《制冷與低溫測試技術(shù)》課件chapter2-2電阻溫度計(jì)

1、 ITS-90規(guī)定：鉑電阻溫度計(jì)為13.8033K961.78C溫區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)測溫儀器，隨著溫度的降低，鉑電阻溫度計(jì)電阻值和靈敏度不斷減小，以致在13.80K以下不能作標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用，如改用銠鐵合金電阻溫度計(jì)，其下限可延伸到0.1K，與之相反，半導(dǎo)體溫度計(jì)具有負(fù)的溫度系數(shù)，而且在一定溫度范圍內(nèi)近似指數(shù)關(guān)系。它在低溫下有高靈敏度。 電阻溫度計(jì)的特點(diǎn)：測溫精確度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、信號(hào)輸出大，便于測量和遠(yuǎn)傳，和它配套儀表也比較成熟，是目前溫度測量中主要溫度計(jì)。1金屬電阻溫度計(jì) 2合金電阻溫度計(jì) 3其它電阻溫度計(jì) 2.5 電阻溫度計(jì)電阻溫度計(jì)的純金屬必須具備如下的性質(zhì)：在較高溫度時(shí)，電阻盡可能與溫度成

2、線性關(guān)系，這會(huì)使定標(biāo)方程修正工作變得簡單。金屬的德拜溫度D盡可能低，以使在較低溫度下仍有較高靈敏度。 (鉑的D=225K，13K附近大)金屬必須很純，在很大溫區(qū)范圍內(nèi)可消除雜質(zhì)對(duì)Rr的影響。(鉑的純度 99.999%，W(Ga)1.11807)必須有好的化學(xué)惰性和高的電阻隱定性，定標(biāo)方程校正一次可以使用很久，且不受冷熱反復(fù)的影響。 （鉑的物理化學(xué)穩(wěn)定性很好）易于機(jī)械加工，可以拉絲和繞成所需要的形狀。2.5 電阻溫度計(jì)ITS-90規(guī)定：來表示鉑金屬的純度或Ga的熔點(diǎn)Hg的三相點(diǎn)2.5 電阻溫度計(jì)純金屬的電阻特點(diǎn)：通?？捎民R西森(Matthiessen)法則表示：式中Rr 為剩余電阻，導(dǎo)體中電子被

3、雜質(zhì)散射引起的，它和溫度無關(guān)， 決定于金屬的純度；Ri(T) 為理想電阻，電子被晶格熱振動(dòng)散射引起的，它和溫度有關(guān)。 溫度較高時(shí)，晶格振動(dòng)大，散射電子能力大，電阻也大，電阻和溫度近似成線性關(guān)系2n5在T為D幾十分之一的低溫下與T無關(guān)，只依賴于雜質(zhì)和缺陷的種類和數(shù)量，可用來衡量金屬的純度2.5 電阻溫度計(jì)表：DEBYE特征溫度材料D(K)材料D(K)材料D(K)鋁Aluminum390石墨Graphite1500鉑Platinum225氬Argon85-鐵-Iron430銀Silver220鈹Beryllium980-鐵-Iron320鈉Sodium160鈣Calcium230鉛Lead86鉭T

4、antalum245鉻Chromium440鋰Lithium430白口鐵White tin165銅Copper310汞Mercury95灰口鐵Cray tin240鉆石Diamond1850鉬Molybdenum375鈦Titanium350釓Gadolinium160氖Neon63鎢Tungsten315鍺Germanium290鎳Nickel375釩Vanadium280金Gold180鈮Niobium265鋯Zirconium280Source: Randall.F Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p26 2.5 電阻溫度計(jì) 金屬鉑滿

5、足了大部分的要求，D=225K，直到13K附近仍有較大的電阻溫度系數(shù)，鉑的純度可達(dá)99.999%以上，W(Ga)1.11807，物理化學(xué)穩(wěn)定性很好，因此國際權(quán)度大會(huì)決定采用鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)的測溫儀器之一。一、鉑電阻溫度計(jì)的結(jié)構(gòu) Source: （數(shù)字111,103,102表示在0攝氏度時(shí)的電阻）2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì)Source: 低溫系統(tǒng)，王如竹，汪榮順編著，上海交通大學(xué)出版社 p203Randall F. Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p316鉑電阻溫度計(jì)結(jié)構(gòu) 把直徑0.050.5mm的高純鉑絲W(29.7646C)1.

