标准铂电阻温度计与ITS—90

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第183页（5383字）

1．标准铂电阻温度计的结构

铂电阻温度计使用温区宽，准确度高，稳定性好，性能可靠。分低温、中温、高温铂电阻温度计。按结构分杆式和套管两种。套管式的温度低，可使用在13K～156℃。这种低温套管式铂电阻(图4．5－2)是ITS－90指定的内插仪器，长杆式标准铂电阻温度计(图4．5－3)是复现84K～660℃温区的ITS－90的标准器。高温铂电阻温度计是为新温标(ITS－90)研制的，温度范围为0～962℃(银凝固点)。

图4．5－2 －支典型的25Ω套管式铂电阻温度计

图4．5－3 25Ω长杆铂电阻温度计

如图4．5－4所示，套管式和标准长杆式标准铂电阻温度计在水三相点温度下的电阻为25Ω，灵敏度约0．1Ω／K。高温标准铂电阻温度计的R_tp为0．25～2．5Ω。

图4．5－4 高温铂电阻温度计的典型设计方案

铂电阻温度计在ITS－90中占在非常重要的地位。其温区为13K～962℃。ITS－90对标准铂电阻温度计性能及计算公式做了详尽的规定。标准铂电阻温度计的分度及计算都采用电阻比W(t)的方法：

R_t：是温度为t时的电阻值。

R_tp：是水三相点温度下的电阻值。

为保证标准铂电阻温度计的性能，其感温元件必须用很纯的铂丝来绕制。银点以下的标准铂电阻温度计应至少满足下列两个关系式之一：

W(29．7646℃)≥1．11807

W(－38．8344℃)≤0．844235

当标准铂电阻温度计使用到银点时，则还须满足下一关系式：

W(961．78℃)≥4．2844

2．标准铂电阻温度计的分度

标准铂电阻温度计的内插公式：ITS－90文本中给出两个参考函数W_r(t)和多个偏差函数ΔW(t)。参考函数给出特定的两支铂电阻温度计的电阻比W(t)与温度t的关系式。偏差函数与参考函数相加，即可获得该标准铂电阻温度计的分度公式：

W(T₉₀)=W_r(T₉₀)+ΔW(T₉₀) (4．5－4)

两个参考函数W_r(T)分别是：

273．16K～13．8K的参考函数；

0～962℃的参考函数：

A_i、C_i为常数。

对于用于精密测量的标准铂电阻温度计，不可能用一个公式来描述它的特性。偏差函数的意义是以参考函数为基础，修正标准铂电阻温度计的不同特性，获得各自的内插公式。ΔW(t)的形式随使用温区变化而变化，使用的固定点也随之变化。0～962℃温区内的偏差函数为：

ΔW(t)=a［W(t)－1］+b［W(t)－1］²+c［W(t)－1］³+d［W(t)－W(660．323℃)］² (4．5－7)

表4．5－1为在不同温区分度标准铂电阻温度计所需用的固定点。偏差函数系数a、b、c、d由解联立方程获得，W(t)～t表的编制通常采用迭代法计算。

表4．5－1 不同温区分度标准铂电阻温度计所需用的固定点

标准铂电阻温度计采用四线制接法，用精密直流比较仪式电桥测量，分辨率为0．1mK或1mK。

3．标准铂电阻温度计使用

(1)防止震动

标准铂电阻温度计是一种精密的仪器。冲击、震动或任何其它形式的加速度都可以使支点之间和绕在支架上的丝材弯曲变形而产生应力，从而改变其温度－电阻特性。一般地说，铂电阻中的应力将使阻值增加，且在0．01℃以上时W值减小(在0．01℃以下时，使W增加)。在日常工作中，如果不加小心地取温度计，则一年后，阻值在水三相点会有相当于0．1K的增加。除非重新分度温度计，否则由于R_tp的变化导致的温度误差可高达10mK。如果仪器的震动传到温度计或温度计使用不恰当的包装进行运输，也会产生类似上面的变化。对于套管式电阻温度计，只要核查一下低温(例如，液氦温度)下的剩余电阻变化情况，就可以很容易地探测出W值的微小变化。

(2)热处理和退火

一支结构良好的标准铂电阻温度计，只要使用得当，那在它的工作温区内，经历多次温度循环后，很少会受到损坏。但是，还应该注意套管式温度计急速冷却，例如室温下的套管式温度计急速浸到液氦中时，金属－玻璃密封接头容易破裂。

