《制冷与低温测试技术》课件chapter2-2电阻温度计

1、 ITS-90规定：铂电阻温度计为13.8033K961.78C温区的标准测温仪器，随着温度的降低，铂电阻温度计电阻值和灵敏度不断减小，以致在13.80K以下不能作标准仪器应用，如改用铑铁合金电阻温度计，其下限可延伸到0.1K，与之相反，半导体温度计具有负的温度系数，而且在一定温度范围内近似指数关系。它在低温下有高灵敏度。 电阻温度计的特点：测温精确度高、灵敏度高、稳定性好、信号输出大，便于测量和远传，和它配套仪表也比较成熟，是目前温度测量中主要温度计。1金属电阻温度计 2合金电阻温度计 3其它电阻温度计 2.5 电阻温度计电阻温度计的纯金属必须具备如下的性质：在较高温度时，电阻尽可能与温度成

2、线性关系，这会使定标方程修正工作变得简单。金属的德拜温度D尽可能低，以使在较低温度下仍有较高灵敏度。 (铂的D=225K，13K附近大)金属必须很纯，在很大温区范围内可消除杂质对Rr的影响。(铂的纯度 99.999%，W(Ga)1.11807)必须有好的化学惰性和高的电阻隐定性，定标方程校正一次可以使用很久，且不受冷热反复的影响。 （铂的物理化学稳定性很好）易于机械加工，可以拉丝和绕成所需要的形状。2.5 电阻温度计ITS-90规定：来表示铂金属的纯度或Ga的熔点Hg的三相点2.5 电阻温度计纯金属的电阻特点：通常可用马西森(Matthiessen)法则表示：式中Rr 为剩余电阻，导体中电子被

3、杂质散射引起的，它和温度无关， 决定于金属的纯度；Ri(T) 为理想电阻，电子被晶格热振动散射引起的，它和温度有关。 温度较高时，晶格振动大，散射电子能力大，电阻也大，电阻和温度近似成线性关系2n5在T为D几十分之一的低温下与T无关，只依赖于杂质和缺陷的种类和数量，可用来衡量金属的纯度2.5 电阻温度计表：DEBYE特征温度材料D(K)材料D(K)材料D(K)铝Aluminum390石墨Graphite1500铂Platinum225氩Argon85-铁-Iron430银Silver220铍Beryllium980-铁-Iron320钠Sodium160钙Calcium230铅Lead86钽T

4、antalum245铬Chromium440锂Lithium430白口铁White tin165铜Copper310汞Mercury95灰口铁Cray tin240钻石Diamond1850钼Molybdenum375钛Titanium350钆Gadolinium160氖Neon63钨Tungsten315锗Germanium290镍Nickel375钒Vanadium280金Gold180铌Niobium265锆Zirconium280Source: Randall.F Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p26 2.5 电阻温度计 金属铂满

5、足了大部分的要求，D=225K，直到13K附近仍有较大的电阻温度系数，铂的纯度可达99.999%以上，W(Ga)1.11807，物理化学稳定性很好，因此国际权度大会决定采用铂电阻温度计作为标准的测温仪器之一。一、铂电阻温度计的结构 Source: （数字111,103,102表示在0摄氏度时的电阻）2.5 电阻温度计-铂电阻温度计Source: 低温系统，王如竹，汪荣顺编著，上海交通大学出版社 p203Randall F. Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p316铂电阻温度计结构 把直径0.050.5mm的高纯铂丝W(29.7646C)1.

6、11807先绕成螺旋状，然后再双绕在石英扭转带或刻有凹槽的云母十字架上，也可以自由地悬在硬质玻璃U型管中，四根铂引线和电阻两端相连，洗净后装入铂壳中，铂壳在450C退火、老化，以消除铂丝的内应力，抽空并在壳内充以少量干燥氦气(其中含有充分的氧，以便铂中氧化物质稳定)再密封。2.5 电阻温度计-铂电阻温度计 标准铂电阻温度计阻值R(0C)=25欧姆，准确度可达0.001K，工程上用的铂电阻温度计阻值为50和100，准确度为0.050.1K，有分度对照表。在实验室和工业测量中还有一种微型铂电阻温度计，它体积小，热惯性小、气密性好，测温范围在-200C 500C，它的支架和保护套管由特种玻璃制成，在

7、刻有螺纹的园形玻璃上绕上0.040.05mm铂丝，用0.5铂丝引出线，外面套有4.5mm外径特殊玻璃作保护套管，长为25mm。 在瞬间温度和表面温度测量中，薄膜温度计有更大的优点。它用腐蚀成栅状铂金属膜粘贴在塑料底板上(或用在塑料上镀膜)制成薄膜电阻温度计，形状和电阻应变片相仿，测温时粘贴在被测物体上，这种温度计热容量小，反应极快，故可用于瞬态测温，这种膜片也可用金属镍制作，成为镍薄膜电阻温度计。 2.5 电阻温度计-铂电阻温度计7.1铂电阻温度计 7.1铂电阻温度计 2.5 电阻温度计-铂电阻温度计二、铂电阻温度计的分度 (1)Z函数法 对于一般低温温度计的电阻，可以引进一个和杂质含量无关的

