標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)規(guī)定的從13.8033K-961.78℃溫度范圍的內(nèi)插儀器，也是各種溫度傳感器、熱工裝置及精密測(cè)量進(jìn)行量值傳遞或溯源的溫度標(biāo)準(zhǔn)器具。選擇性能穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)可能是您的實(shí)驗(yàn)室最重要的決定之一，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性好壞與溫標(biāo)的傳遞與復(fù)現(xiàn)密切相關(guān)。
標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性，都是以規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，電阻值變化程度轉(zhuǎn)換成溫度量來表示的。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性評(píng)定主要是看其在各個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量過程中或周期檢定水三相點(diǎn)的電阻值Rtp及在各固定點(diǎn)的比值W(t)的變化。影響標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性(電阻值變化)與鉑絲純度、氧化以及使用方法等多種因有關(guān)素，下面就影響標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性的化學(xué)、物理因素進(jìn)行分析并提出正確使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)才能得到高準(zhǔn)確度的測(cè)量的方法。
標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性影響因素分析
影響標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性能的化學(xué)因素主要包括鉑的氧化、雜質(zhì)的污染等引起溫度系數(shù)與熱電特性發(fā)生變化的因素。物理因素主要是應(yīng)力或絕緣造成的，如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)感溫元件受機(jī)械振動(dòng)后幾何尺寸發(fā)生微變或經(jīng)過高低溫循環(huán)時(shí)，鉑絲與支撐件間熱膨脹的差異使鉑絲產(chǎn)生了應(yīng)力，從而引起標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)電阻特性發(fā)生變化。
1、雜質(zhì)
高純鉑中存在雜質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電阻率的增加，電阻溫度系數(shù)降低。從圖1可以看出大部分微量雜質(zhì)元素都對(duì)鉑電阻的電阻溫度系數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響鉑電阻溫度計(jì)的穩(wěn)定性。
圖1 高純鉑的電阻與雜質(zhì)元素含量的關(guān)系圖
高純鉑中的雜質(zhì)是在鉑電阻材料和鉑電阻傳感器的制作過程中引入的，主要來自兩個(gè)方面：
①鉑本身存在雜質(zhì)。在鉑絲或鉑漿料的制作過程中，由于選用不同純度的鉑原料、不同的熔煉工藝方法、不同的加工工藝都會(huì)使鉑存在雜質(zhì)，尤其是由于用作不同等級(jí)和不同用途的鉑絲，其純度要求的不同，在鉑電阻材料的制造中，往往加入的單一雜質(zhì)元素，通過控制其含量來獲得所希望的電阻比。因此，鉑絲或鉑漿料中存在雜質(zhì)是不可避免的。
②雜質(zhì)是由外部所引入的。在鉑電阻感溫元件的制作中，通常采用石英作為支撐骨架，外面為石英玻璃套管。如果制作過程中骨架材料選用的純度不夠，或套管壁附著的雜質(zhì)清除不干凈，在溫度計(jì)的使用過程中，尤其是在高溫時(shí)容易發(fā)生雜質(zhì)的遷移而污染鉑絲。
2、氧化
為了增加鉑電阻感溫元件與被測(cè)對(duì)象之間的熱交換，使標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)有較快的響應(yīng)和使鉑絲中的微量雜質(zhì)以氧化物存在而避免金屬氧化物還原成金屬雜質(zhì)污染感溫元件，在標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的制造工藝中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)保護(hù)管中須充以一定壓力的含有氧氣的干燥氣體。中溫標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和高溫鉑電阻溫度計(jì)中充以干燥的空氣，低溫鉑電阻則含有一定量的氦氣和少量的氧氣。因此，氧的來源有兩種途徑：鉑絲制作過程中的氧化，溫度計(jì)制作工藝過程充入的含氧氣體。
研究表明：在氧氣氣氛中，鉑絲表面會(huì)發(fā)生鉑氧化作用，生成氧化鉑(Pt02)。在O-250℃的溫度范圍內(nèi)形成二維的氧化鉑，在300℃開始解離。在300℃以上時(shí)，形成三維的氧化鉑，在500℃以上開始解離。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的阻值與鉑絲表面的氧化情況有關(guān)系。由于氧化，鉑絲的部分橫截面積被氧化薄膜所取代，氧化膜愈厚阻值愈大。盡管氧化造成鉑電阻溫度計(jì)示值的漂移可以通過恰當(dāng)?shù)耐嘶鹬贫冗M(jìn)行消除，但當(dāng)氧化膜厚度大于7×10-3μm時(shí)，相對(duì)于Rtp中的變化大于40mK，這需要在700℃或更高的溫度下加熱退火，使氧化膜解離，Rtp恢復(fù)到原值。