电阻温度计的上限温度值由下列各种因素所决定：材料的软化点(通常指外套管)；温度计分度前的退火温度；套管和绝缘物中析出水分和其它沾污物；铂丝中的晶粒生长。在过高温度下使用温度计所引起的变化是时间和温度的函数，与经历的过程有关；一般而言，对这种变化只能作出定性的估计。硼硅玻璃做的温度计外套管在500℃以上会明显地软化，即使是在500℃以下也只能经受数小时，除非使用专用的支撑结构以防止变形。熔融石英套管可用到960℃。温度计在420℃以下工作数百小时后，已观察到铂晶粒的生长。当然，在更高温度时晶粒生长速度将更快。不希望有较大的晶粒，否则，受到机械冲击时，或甚至仅是多次热循环，电阻和W值发生变化的可能性大大增加。而且，经多次高温热循环后，螺旋圈型结构的铂电阻温度计可能有一圈或多圈短接。

用高温铂电阻温度计测量约700℃以上的温度后，再用之测量较低的温度时，应先进行退火，特别是在测量R_tp之前。一个合适的退火程序为：在700℃下退火2小时，之后让温度计随炉温自然冷却，历经约几小时后冷却到450℃，再保留30分钟到1小时，然后取出温度计，快速冷却到室温。温度计使用于450℃以上，700℃以下的温区中，应先在最高使用温度下退火2小时，再重复上述退火程序冷却到450℃，最后冷却到室温。

长杆铂电阻温度计一般在使用上限或更高温度下退火。

(3)脱玻作用

温度愈高，防止感温元件的沾污和外套管的脱玻作用就显得愈困难。用一支石英或熔融石英外套管的铂电阻温度计测量100℃以上的温度前，首先应仔细地用纯酒精清洗，然后用干净的纸或布擦干净。这是为了除去手印，否则在高温作用下，将作为脱玻的图形而显示在套管上。脱玻作用是一个不可逆相变过程，石英玻璃转变为乳白色、脆性和透气的物质，这发生在高温下，碱性起催化增强作用。一经发现套管外表面上有脱玻的明显痕迹时，就应用喷砂法(氧化铝粉)除去，以阻止这一过程的发展。

(4)温度计的浸没深度

合适的浸没深度使温度计的导热和辐射影响减至最小。把温度计插入一个恒温槽中，逐步增加浸没深度直到示值无变化，说明温度计已充分浸没。当被测温度是稳定的，而且在浸没方向上是一致的，例如，为长杆温度计而设计的固定点容器，那么，检验浸没深度是否合适是很容易的。同时，要防止温度计有额外的辐射热交换。虽然，这些要求是简单的，但是测试过程是费时的(对每一温度点来说，约几小时)。积累有关浸没深度的资料是很有用的，也是经常需要的。

(5)内部热效应

测量电阻时，一定要有电流流过电阻器，使感温元件受热，其温度就高于环境温度，随之有热耗散。对每一个固定的环境温度而言，温度计内部热效应(铂电阻与保护管外壁的温度差)ΔT只与温度计结构和流经的电流有关。因此，在分度和测量时的内部热效应是相同的(假定铂电阻在温度计保护管中没有位移)。在水三相点温度下，R_tp=25Ω的标准铂电阻温度计的内部热效应的典型值为0．3至1．2mK／mA²之间，有时也会大到4．5mK／mA²。结构相同的温度计，自热效应的大小是有起伏的，为0．2mK／mA²或更大。如果温度计使用时的电流与分度时的相同，则“内部”热效应相同，因此，在与各分度点相同的温度时，套管的外壁就有相同的温度(忽略辐射效应)。

此外，由于铂电阻上产生的焦耳热必须流到外界热沉中去，因此，在温度计套管外还有外部热效应。总的自热效应(由内部热效应和外部热效应之和)的测量是简单易行的，只需把测得的电阻外推到与零电流相应的电阻值即可。如果只要测定内部热效应，那么实验条件必须使外部热效应可以忽略不计；把温度计直接插入冰槽中，就能很好地满足这一条件，这时固态冰粒直接与外壳相接触，或(如果愿意冒损坏温度计的风险)在锌或锡凝固点装置中，金属直接凝固在温度计的套管上(在还没有冷却到凝固点以下很多度之前，就须将金属重新熔化，取出温度计，否则会损坏温度计)。在精密测量中，零电流的电阻值由两个电流下所测得的阻值计算得到，这两个电流的比值为(考虑到平方定律的关系)。在3个电流1∶下测量，则精度可以稍高一些，同时又可以进行内部校核。当然在其它电流下测量也是可以的，最终外推到零电流下的电阻值。

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