8、Z函数，即 它对同种金属温度计近似相等，贝塞尔(Besley)等对50支铂电阻温度计进行计算得到TZ(T)表及灵敏度(Z/T)关系(表2-11)。测温前先在T0=273K和4.2K测得R273和R4.2的值，只要测得未知温度R(T)就可算出对应的T，此法分度误差不大于0.05K。(ITS-90)2.5 电阻温度计-铂电阻温度计二、铂电阻温度计的分度 (2)标准铂电阻温度计的比对法 用已分度的标准铂电阻温度计在低温恒温器中来分度(标定)未分度的铂电阻温度计，逐点比对，操作比较烦锁，在几十个温度测电阻比WS(标准温度计)和Wx(待分度温度计)，作出WWS-Wx的曲线，由此可得到Wx-T关系。2.5

9、 电阻温度计-铂电阻温度计二、铂电阻温度计的分度 (3)公式法分度在氧沸点(90.2K)以上，铂电阻温度计的电阻可用下列多项式表示Callendar-van Dusen equation (Source: Randall F. Barron, Cryogenic Systems, second Edition, p316)： 其灵敏度：只要在几个已知固定点校正，求出常数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，温度计在90.2K以上灵敏度实际上为常数。2.5 电阻温度计-铂电阻温度计 在铑、铂等贵金

10、属中加入微量的铁、钴等磁性金属，在极低温度下其电阻与温度关系会表现出与纯金属稍有不同的特性。微量杂质的作用使合金具有很大的正电阻温度系数。发现含0.5%原子比的铁的铑铁合金在20K以下一直到0.3K有很好的线性关系。因此，铑铁合金可以制成一种很有用的低温温度计，其使用范围从室温往下延伸至0.5K。特别是在0.5K至20K的温度范围比铂电阻温度计优越。铂钴电阻温度计也是一钟含金电阻温度计，其原理和铑铁电阻温度计类似，但铑铁电阻温度计的性能稍好些，铑铁电阻温度计在低温工程和实验室中普遍使用。2.5 电阻温度计-合金电阻温度计（一）、铑铁电阻温度计1. 铑铁电阻温度计的结构和制作 实验室用的铑铁电阻

11、温度计的结构如图所示。2.5 电阻温度计-合金电阻温度计（一）、铑铁电阻温度计1、铑铁电阻温度计的结构和制作 在制造温度计时最好使用具有高电阻值的铑铁，并在无应力状态下封装。封装的方法与铂电阻温度计类似。铑铁电阻温度计有两种规格：一种叫U型，铂套管长3cm，4.2K时电阻约3.5。在20K和273.15K时分别上升到大约6和50；另一种叫W型，铂套管长约5 cm，电阻值约为U型的两倍。2.5 电阻温度计-合金电阻温度计 铑铁电阻温度计的结构是将直径为0.05 mm的铑铁丝绕成螺旋状装入4个玻璃小管，铑铁丝两端焊上铂丝制成电流和电压引线。引线直径均为0.3 mm。组件在真空中在750 C温度下退

12、火2小时，消除应力，减少电阻率与温度无关的部分与提高灵敏度。退火完全的铑铁丝在4.2K和293K的电阻率的比率大约是0.08。退火后再装入铂套管并由一个玻璃泡连接，充入大约1/3大气压的氦气后封死。2.5 电阻温度计-合金电阻温度计2、铑铁电阻温度计的性能 铑铁电阻温度计适用于在0.3240K温度范围内作精密测量用。铑铁电阻温度计的短期复现很好，其部分原因显然与接触电阻影响不大有关。铑铁电阻温度计的长期稳定性较差，应力的产生、室温下的退火、铑铁的扩散，都会引起铑铁电阻率的变化。电阻率的变化是增加还是减少无法预知，经过长时间的观察，发现有些铑铁电阻温度计的电阻每年约以510-6的速率减少，相当于