3、應(yīng)力
制作溫度計(jì)的感溫元件是很細(xì)的鉑絲，通常采用無應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使溫度變化時(shí)感溫元件的鉑絲能自由地膨脹和收縮。但在溫度計(jì)的使用過程中引起的機(jī)械震動(dòng)和熱沖擊通常會(huì)使抽絲產(chǎn)生第二類內(nèi)應(yīng)力(微觀內(nèi)應(yīng)力)和第三類內(nèi)應(yīng)力(晶格畸變應(yīng)力)，以第三類內(nèi)應(yīng)力為最主要的，從而引起電阻特性發(fā)生變化，增大電阻值，改變穩(wěn)定性。
機(jī)械震動(dòng)主要是造成鉑絲的變形、彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力。熱沖擊主要是鉑絲與支撐件間熱膨脹的差異造成應(yīng)力的產(chǎn)生，或溫度計(jì)經(jīng)過較大的溫度突變而引起鉑絲產(chǎn)生淬火空位。根據(jù)公式計(jì)算淬火空位在525℃以下造成室溫阻值增加量小于lmK，但由于淬火空位的電阻率與淬火溫度成指數(shù)關(guān)系，在645℃和700℃將分別引起室溫阻值增加10mK和24mK，這對(duì)于高溫的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是不允許的。
4、絕緣
鉑電阻溫度計(jì)的絕緣性能與感溫元件電阻絲之間和引線或外套管之間的絕緣程度有關(guān)系。絕緣電阻的高低是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)性能保持穩(wěn)定的非常重要的技術(shù)要求，標(biāo)準(zhǔn)業(yè)鉑電阻溫度計(jì)的絕緣性能有嚴(yán)格的要求：絕緣電阻不小于200MΩ，當(dāng)在Zn凝固點(diǎn)的絕緣電阻降到10MΩ時(shí)，將引起約5mK的電阻值偏差，這已超過二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在Zn凝固點(diǎn)分度時(shí)對(duì)穩(wěn)定性不超過4mk的規(guī)定。
造成標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)絕緣下降主要原因之一是在長(zhǎng)期的使用過程中，反復(fù)的冷熱循環(huán)引起氣密性的降低，另外一個(gè)原因就是鉑冉阻元件的支撐骨架以及絕緣管的離子電離而引起的。
長(zhǎng)期保持標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性的使用對(duì)策
制作好的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)其里面的氧以及雜質(zhì)的量均已確定，在使用中我們應(yīng)盡量避免改變其物理、化學(xué)特性。
①要避免超溫使用。鉑電阻溫度計(jì)元件十字結(jié)構(gòu)，其制作采用的退火溫度不盡一致。超溫使用將改變氧化膜的厚度，同時(shí)也易使鉑絲的晶粒粗大，在后續(xù)的退火中不易消除。
②在使用時(shí)避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力。主要應(yīng)注意以下兩個(gè)方面：一是使用時(shí)盡量避免與容器壁或其他物體的碰撞沖擊，如運(yùn)輸時(shí)應(yīng)包裝保護(hù)好并擺放恰當(dāng)，做到輕拿輕放。在液體槽使用時(shí)，在保證測(cè)溫不受影響的情況下，盡量使溫度計(jì)不與產(chǎn)生沖刷的介質(zhì)直接接觸。二是避免溫度計(jì)的急冷急熱。將溫度計(jì)放入或取出溫源時(shí)，應(yīng)緩慢，不應(yīng)使溫度計(jì)的前后部分溫差過大，產(chǎn)生不必要的甚至不易消除的淬火空位等應(yīng)力。同時(shí)，溫度計(jì)的急冷急熱也易降低溫度計(jì)的氣密性從而使絕緣電阻下降而影響穩(wěn)定性。
③在判斷溫度計(jì)的穩(wěn)定性時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行恰當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚?。恰?dāng)?shù)耐嘶鹛幚砟芟溲趸?yīng)及使用中產(chǎn)生的應(yīng)力。各類溫度計(jì)的退火溫度主要根據(jù)其上限溫度及結(jié)構(gòu)決定。
④在使用過程中，應(yīng)對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行合理的期間核查?？刹扇”容^簡(jiǎn)便的建立控制圖的核查標(biāo)準(zhǔn)法，及時(shí)監(jiān)測(cè)溫度計(jì)的漂移量，判斷其是否超差，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。
通過以上分析討論我們知道，要保證標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性，不僅要對(duì)其影響的化學(xué)、物理等因素所了解，更重要的是在實(shí)際中要進(jìn)行正確的使用與維護(hù)，這樣更有利于保證鉑電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性，保證其可靠的計(jì)量性能。
