标准铂电阻的特性和使用维护常见问题

不如无应力结构的标准铂电阻温度计，但是二级铂电阻 温度计的抗震性能远远超过标准铂电阻温度计。
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感温元件结构
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二级铂电阻温度计外观
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工业电阻温度计的特性
设计要求
设计特征
坚固的结构 封装的元件 二、三线制结构 大的阻值 小尺寸的电阻 品种结构繁多
―插入深度不足时：“低温变高，高温变低”
•在温度固定点中，温度计的读数改变应该跟随静压而改 变。 •在恒温槽或干式炉中，要考虑垂直温度均匀性的影响。 •不同温度计也许有不同的浸没误差
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辐射误差
•辐射是温度测量误差来源中最隐秘的误差来源之一。 •在空气中进行表面温度测量，这个问题尤其严重。
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热迟滞的评估
温度范围
低温
中点
高温
测量值 Δt
测量值
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铂的氧化效应
•氧气可以保护铂不被污染 ―氧气可以使感温铂和元件支撑架的杂质稳定，因此可 以阻止自由的杂质离子在高温下的扩散 •上世纪七十年代，加拿大NRC科学家Berry发现铂在0 – 450°C的氧化效应 •氧气含量在低达5kPa时，在0 – 450°C范围内铂的氧化 层就可以生长 •当部分感温铂丝（横截面外表面）被导电性能不佳的铂氧 化层代替的时候，铂丝的电阻会上升
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污染的实验
140 120
Rtp/Rtp (1e-6)
100 80 60 40 5 mK 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Total hours at 1100° C in different blocks
#80136 in graphite #79525 in Ni-Cr
C Hysteresis Error, °
0
100
200
300
400
500
600
700
Temperature, ° C
热迟滞误差与使用的温度范围大小成正比
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热迟滞
•标准铂电阻温度计没有可以测量到的热迟滞 •二级（精密）铂电阻温度计的热迟滞小于10mK •“完全支撑结构”工业铂电阻温度计的热迟滞通常可以达 到±0.02% 到 ±0.05%, 并且与范围有关
•冰点槽的辐射误差可以达到0.5mK •恒温槽应该有防辐射盖板 •光导：沿玻璃管壁可见到近红外辐射漏热 •玻璃管上喷沙或镀石墨层可以大大减小光导误差
标准铂电阻温度计的基本要求
• 一支可接受的SPRT，必须用纯的，无应力的铂制成 • 它必须至少满足下面两个要求中的一个 W (29.7646°C) 1.11807 W (–38.8344°C) 0.844235
• 高温标准铂电阻，961.78°C W (961.78°C) 4.2844
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二级铂电阻温度计感温元件结构
• 二级铂电阻温度计感温元件采用“部分应力”结构。 • 感温丝首先绕制成小直径的螺旋圈，然后绕制到石英十
字骨架、氧化铝螺旋骨架、或插入到四孔氧化铝管中。
• 特殊配置的混合粉末（膨胀系数接近铂丝）填充到元件
套管里支撑元件丝，防止元件遇到机械震动时损坏。
• 由于这种折中的设计方案，二级铂电阻温度计的稳定性
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100- or 25.5-ohm
0.003925 Ω/Ω/°C ≥1.11807 Inconel 600 1/4”, 3/16”, 1/8” 6”, 9”, 12”, 15”, or custom
PRTs and their common errors
Mingjian Zhao
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浸没误差（漏热误差）
• 温度计插入深度不够可能引 起温度感温元件处产生温度 梯度，导致测量误差
Heat
插入深度要求：> 20倍温度计外径+敏感元件长度
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浸没误差（漏热误差）评估
•测试温度计是否有足够的插入深度，只要稍稍改变插入 深度，然后观察温度计的读数是否稳定。
5 4
R(t)/R(0 癈 )
3 2 1 0 -200 Actual Pt Linear
0
200
400
600
800
1000
1200
Temperature (癈 )
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标准铂电阻温度计
• 宽温度范围的内插仪器 –259.3467 º C ~ 961.78 º C (ITS-90) •最准确的温度计 不确定度优于几mK •高准确度温度测量的首选
二级（精密）铂电阻温度计
• Temperature range: 温度范围 –200 to 500 °C or –200 to 660 °C
• R(tp):
• Temperature Coefficient: • 温度系数 • W(Ga): • Sheath Material: • 外护管材料 • OD: • 外护管外径 • Length: • 外护管长度
标准铂电阻的特性和使用维护 常见问题
李欣
市场技术部
福禄克公司计量校准部(中国)
2012, 11
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铂电阻温度计
•标准铂电阻温度计 •二级（精密）铂电阻温度计 •工业铂电阻温度计
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温度与电阻比
• 由于声子扩散，随着温度上升，纯金属的电阻比几乎 呈线性增加
•在现有氧化状态下测量水三相点 •使用电阻比（比值）测量温度
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气体泄漏
•密封损坏 •湿气进入温度计 •由于空气（氧气含量太高）进入温度计管，使得氧化效 应过大
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绝缘电阻
•引线与引线之间，或引线与保护管之间的漏电会带来重大的 测量误差 •测量金属保护管温度计的引线与保护管之间的绝缘电阻比较 简单
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热震动
•将一支高温下的温度计迅速冷却到室温，感温铂的晶体 结构中会出现过量的晶格空穴，温度计的水三相点值会 上升 •通过退火可恢复
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污染
•如果一支铂电阻温度计被污染了，其R(tp)将上升， W(Ga) 将会下降。 W(Ga) 也许不再满足ITS-90对标准 铂电阻温度计的纯度要求。 •在高温下，金属蒸汽可以扩散通过石英管 •石英保护管铂电阻温度计，在带有金属均热块的炉子使 用时，温度计在高温下会被均热块的金属蒸汽所污染 •金属保护管的铂电阻温度计，在高温下其铂元件也有可 能被金属保护管所污染
•没有必要测量石英玻璃保护管温度计的引线与保护管之间的 绝缘
•使用者通常无法测量温度计的引线与引线之间的绝缘电阻， 无论石英保护管温度计还是金属保护管温度计
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绝缘电阻
•在一支温度计内部，除了感温铂电阻外，还有很多绝缘电 阻（漏电电阻）并联在感温铂电阻上。这些绝缘电阻存在 于引线与引线之间，绝缘材料之间，元件支撑架之间，填 充材料之间，等等。 •由于检定时这些电阻就存在，因此使用时这些电阻并不全 部会导致误差 •误差主要来自于相同温度下这些绝缘电阻的变化 •最大的误差是：ΔR = Rt*RI / (Rt+RI) – Rt
•缺点 易碎 感温元件尺寸大 感温元件电阻小
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二级（精密）铂电阻温度计
•耐用并且准确的温度传感器 •不确定度和稳定性不如标准铂电阻温度计 •通常在实验室使用，但是也可以应用在现场 •在国外校准工业铂电阻温度计时做参考标准
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• 铂的纯度达到99.99%+
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标准铂电阻温度计传感器的结构
• ITS-90规定“一支可接受的标准铂电阻温度计必须由无应
力的纯铂制成” 成后再退火。
• 为了方便元件的制作，感温铂丝必须是硬态的。元件制 • 元件骨架经过精心设计，使得感温丝在震动、机械冲击
、热胀冷缩后产生的应力尽量小。

