则不能通过退火来恢复Rp和W.
1.2淬火与氧化
       虽然铂电阻温度计受到震动产生了应力后,可以通过退火来消除其部分影响,但是,当对铂电阻温度计进行了不适当的退火程序,或者在不适宜的温度下经过多次热冲击后,将会引起铂丝的淬火和氧化效应。螺旋型结构的感温元件在高温下热循环后,感温线圈可能会短接,严重时会使铂丝与玻璃型骨架的交接处产生裂痕。长杆型铂电阻温度计由660℃快速冷却时发生的淬火效应可使铂丝的晶格错位或引起其它缺陷。这些缺陷在低于500℃时将会“淬"在晶格点阵中,引起阻值发生变化，导致其R，数值有所增加,有可能产生1mK误差。当出现.这种情况后,将其放人退火炉中加热到660℃,保持15min,然后以100C/h的降温速度使其到达450℃,便能减少上述缺陷。
       当对铂丝加热时，还应注意其氧化效应。虽然铂丝有很强的抗氧化能力,但是,在某些情况下,铂丝将发生氧化效应。铂丝在450℃~560℃范围内的空气中加热时表面会形成一层正交晶系β相P1O2薄膜。经测定,铂丝在450℃的空气中加热30min,会形成11nm厚的氧化膜,使铂丝截面积增加,电阻值发生变化。如果在450℃使其快速冷却，便能减小其氧化效应。不过，当铂丝温度保持在600℃到650℃范围时,其表面的氧化膜会迅速分解,基本.上可恢复原有的截面积。
       尽管铂丝存在着上述氧化效应,但是,只要铂电阻温度计的Rt与Rtp对应于同一氧化状态,运用W,表示其热电特性时,即使存在着氧化效应,也不会对测温的正确性造成很大影响。
       考虑到铂丝在一-定温度下出现的淬火、氧化效应,在对当铂电阻温度计分度或测温前，应在450℃的炉中退火4h,高温铂电阻温度计的退火程序是在700℃下退火2h,之后随炉冷却到450℃，保持30min到1h,然后从退火炉中取出温度计,使其快速冷却到室温。
1.3污染
        铂电阻温度计有石英护管和金属护管,它们在廉金属环境下被污染的条件不同。温度计的石英护管暴露于660℃到850℃的廉金属环境下时会被污染。而在660℃以下和高于850℃时,石英护管在廉金属中不会被污染。通常情况,在675℃以下都可以使用金属护管铂电阻温度计。由于金属护管铂电阻温度计的元件设计通常都比较好,可以用于廉金属环境中。如果铂电阻温度计被污染,其Rtp将会增加,任何凝固点的电阻比Wt都会下降。Rtp和W.不能完全通过退火处理来恢复。被污染之后，铂电阻温度计可能就不再满足ITS-90温标的要求。石英护管铂电阻温度计和金属护管铂电阻温度计污染之间的不同在于金属护管铂电阻温度计在非常短时间内的漂移非常明显，而石英护管铂电阻温度计的漂移有个逐渐的过程。
1.4自热效应
       测量电阻温度计的电阻值时,不论采用什么方法都会有电流流过,电流的热效应会使感温元件自身温度升高，为使这种现象对测量影响不超过一定限度,通常规定流过标准铂电阻温度计的电流不超过1mA。测量过程中采用电流换向的方法来消除杂散热电势引起的误差。
1.5传热误差
       电阻温度计的测温方法属于接触测温法，感温元件必须浸没于被测介质中,其周围热量将通过热传导、热辐射传递到感温元件，从而引起测温误差。其大小与感温元件的自热效应、结构、体积、材料的导热系数、介质流动状况以及介质与感温元件的热交换系数、热辐射系数和散热系数等因素有关。通常适当增加电阻温度计的浸没深度,增大被测介质的对流散热系数,减小感温元件热传导系数,减小温度计保护管的横截面积，均能减小传热误差。在温度计结构、材料已定,对流散热系数和导热系数无法改善的情况下,只有随所测温度,适当加大电阻温度计的浸没深度来减少此项误差。
       引起电阻温度计传热误差的另一因素是外界对温度计的热辐射。如果在感温元件附近有一个高于或低于介质温度的热辐射源,感温元件将会增加或减少部分热量，导致温度计难以测得实际温度。如用铂电阻温度计测量水三相点温度时,当室内的照明灯照到温度计露在室温的部分或三相点瓶的内壁,就有可能产生0.2mK误差。因此做实验时,要将水三相点瓶浸没在冰槽中,并使温度计具有尽可能多的浸没深度。在高温范围用电阻温度计测温时,沿着温度计套管的热损失也会引起较大测量误差。如在600℃时,用石英保护管的铂电阻温度计测量温度时，套管内的光管效应引起的误差将达80mK。在此情况下，可通过增大温度计的浸没深度来减少其影响。
1.6Wt的正确计算
       电阻温度计的热电关系,现改为用温度与Wt的对应关系计算。由IiTS-90可知,Wt=Rt/Rtp。按此方法计算时,可以减小电阻温度计不稳定性带来的影响,也能克服不同电测设备系统误差的不同引起的部分影响。但是,如果在计算W,时选用的Rtp，不是取于同一天测量Rt前后的数值,而选用时隔多日的测量值,或是来源于该温度计检定证书上给出的Rtp,则将难以起到减少电阻温度计不稳定带来的影响。另外，如果用来测量Rt和Rtp的电测仪.器不是同一台仪器，也不能减少电测仪器系统误差造成的部分影响。用上述不正确方法计算得到的Wt值,将会引起很大测量误差。
2测量过程常见问题判断规律
(1)如果Rtp稍微增大,电阻比Wt保持不变或变化非常小，则可能是铂电阻温度计被氧化,或受到了轻微的机械冲击。可以通过退火处理来恢复。
(2)如果Rtp明显增大,Wt保持不变或变化非常小，则可能是铂电阻温度计被氧化或传感器金属丝被物理损坏。若退火后Rtp恢复,则说明铂电阻温度计被氧化了。若退火后Rtp仍然没有改善,则可能是铂电阻温度计的传感器金属丝被物理损坏。
(3)如果Rtp稍微增大,Wt稍微降低,则可能是铂电阻温度计受到了机械冲击或轻微污染。退火后，若Rtp恢复,则说明原因是机械冲击，否则就是污染。
(4)如果Rp明显增大,W,稍微降低,则可能是铂电阻温度计受到了明显的机械冲击。可以通过退火在一定程度上恢复Rtp。
(5)如果Rtp明显增大,Wt也明显增大,则可能是铂电阻温度计受到了明显污染。退火将无济于事,或者Rtp会更糟。
(6)如果Rtp稍微下降Wt保持不变或变化很小,则可以认为属于正常。.
(7)如果Rtp明显下降,Wt增大,则可能是Rtp的护管密封不严(潮气进入到了护管)。
(8)如果Rtp明显下降,并且不稳定，则可能是铂电阻温度计的传感器短路。
(9)如果在退火过程中Rtp连续下降,则可能是由于传感器铂的颗粒增长造成的。