6、11807先繞成螺旋狀，然后再雙繞在石英扭轉(zhuǎn)帶或刻有凹槽的云母十字架上，也可以自由地懸在硬質(zhì)玻璃U型管中，四根鉑引線和電阻兩端相連，洗凈后裝入鉑殼中，鉑殼在450C退火、老化，以消除鉑絲的內(nèi)應(yīng)力，抽空并在殼內(nèi)充以少量干燥氦氣(其中含有充分的氧，以便鉑中氧化物質(zhì)穩(wěn)定)再密封。2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)阻值R(0C)=25歐姆，準(zhǔn)確度可達(dá)0.001K，工程上用的鉑電阻溫度計(jì)阻值為50和100，準(zhǔn)確度為0.050.1K，有分度對(duì)照表。在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)測量中還有一種微型鉑電阻溫度計(jì)，它體積小，熱慣性小、氣密性好，測溫范圍在-200C 500C，它的支架和保護(hù)套管由特種玻璃制成，在

7、刻有螺紋的園形玻璃上繞上0.040.05mm鉑絲，用0.5鉑絲引出線，外面套有4.5mm外徑特殊玻璃作保護(hù)套管，長為25mm。 在瞬間溫度和表面溫度測量中，薄膜溫度計(jì)有更大的優(yōu)點(diǎn)。它用腐蝕成柵狀鉑金屬膜粘貼在塑料底板上(或用在塑料上鍍膜)制成薄膜電阻溫度計(jì)，形狀和電阻應(yīng)變片相仿，測溫時(shí)粘貼在被測物體上，這種溫度計(jì)熱容量小，反應(yīng)極快，故可用于瞬態(tài)測溫，這種膜片也可用金屬鎳制作，成為鎳薄膜電阻溫度計(jì)。 2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì)7.1鉑電阻溫度計(jì) 7.1鉑電阻溫度計(jì) 2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì)二、鉑電阻溫度計(jì)的分度 (1)Z函數(shù)法 對(duì)于一般低溫溫度計(jì)的電阻，可以引進(jìn)一個(gè)和雜質(zhì)含量無關(guān)的

8、Z函數(shù)，即 它對(duì)同種金屬溫度計(jì)近似相等，貝塞爾(Besley)等對(duì)50支鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行計(jì)算得到TZ(T)表及靈敏度(Z/T)關(guān)系(表2-11)。測溫前先在T0=273K和4.2K測得R273和R4.2的值，只要測得未知溫度R(T)就可算出對(duì)應(yīng)的T，此法分度誤差不大于0.05K。(ITS-90)2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì)二、鉑電阻溫度計(jì)的分度 (2)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的比對(duì)法 用已分度的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在低溫恒溫器中來分度(標(biāo)定)未分度的鉑電阻溫度計(jì)，逐點(diǎn)比對(duì)，操作比較煩鎖，在幾十個(gè)溫度測電阻比WS(標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì))和Wx(待分度溫度計(jì))，作出WWS-Wx的曲線，由此可得到Wx-T關(guān)系。2.5

9、 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì)二、鉑電阻溫度計(jì)的分度 (3)公式法分度在氧沸點(diǎn)(90.2K)以上，鉑電阻溫度計(jì)的電阻可用下列多項(xiàng)式表示Callendar-van Dusen equation (Source: Randall F. Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p316)： 其靈敏度：只要在幾個(gè)已知固定點(diǎn)校正，求出常數(shù)A、B、C，其中A=3.94610-3 C -1；B=-1.10810-6 C -2；C=3.3310-12 C -4。由于B、C值很小，溫度計(jì)在90.2K以上靈敏度實(shí)際上為常數(shù)。2.5 電阻溫度計(jì)-鉑電阻溫度計(jì) 在銠、鉑等貴金

10、屬中加入微量的鐵、鈷等磁性金屬，在極低溫度下其電阻與溫度關(guān)系會(huì)表現(xiàn)出與純金屬稍有不同的特性。微量雜質(zhì)的作用使合金具有很大的正電阻溫度系數(shù)。發(fā)現(xiàn)含0.5%原子比的鐵的銠鐵合金在20K以下一直到0.3K有很好的線性關(guān)系。因此，銠鐵合金可以制成一種很有用的低溫溫度計(jì)，其使用范圍從室溫往下延伸至0.5K。特別是在0.5K至20K的溫度范圍比鉑電阻溫度計(jì)優(yōu)越。鉑鈷電阻溫度計(jì)也是一鐘含金電阻溫度計(jì)，其原理和銠鐵電阻溫度計(jì)類似，但銠鐵電阻溫度計(jì)的性能稍好些，銠鐵電阻溫度計(jì)在低溫工程和實(shí)驗(yàn)室中普遍使用。2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì)（一）、銠鐵電阻溫度計(jì)1. 銠鐵電阻溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和制作 實(shí)驗(yàn)室用的銠鐵電阻