结构牢固 可用于恶劣环境 互换性 易测性 广泛的接受性 低的价格

因此, 工业铂电阻温度计具有 不如标准铂电阻温度计稳定 测量误差较大 也许存在热滞效应 17
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PRTs and their common errors
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力。
• 标准铂电阻温度计制成后，必须经过充分退火以消除应
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标准铂电阻温度计的结构
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金属管标准铂电阻温度计的结构
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标准铂电阻温度计的优缺点
•优点 ITS-90 温标内插仪器 温度范围宽 最高稳定性，重复性和准确度
#79506 in Ni-Cr #79536 in graphite
#79506 in graphite #79536 in Ni-Cr
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热迟滞
Hysteresis in an Industrial PRT.
0.060 0.040 0.020 0.000 -100 -0.020 -0.040 Hysteresis -0.060
•低温下的电阻漂移（除了机械震动）主要来自于铂氧化
•氧化是可逆的，而且在500°C以上会分解 •标准铂电阻温度计的氧化效应具有很好的重复性
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氧化举例
2D oxidation 3D oxidation
25.5323 25.5323 1 mK 25.5322
R(tpw), ohm
•作为参考标准检定其他温度计
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标准铂电阻温度计
• 使用电阻比, W(T90) = R(T90) / R(273.16 K) •采用高温和低温参考函数Wr •定义标准铂电阻温度计的“理想特性” • 偏差函数, W(T90) = W(T90) - Wr(T90) ―定义标准铂电阻温度计的“个性”
•温度计在震动或摆动时的加速度会引起非支撑的感温丝在支 撑体（骨架）上产生变形
•拥有“部分支撑结构”元件的金属保护管铂电阻温度计，在 实验室使用时也应该将它们看作是易碎仪器，尽管它们的外 观看起来比较结实 •在震动比较大的工业应用中，应该使用“完全支撑”结构的 铂电阻温度计
•机械震动可以永久损坏铂电阻温度计
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标准铂电阻温度计的特性
设计特征 无应力,充分退火的元件丝 纯铂 防污染 四线制结构 优良的电绝缘性 标准尺寸
要求 稳定性 重复性 可测性




因此, 标准铂电阻温度计具有 精密性 易碎性 相对大尺寸的电阻 相对低的阻值

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铂的氧化效应
•铂氧化的两种基本类型：二维（2d）和三维（3d）
二维氧化铂在0°C 到 300°C范围内出现，在450°C左右分解。 最大电阻变化大约8ppm (约2 mK） 三维氧化铂在300°C 到 500°C范围内出现，在550°C左右分解 。电阻变化可以达到大约430ppm (约0.1°C ）。
25.5322 25.5321 25.5321 25.5320 600° C 25.5320 0 100 200 300 Hours 400 500 600 232° C 600° C 420° C 600° C
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氧化效应的评估
•与使用温度有关 •在某个特定温度下使氧化稳定 •了解不同温度计具有不同的氧化效应 •跟踪水三相点，由于铂的氧化状态与温度计的使用过程（温 度点）有关
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工业铂电阻温度计结构
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铂电阻温度计常见的误差来源
• 机械震动 • 热震动 • 污染 • 热迟滞 • 氧化 • 泄漏 • 浸没误差 • 辐射误差 • 自热效应 • 引线电阻误差 • 其他
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机械震动
•机械震动Hale Waihona Puke Baidu铂电阻温度计长期漂移的主要来源