制冷与低温测试技术 热电阻

制冷与低温测试技术教学内容课程介绍（2）第一章 测量误差分析（3）

测量基本概念

测量误差及其表示方法随机误差及其计算

误差的传递误差的综合第二章

温度的测量（11）

温度和温标（2）热电偶温度计（3）

热电阻温度计

（3）

膨胀式温度计（1）气体温度计（1）蒸汽压温度计及其它（1）

热电势和电阻的测量第三章

压力和真空的测量

液柱式压力计弹性式压力计压力变送器

真空测量第四章

流量测量

容积式流量计涡轮流量计电磁流量计超声波流量计

速度头流量计靶式流量计转子流量计节流式流量计

低温流体质量流量的测量流量仪表的标定装置第五章

低温流体液面测量

压差式液面计电阻式液面计超导式液面计

电容式液面计热力学液面计其他低温流体液面测量方法第六章

气体组分测量与分析（补充）（结合“专业实验——热电偶的制作与标定”进行）

温度不同于其它的物理量，它不能直接进行测量，即不能象质量与长度那样，把一个人工制品与其相应的单位直接进行比较，而只能通过测量某些与其相关的物理量来从中导出。因此，温度是一个强度量，具有非叠加性。温度是最重要的物理量之一。它遍及最基本的物理定理和几乎每一种物理测量之中。它的单位开尔文(K)是国际单位制（

SI）的七个基本单位之一。所谓温度计量，实际上是指根据一些具有物理意义的单位制（目前是国际单位制）来对温度数值进行确定。几乎没有什么物理特性不与温度有关。因此，存在着大量的以物理量表征的物理特性可以作为温度计量的基础。至少在理论上可以认为，具有与温度有关的物理特性的物体都可以用来制作温度传感器或温度计。因此，必然会出现多种多样的温度计。引言在实用方面，人们并不是把每一种具有与温度有关的参数的物体都用作温度计。能够作为温度计基础的物理参数必须满足以下条件：测量简便、复现性好、灵敏度高以及随温度单调变化。就物理参数与温度之间的关系而言，大致可以分为两类温度计：热力学温度计和实用温度计。如这种关系主要来自于基本物理定律，则相应的温度计称为基准温度计或热力学温度计；如该关系主要出自于经验公式，则相应的温度计称为次级温度计或实用温度计。某些温度计如气体温度计、辐射温度计等既可用作热力学温度计，也可用作实用温度计。所不同的是，两种应用的内插方程不同。引言2.5 电阻温度计(RTD)

ResistanceTemperatureDetector

“ITS-90”规定：铂电阻温度计为13.8033K~961.78

C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13.8033K以下不能作标准仪器应用，属于实用温度计的范畴。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，和它配套的仪表也比较成熟，是目前温度测量中主要温度计。2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计

2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.0测温原理由纯金属构成的导体，其电阻特性可从金属的电子理论引出。各种金属均存在着做不规则运动的自由电子。这些电子的不规则运动并不引起电荷沿某一方向迁移，所以也不产生电流。然而，如果在导体中存在着某一定方向的电场，则运动着的自由电子能得到一定方向的附加速度，于是引起电荷的定向迁移，因而产生电流。显然，根据欧姆定律就能得出导体的电阻率

E为电场强度J为电流密度2.5.0测温原理在电场下导体内的自由电子热运动速度与气体分子运动理论有相似之处，于是，可得出电阻率与温度之间的相互关系，即

2.5.0测温原理导体的电阻率还与其晶格点阵振动和缺陷有关。因为当晶格在导体内作周期性振动时，内部的缺陷会迫使运动着的电子偏离原来轨迹，由此也会增加其电阻率。当导体的温度增加时，晶格的热振动将加剧，这时会有更多的传导电子被散射，导体的电阻率也随之增大。实验结果表明，导体由此引起的电阻率在很宽的温度范围内可用布洛赫-格林爱森经验公式（Bloch-Grueneisen，1933）描述：

A为金属的特性常数M为金属原子质量BlochF.,Ztschr.f.Phys.52.S.555.1928;59,S.208.1930GrueneisenVonE.,DieAbhaengigkeitdeselektrischenWiderstandesreinerMetallevonderTemperatur,AnnalenderPhysik.5.Folge.Band16.19332.5.0测温原理当T>0.5