11、溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示。2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì)（一）、銠鐵電阻溫度計(jì)1、銠鐵電阻溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和制作 在制造溫度計(jì)時(shí)最好使用具有高電阻值的銠鐵，并在無應(yīng)力狀態(tài)下封裝。封裝的方法與鉑電阻溫度計(jì)類似。銠鐵電阻溫度計(jì)有兩種規(guī)格：一種叫U型，鉑套管長3cm，4.2K時(shí)電阻約3.5。在20K和273.15K時(shí)分別上升到大約6和50；另一種叫W型，鉑套管長約5 cm，電阻值約為U型的兩倍。2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì) 銠鐵電阻溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)是將直徑為0.05 mm的銠鐵絲繞成螺旋狀裝入4個(gè)玻璃小管，銠鐵絲兩端焊上鉑絲制成電流和電壓引線。引線直徑均為0.3 mm。組件在真空中在750 C溫度下退

12、火2小時(shí)，消除應(yīng)力，減少電阻率與溫度無關(guān)的部分與提高靈敏度。退火完全的銠鐵絲在4.2K和293K的電阻率的比率大約是0.08。退火后再裝入鉑套管并由一個(gè)玻璃泡連接，充入大約1/3大氣壓的氦氣后封死。2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì)2、銠鐵電阻溫度計(jì)的性能 銠鐵電阻溫度計(jì)適用于在0.3240K溫度范圍內(nèi)作精密測量用。銠鐵電阻溫度計(jì)的短期復(fù)現(xiàn)很好，其部分原因顯然與接觸電阻影響不大有關(guān)。銠鐵電阻溫度計(jì)的長期穩(wěn)定性較差，應(yīng)力的產(chǎn)生、室溫下的退火、銠鐵的擴(kuò)散，都會(huì)引起銠鐵電阻率的變化。電阻率的變化是增加還是減少無法預(yù)知，經(jīng)過長時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)有些銠鐵電阻溫度計(jì)的電阻每年約以510-6的速率減少，相當(dāng)于

13、每年降低0.1mK的溫度。銠鐵電阻溫度計(jì)缺點(diǎn)是：即使是用同一批材料做的兩個(gè)溫度計(jì)，其電阻比也不是完全相同的。(銦電阻溫度計(jì)也是）2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì)3、銠鐵電阻溫度計(jì)的電阻和溫度關(guān)系銠鐵電阻溫度計(jì)的電阻隨溫度變化的關(guān)系比較簡單，在2.620K的溫度范圍內(nèi)可用氣體溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)或磁溫度計(jì)進(jìn)行分度。在21個(gè)溫度點(diǎn)測得的數(shù)值可用八階的切比雪夫(Chebyshev)級(jí)數(shù)近似表示，用最小二乘法處理，由下述形式的正交多項(xiàng)式進(jìn)行擬合：n 階切比雪夫多項(xiàng)式2.5 電阻溫度計(jì)-合金電阻溫度計(jì)銠鐵溫度計(jì)標(biāo)定-中科院低溫中心電阻 溫度 誤差 52.0000 281.4901 0.1917 52.2

14、000 282.5334 0.1917 52.4000 283.5769 0.1917 52.6000 284.6205 0.1917 52.8000 285.6641 0.1916 53.0000 286.7077 0.1916 53.2000 287.7514 0.1916 53.4000 288.7951 0.1916 53.6000 289.8387 0.1916 53.8000 290.8824 0.1916 54.0000 291.9260 0.1916 54.2000 292.9695 0.1917 54.4000 294.0130 0.1917 54.6000 295.0562

15、 0.1917 54.8000 296.0993 0.1917 55.0000 297.1421 0.1918. 金屬電阻溫度計(jì)隨溫度的下降，電阻值越來越小，直到10K附近，不但阻值很小，而且靈敏度(dR/dT)也變得很小，無法使用。而半導(dǎo)體溫度計(jì)則相反，在一定溫度范圍內(nèi)其值隨溫度的下降反而上升，近似地成指數(shù)關(guān)系，A、B為常數(shù)更重要的是測量靈敏度增加，電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體2.5 電阻溫度計(jì)-半導(dǎo)體溫度計(jì) 溫度降低a增大，并且電阻值大，易于測量，對(duì)測量儀表要求可以降低，因此，在20K以下半導(dǎo)體溫度計(jì)用得比較廣泛，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體溫度計(jì)可以做得很小，熱容

16、也小，最常用的要算鍺電阻溫度計(jì)了。2.5 電阻溫度計(jì)-半導(dǎo)體溫度計(jì)1、鍺電阻溫度計(jì) 純鍺(Ge)材料，在低溫下電阻太大，電阻溫度系數(shù)也小，不能用來做溫度計(jì)，一般要摻入少量的雜質(zhì)，如銻、砷、銦等，摻雜密度大10171018cm-3。 鍺電阻溫度計(jì)使用范圍從0.015K100K溫區(qū)，在10K以下靈敏度很高，30-40K以上靈敏度較低，30K以上測溫一般仍使用鉑電阻溫度計(jì)，鍺電阻溫度計(jì)電阻一溫度關(guān)系很復(fù)雜但重復(fù)性很好，仔細(xì)研制的鍺電阻溫度計(jì)穩(wěn)定性在7mK以內(nèi)。2.5 電阻溫度計(jì)-半導(dǎo)體溫度計(jì) 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鍺電阻溫度計(jì)分度較復(fù)雜，在2-20K溫區(qū)內(nèi)要有分度點(diǎn)，在2-40.7K溫區(qū)要有35個(gè)分度點(diǎn)，這樣標(biāo)準(zhǔn)

