IEC 60751:2008文件這樣定義鉑電阻熱遲滯性：將鉑電阻置于上限溫度后測(cè)量其在溫度范圍中間點(diǎn)的電阻值，然后將其置于下限溫度后再測(cè)量其在同樣的中間溫度點(diǎn)時(shí)的電阻值，兩次測(cè)得的中間溫度點(diǎn)的電阻差即為鉑電阻熱遲滯性。
生產(chǎn)工業(yè)鉑電阻所使用的鉑電阻元件主要有薄膜鉑電阻和鉑絲型鉑電阻兩個(gè)大類(lèi)。
薄膜鉑電阻元件一般采用激光噴鍍法，將薄膜狀的金屬鉑沉積到氧化鋁基片上。因?yàn)楸∧畹你K和氧化鋁基片貼附得很緊密，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力是薄膜鉑電阻熱遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。
外繞式整體燒結(jié)鉑電阻元件、內(nèi)繞式陶瓷鉑電阻元件、云母鉑電阻元件這幾種均屬于鉑絲型鉑電阻。將鉑絲繞制在陶瓷、石英或玻璃這些與之有著相同熱膨脹系數(shù)的材料上并封裝即制成鉑絲型鉑電阻。這樣的結(jié)構(gòu)能提供足夠的保護(hù)，有效地防止振動(dòng)，同時(shí)在溫度改變時(shí)不會(huì)引入大的應(yīng)力。因此在理論上講鉑絲型鉑電阻熱遲滯性比較小。
1、熱遲滯性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
我們對(duì)IEC 60751:2008文件中鉑電阻熱遲滯性的測(cè)量方法略作改動(dòng)，將上限溫度改為300℃，將中間溫度點(diǎn)改為0℃，將下限溫度改為-80℃，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法。
針對(duì)薄膜鉑電阻和鉑絲型鉑電阻兩種類(lèi)型的鉑電阻，我們分別選取3支A級(jí)品作為試驗(yàn)樣品。采用兩臺(tái)波動(dòng)性為±10mK/30min、均勻性為5mK的 低溫酒精槽用作-80℃和0℃的熱源；采用一臺(tái)波動(dòng)性為±10mK/30min、均勻性≤10mK的恒溫油槽作為300℃的熱源。采用三支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)熱源溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用一臺(tái)TM-3022T標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溫度表作為溫度/電阻顯示設(shè)備。
試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)如下：將兩臺(tái)低溫酒精槽分別設(shè)置到-80℃和0℃；將恒溫油槽設(shè)置到300℃進(jìn)行恒溫，在每臺(tái)恒溫槽中插入一支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，并將這三支標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)連接至TM-3022T標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溫度表，對(duì)槽溫進(jìn)行溫度監(jiān)控。待這三臺(tái)恒溫槽的溫度都恒定在設(shè)置溫度1h后，將三支薄膜鉑電阻元件的的鉑電阻同時(shí)放入300℃油槽中，恒溫1h后拿出，于空氣中放置5min后放入0℃酒精槽中，恒溫0.5h后使用TM-3022T標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溫度表測(cè)量其在0℃下的電阻值Rhi1(i=1，2，3)。然后將這三支薄膜鉑電阻拔出，在空氣中放置5min后再放入-80℃的低溫酒精槽中恒溫1h，取出后依舊在空氣中放置5min，然后放入0℃酒精槽中，恒溫0.5h后測(cè)量其在0℃下的電阻值Rli1(i=1，2，3)， |Rhi1-Rli1|(i=1，2，3)即為該三支薄膜鉑電阻在0℃的熱遲滯性。再重復(fù)以上試驗(yàn)流程兩次，得到|Rhi2-Rli2|(i=1，2，3)和|Rhi3-Rli3|(i=1，2，3)，測(cè)得該三支薄膜鉑電阻第二次和第三次在0℃的熱遲滯性數(shù)據(jù)。
使用三支鉑絲型鉑電阻溫度計(jì)按照以上方法進(jìn)行熱遲滯性試驗(yàn)，測(cè)得三次在0℃的熱遲滯性數(shù)據(jù)，分別為：|Rhj1-Rlj1|、|Rhj2-Rlj2|和|Rhj3-Rlj3|。
2、鉑電阻熱遲滯性試驗(yàn)結(jié)果
①薄膜鉑電阻熱遲滯性試驗(yàn)結(jié)果
三支薄膜鉑電阻在0℃的熱遲滯性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。這三支薄膜鉑電阻在0℃的三次熱遲滯性測(cè)量數(shù)據(jù)如圖1所示。
表1 薄膜鉑電阻熱遲滯性試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)
圖1 薄膜鉑電阻在0℃的熱遲滯性
從圖1中可知，這三支薄膜鉑電阻熱遲滯性第一次測(cè)量時(shí)較大，都在100mK左右；到第二次測(cè)量時(shí)，薄膜鉑電阻熱遲滯性顯著下降，在80mK左右；到第三次測(cè)量時(shí)，薄膜鉑電阻熱遲滯性繼續(xù)下降，達(dá)到50mK左右。由表1還可看出，將薄膜鉑電阻置于高溫300℃下后測(cè)得的0℃電阻值要高于將鉑電阻溫度計(jì)置于低溫-80℃下后測(cè)得的0℃電阻值。
②鉑絲型鉑電阻熱遲滯性試驗(yàn)結(jié)果
三支鉑絲型鉑電阻在0℃的熱遲滯性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。這三支鉑絲型鉑電阻在0℃的三次熱遲滯性測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示。
表2 鉑絲型鉑電阻熱遲滯性試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)
圖2 鉑絲型鉑電阻在0℃的熱遲滯性
從圖2中可知，鉑絲型鉑電阻在0℃的熱遲滯性明顯小于薄膜型鉑電阻溫度計(jì)，第一次測(cè)量的鉑絲型鉑電阻熱遲滯性在20mK左右；第二次測(cè)量的鉑絲型鉑電阻熱遲滯性在18mK左右；到第三次測(cè)量時(shí)，鉑絲型鉑電阻熱遲滯性在17m左右。可見(jiàn)雖然隨著測(cè)量次數(shù)的增多，熱遲滯性在逐步減小，但減小的幅度并不像薄膜型鉑電阻那樣顯著。由表2可看出，將鉑絲型鉑電阻于高溫300℃下后測(cè)得的0℃電阻值也要略高于將鉑絲型鉑電阻置于低溫-80℃下后測(cè)得的0℃電阻值。
通過(guò)試驗(yàn)我們可以得出結(jié)論：薄膜鉑電阻在0℃的熱遲滯性遠(yuǎn)大于鉑絲型鉑電阻。其原因主要還是薄膜狀的鉑和氧化鋁基片貼附的很緊密，在熱膨脹和熱收縮時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。而鉑絲型鉑電阻溫度計(jì)中的鉑絲是繞制在石英或玻璃這些與之有著相同熱膨脹系數(shù)的材料上，因此幾乎不產(chǎn)生應(yīng)力，所以鉑絲型鉑電阻的熱遲滯性很小。
隨著試驗(yàn)次數(shù)的增多，鉑電阻熱遲滯性會(huì)逐漸減小，那是因?yàn)殡S著升降溫的增多，應(yīng)力逐漸減小的緣故。薄膜鉑電阻的應(yīng)力減小的很快，因此熱遲滯性的減小也就很顯著，鉑絲型鉑電阻本身的應(yīng)力就很小，因此其熱遲滯性的減小也就不很明顯。
作者：朱蕾，蘇州市計(jì)量測(cè)試研究所
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