D时，上式可简化成：

这就是公认的金属在高温下，电阻率与温度的正比关系式。当温度很低时，即T<0.1

D时

上述结果表明金属在低温下的电阻率与温度的5次方成正比。这也说明了纯金属在低温下的电阻率随温度而急剧变化。纯金属电阻率2.5.0测温原理此外，纯金属内部难免掺有微量杂质。这种杂质将成为固溶体，并在晶体中处于无序的分布状态，造成晶体的缺陷，从而改变了金属的总电阻率。对此，马西森(Matthiessen’srule)于1864年就指出了纯金属的电阻率

应由两部分的电阻率组成，即杂质引起的电阻率

i和金属晶格振动引起的电阻率

(T)，即

金属内部的杂质在低温下是与温度无关的常量，它的存在不受温度的变化所影响。因此，通常所说的导体的电阻率随温度变化，实际只是指

(T)。如果温度很低，金属内晶格的热振动不足以引起传导电子的散射，这时总电动势

将由

i替代。一般将

i称为剩余电阻率。MatthiessenA.,VogtC.,UeberdenEinflussderTemperaturaufdieelektrischeLeitungsfähigkeitderLegirungen,AnnalenderPhysik,1864DOI:

10.1002/andp（

D=220K）纯度

对电阻率在不同温度下的影响Debye温度源于比热容理论低温系统，王如竹，汪荣顺编著，上海交通大学出版社p15RandallF.Barron,CryogenicSystems,secondEdition,p26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Tantalum245铬Chromium440锂Lithium430白口铁Whitetin165铜Copper310汞Mercury95灰口铁Craytin240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.FBarron,CryogenicSystems,secondEdition,p26表：DEBYE特征温度铟的德拜温度为

D=110K2.5.0测温原理半导体电阻率（略）2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计

2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.1金属电阻温度计

2.5.1金属电阻温度计0.0000000011.1180700050.000000011.1180700050.00000011.1180700050.0000011.1180700040.000011.1180700000.00011.1180699620.0011.1180695730.011.1180656830.11.118026797来控制铂金属的纯度

2.5.1金属电阻温度计0.0000000010.8442349950.000000010.8442349950.00000010.8442349950.0000010.8442349950.000010.8442350000.00010.8442350520.0010.8442355650.010.8442406970.10.844291997来控制铂金属的纯度

2.5.1金属电阻温度计

2.5.1金属电阻温度计作为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一2.5.1金属电阻温度计

铂电阻温度计

铟电阻温度计

铜电阻温度计

铂电阻温度计

platinumresistancethermometer以高纯铂丝（99.999%）为感温元件，W(Ga)≥1.11807。特点：质地柔软、容易加工成形、耐腐蚀、不易氧化、具有较好的化学物理性能。制成的标准铂电阻温度计，年变化量优于1mK。与其它温度计相比，测温准确，在合理操作时，其不确定度为0.5mK。金属铂

D=225K，直到13K附近仍有较大的电阻温度系数。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。

铂电阻温度计

一)

铂电阻温度计的结构Source:pt100plat.pdflatinum_thum由感温元件、绝缘管、保护管和接线盒等部件组成。按用途分为标准型和工业型。标准型按其适应的温度和结构又可分为长杆型、套管型、高温型。工业型可分为普通型和铠装型。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——标准长杆型典型的25

铂标准长杆型电阻温度计感温元件结构图（长杆型温度计使用范围：84K-660C，在水三相点电阻约为25）用直径

0.05~0.07mm的高纯铂丝烧制成直径1mm的螺旋线圈，然后均匀地盘旋在螺旋形或麻花形石英支架上。这种感温元件的优点是铂丝可随温度变化而自由地膨胀或收缩；也由于螺旋形支架凹槽支撑着质地柔软的铂丝线圈，因而能增强感温元件的耐振能力，减少铂丝的应力，从而能提高其电阻-温度特性的稳定性。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——标准长杆型感温元件的两端各焊上两根直径0.4mm铂丝，作为内引线。这些引线的另一端通过用石英制成的四孔绝缘管引到保护管外侧。保护管材料用直径为7mm，长约为600mm透明熔融石英制成。为防止热辐射引起测温误差，在保护管下端，即离感温元件顶端（15-20）mm处（包括绝缘管）均要进行喷砂打毛处理。为减少温度计测温时的滞后现象，在保护管内应充有压力为30kPa的干燥空气，其氧含量不超过7%，以防止温度计内残余金属氧化物被还原成金属杂质而沾污铂丝。考虑到铂丝的热膨胀系数为89.7

10-71/

C，石英的膨胀系数为(5.5-5.8)