17、誤差可在1mK以內(nèi)，對(duì)于實(shí)用鍺電阻溫度計(jì)，精度在幾十幾毫開可用一些近似公式內(nèi)插： 鍺電阻溫度計(jì)受磁場影響較大，R/RH2，系數(shù)大小決定于摻雜程度使用溫度，一般1萬高斯以下變化百分之幾。 由于溫度計(jì)在低溫下阻值大，測量時(shí)要注意測量電流引起溫度計(jì)的自熱，1K時(shí)用0.5A，20K時(shí)用100A，功率損耗在10-7W左右。 2.5 電阻溫度計(jì)-半導(dǎo)體溫度計(jì)2、碳電阻溫度計(jì) 嚴(yán)格地說，碳電阻不是半導(dǎo)體，但這種溫度計(jì)具有半導(dǎo)體那樣的負(fù)溫度系數(shù)，實(shí)際上，石墨晶體具有很強(qiáng)的各向異性，沿六角軸方向上為導(dǎo)電性質(zhì)差的金屬，而垂直六角軸主向?yàn)榘雽?dǎo)體，碳電阻由微小石墨顆粒(200目左右)壓緊后燒結(jié)而成，雜質(zhì)以及顆粒間接觸

18、對(duì)溫度計(jì)性質(zhì)有很大影響，它的主要缺點(diǎn)是不穩(wěn)定性，經(jīng)過低溫到高溫冷熱循環(huán)后，阻值會(huì)發(fā)生變化，下次使用應(yīng)重新分度，但碳電阻有突出的優(yōu)點(diǎn)，仍廣泛地用于低溫測量。2.5 電阻溫度計(jì)-碳電阻溫度計(jì)特點(diǎn)： 碳電阻的電阻值具有負(fù)溫度系數(shù)，低溫下電阻值反而增大，靈敏度也增加，可用于30K以下至毫開溫區(qū)的測量。 雖然使用一次要校正一次，但它的R-T關(guān)系比較簡單，只要校正1到3個(gè)點(diǎn)即可，對(duì)于Allen-Bradley碳電阻可用下式表示。 式中K、A、B可用氫沸點(diǎn)，4He和點(diǎn)來確定，其精度可達(dá)0.5%，2.5 電阻溫度計(jì)-碳電阻溫度計(jì)很多碳電阻采用兩常數(shù)公式： 對(duì)于10，1/2W，Allen-Bradley碳電阻，

19、在525K溫區(qū)用上式精度可達(dá)0.4%。受磁場影響小，如在1萬高斯磁場中只改變?nèi)f分之一，可以在高磁場中工作，尤其是目前發(fā)展的低溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)較為突出。（MRI上用的較多）我國RS-11型碳電阻也可用作30K以下的測溫，在4.2K時(shí)重復(fù)優(yōu)于0.1K。2.5 電阻溫度計(jì)-碳電阻溫度計(jì) 碳電阻熱導(dǎo)較差，測量電流產(chǎn)生的焦耳熱很容易在溫度計(jì)內(nèi)造成溫度梯度，以致阻值受測量電流的影響，因此測量電流要小，4K以下為10A，同時(shí)，改變溫度后要有一定的熱平衡時(shí)間，如1瓦的碳電阻，在3K時(shí)熱平衡時(shí)間為5秒。 無線電的碳電阻元件常常封在磁殼里，不利于傳熱，我們可將它磨去，然后繞上絕緣銅線，并用漆固定，將銅線的一端焊到裝置上傳熱就會(huì)得到改善。2.5 電阻溫度計(jì)-碳電阻溫度計(jì) 作為對(duì)碳電阻的改變，出現(xiàn)了一種碳玻璃電阻溫度計(jì)(CGR)或稱滲碳玻璃溫度計(jì)，先制成多孔(孔徑為40)的高氧玻璃，浸在有機(jī)溶劑中，使其孔內(nèi)充滿有機(jī)溶劑，然后真空燒結(jié)，使高純碳沉積在玻璃內(nèi)，便成為導(dǎo)電的玻璃，這種玻璃的電阻率隨溫度下降而增大，它在氦溫度下的復(fù)現(xiàn)性好于5mK，在4.2K附近的靈敏度dR/dT約為1200/K左右，在0.65-325K之間電阻-溫度曲線是單調(diào)的，因此，只要通過幾個(gè)點(diǎn)