13、每年降低0.1mK的温度。铑铁电阻温度计缺点是：即使是用同一批材料做的两个温度计，其电阻比也不是完全相同的。(铟电阻温度计也是）2.5 电阻温度计-合金电阻温度计3、铑铁电阻温度计的电阻和温度关系铑铁电阻温度计的电阻随温度变化的关系比较简单，在2.620K的温度范围内可用气体温度计、声学温度计或磁温度计进行分度。在21个温度点测得的数值可用八阶的切比雪夫(Chebyshev)级数近似表示，用最小二乘法处理，由下述形式的正交多项式进行拟合：n 阶切比雪夫多项式2.5 电阻温度计-合金电阻温度计铑铁温度计标定-中科院低温中心电阻 温度 误差 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. 金属电阻温度计随温度的下降，电阻值越来越小，直到10K附近，不但阻值很小，而且灵敏度(dR/dT)也变得很小，无法使用。而半导体温度计则相反，在一定温度范围内其值随温度的下降反而上升，近似地成指数关系，A、B为常数更重要的是测量灵敏度增加，电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质称为半导体2.5 电阻温度计-半导体温度计 温度降低a增大，并且电阻值大，易于测量，对测量仪表要求可以降低，因此，在20K以下半导体温度计用得比较广泛，另一个优点，半导体温度计可以做得很小，热容

16、也小，最常用的要算锗电阻温度计了。2.5 电阻温度计-半导体温度计1、锗电阻温度计 纯锗(Ge)材料，在低温下电阻太大，电阻温度系数也小，不能用来做温度计，一般要掺入少量的杂质，如锑、砷、铟等，掺杂密度大10171018cm-3。 锗电阻温度计使用范围从0.015K100K温区，在10K以下灵敏度很高，30-40K以上灵敏度较低，30K以上测温一般仍使用铂电阻温度计，锗电阻温度计电阻一温度关系很复杂但重复性很好，仔细研制的锗电阻温度计稳定性在7mK以内。2.5 电阻温度计-半导体温度计 对于标准锗电阻温度计分度较复杂，在2-20K温区内要有分度点，在2-40.7K温区要有35个分度点，这样标准

17、误差可在1mK以内，对于实用锗电阻温度计，精度在几十几毫开可用一些近似公式内插： 锗电阻温度计受磁场影响较大，R/RH2，系数大小决定于掺杂程度使用温度，一般1万高斯以下变化百分之几。 由于温度计在低温下阻值大，测量时要注意测量电流引起温度计的自热，1K时用0.5A，20K时用100A，功率损耗在10-7W左右。 2.5 电阻温度计-半导体温度计2、碳电阻温度计 严格地说，碳电阻不是半导体，但这种温度计具有半导体那样的负温度系数，实际上，石墨晶体具有很强的各向异性，沿六角轴方向上为导电性质差的金属，而垂直六角轴主向为半导体，碳电阻由微小石墨颗粒(200目左右)压紧后烧结而成，杂质以及颗粒间接触

18、对温度计性质有很大影响，它的主要缺点是不稳定性，经过低温到高温冷热循环后，阻值会发生变化，下次使用应重新分度，但碳电阻有突出的优点，仍广泛地用于低温测量。2.5 电阻温度计-碳电阻温度计特点： 碳电阻的电阻值具有负温度系数，低温下电阻值反而增大，灵敏度也增加，可用于30K以下至毫开温区的测量。 虽然使用一次要校正一次，但它的R-T关系比较简单，只要校正1到3个点即可，对于Allen-Bradley碳电阻可用下式表示。 式中K、A、B可用氢沸点，4He和点来确定，其精度可达0.5%，2.5 电阻温度计-碳电阻温度计很多碳电阻采用两常数公式： 对于10，1/2W，Allen-Bradley碳电阻，

19、在525K温区用上式精度可达0.4%。受磁场影响小，如在1万高斯磁场中只改变万分之一，可以在高磁场中工作，尤其是目前发展的低温超导强磁场，这个优点较为突出。（MRI上用的较多）我国RS-11型碳电阻也可用作30K以下的测温，在4.2K时重复优于0.1K。2.5 电阻温度计-碳电阻温度计 碳电阻热导较差，测量电流产生的焦耳热很容易在温度计内造成温度梯度，以致阻值受测量电流的影响，因此测量电流要小，4K以下为10A，同时，改变温度后要有一定的热平衡时间，如1瓦的碳电阻，在3K时热平衡时间为5秒。 无线电的碳电阻元件常常封在磁壳里，不利于传热，我们可将它磨去，然后绕上绝缘铜线，并用漆固定，将铜线的一端焊到装置上传热就会得到改善。2.5 电阻温度计-碳电阻温度计 作为对碳电阻的改变，出现了一种碳玻璃电阻温度计(CGR)或称渗碳玻璃温度计，先制成多孔(孔径为40)的高氧玻璃，浸在有机溶剂中，使其孔内充满有机溶剂，然后真空烧结，使高纯碳沉积在玻璃内，便成为导电的玻璃，这种玻璃的电阻率随温度下降而增大，它在氦温度下的复现性好于5mK，在4.2K附近的灵敏度dR/dT约为1200/K左右，在0.65-325K之间电阻-温度曲线是单调的，因此，只要通过几个点