标准铂电阻的特性和使用维护常见问题
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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。
Fluke Calibration
14
感温元件结构
Fluke Calibration
15
二级铂电阻温度计外观
Fluke Calibration
16
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
Fluke Calibration
35
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。
Fluke Calibration
25
热迟滞的评估
温度范围
低温
中点
高温
测量值 Δt
测量值
Fluke Calibration
26
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
Fluke Calibration
22
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
Fluke Calibration
24
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
13
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
©2011 Fluke Corporation
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
Fluke Calibration
33
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
Fluke Calibration
34
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 )
Fluke Calibration
3
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
Fluke Calibration
1
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
Fluke Calibration
2
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
Fluke Calibration
30
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
Fluke Calibration
31
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
Fluke Calibration
20
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
Fluke Calibration
21
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
Fluke Calibration
32
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
Fluke Calibration
11
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
Fluke Calibration
12
• 铂的纯度达到99.99%+
Fluke Calibration
7
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
©2011 Fluke Corporation
PRTs and their common errors
Mingjian Zhao
力。
• 标准铂电阻温度计制成后，必须经过充分退火以消除应
Fluke Calibration
8
标准铂电阻温度计的结构
Fluke Calibration
9
金属管标准铂电阻温度计的结构
Fluke Calibration
10
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
Fluke Calibration
23
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
Fluke Calibration
28
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
Fluke Calibration
4
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
Fluke Calibration
5
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
©2011 Fluke Corporation PRTs and their common errors Mingjian Zhao 6
Fluke Calibration
27
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
Fluke Calibration
29
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
17
工业铂电阻温度计结构
Fluke Calibration
18
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
Fluke Calibration
19
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
Fluke Calibration
14
感温元件结构
Fluke Calibration
15
二级铂电阻温度计外观
Fluke Calibration
16
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
Fluke Calibration
35
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。
Fluke Calibration
25
热迟滞的评估
温度范围
低温
中点
高温
测量值 Δt
测量值
Fluke Calibration
26
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
Fluke Calibration
22
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
13
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
©2011 Fluke Corporation
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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33
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
Fluke Calibration
34
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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3
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
Fluke Calibration
1
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
Fluke Calibration
2
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
Fluke Calibration
30
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
Fluke Calibration
31
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
Fluke Calibration
20
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
Fluke Calibration
21
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
Fluke Calibration
32
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
Fluke Calibration
11
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
Fluke Calibration
12
• 铂的纯度达到99.99%+
Fluke Calibration
7
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
©2011 Fluke Corporation
PRTs and their common errors
Mingjian Zhao
力。
• 标准铂电阻温度计制成后，必须经过充分退火以消除应
Fluke Calibration
8
标准铂电阻温度计的结构
Fluke Calibration
9
金属管标准铂电阻温度计的结构
Fluke Calibration
10
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
Fluke Calibration
23
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
Fluke Calibration
28
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
Fluke Calibration
4
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
Fluke Calibration
5
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
©2011 Fluke Corporation PRTs and their common errors Mingjian Zhao 6
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27
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
Fluke Calibration
29
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
17
工业铂电阻温度计结构
Fluke Calibration
18
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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19
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