10-71/

C，为避免由于两种材料热膨胀系数的差异引起内引出线与保护管连接处的漏气，保护管上端采用耶那16玻璃（Jenaglass）烧结而成（其热膨胀系数约为80

10-71/

C）。温度计的内引线通过接线柱与铜质外引出线牢固地连接在一起。接线柱表面涂有绝缘层，以减少相互间泄漏。温度计在装配前对使用的铂丝、绝缘管、支架、保护管等必须进行严格清洗和烘烤。否则，会影响其阻值的稳定性。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——标准套管型A：直径为5mm，长为50mm的铂套管B：装在两根玻璃管中的直径为0.07mm的铂丝圈C：与铂丝引线的火焰熔接点D：玻璃-铂密封形式与长杆型相似，内部充30kPa氦气。（套管型温度计使用范围：13~273.16K）有时也使用到铟凝固点429.7485K和或锡凝固点505.078K

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——标准高温型（高温型温度计使用范围：~1234.93K）保护套选用优质的熔融石英制成，其外径约为7mm，内径约为5mm，长约800mm；内部充有含氧量10%的纯氩约40kPa。由于测温上限高，当温度变化时，感温元件的铂丝难免要发生晶粒长达、蠕变、应变以及机械形变。严重时会引起铂丝与支架之间的位移，使铂丝表面产生划痕，引起阻值变化。当从高温快速冷却时，还能引起淬火效应，导致阻值增高。此外，高温时绝缘材料性能降低容易引起漏电。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业普通型工业型铂电阻温度计，其技术指标没有标准型要求高、结构也简单。但是，为使其热电特性达到统一要求，并能适应工业应用中常见的冲击、振动、高压以及有害气氛的腐蚀，对感温元件的结构和材料的选择仍有一定的规范。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业普通型_云母骨架（工业普通型——云母骨架：-200~500

C）将直径

0.03~0.05mm的高纯铂丝用无感绕制法，绕在云母片制成的片形支架上。云母片长为100mm，宽为10mm。边缘具有锯齿形缺口，以固定铂丝间距，铂丝外面用云母片绝缘。为改善热传导和增强抗振能力，在其两侧装有两个截面为半圆形不锈钢弹簧片，并将它与云母片两端铆合在一起。铂丝绕组的出线端与用材质为纯银引出线焊接，并穿以瓷质套管加以绝缘。外面用不锈钢作保护管。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业普通型_玻璃骨架（工业普通型——玻璃骨架：-200~400

C）将直径

0.04~0.05mm的高纯铂丝用无感绕制法，绕在刻有螺旋槽的玻璃棒上，外面套上玻璃保护管，加以封结而成。感温元件一般长（10-40）mm，外径为4mm。装配好的温度计要将其加热到玻璃软化温度，使铂丝固定在玻璃棒的螺旋槽中。这种温度计的特点是体积小、热响应快、抗振性强。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业普通型_陶瓷骨架（工业普通型——陶瓷骨架：-200~850

C）将直径

0.04~0.05mm的高纯铂丝用无感绕制法，绕在刻有螺旋槽的陶瓷棒上，表面涂釉后烧结而成。感温元件一般长（20-30）mm，外径为（1.6~3）mm。这种温度计的特点是体积小、热响应快、抗振性强、绝缘性好。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业普通型_薄膜型将纯铂用真空溅射法使其均匀地覆盖在氧化铝基板上。膜层厚度约为（2~3）

m。测温上限一般不超过500C。优点：

膜层取用的铂材料较少，降低成本，提高贵金属的利用率。

元件结构牢固、耐振动、绝缘性好、体积小、阻值大、灵敏度高、热响应时间快（0.15~0.35）s

适用于快速测温和表面测温。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构——工业铠装型将感温元件、绝缘材料、金属导线和用不锈钢或铜制成的保护管组合加工成坚实整体，故称为整体式电阻温度计。优点：

外径尺寸小、响应速度快。（3mm，5s）

保护管可弯曲，便于安装。

耐振动、抗冲击性能好。由于感温元件封装在保护管内，周围充满氧化镁材料。使用寿命长。

铂电阻温度计

一)铂电阻温度计的结构标准铂电阻温度计阻值R(0

C)=25

，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0.05~0.1K，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-200~500

C，它的支架和保护套管由特种玻璃制成，在刻有螺纹的圆形玻璃上绕上

0.04~0.05mm铂丝，用0.5mm铂丝引出线，外面套有

4.5mm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。

铂电阻温度计

铂电阻温度计

铂电阻温度计

铂电阻温度计

二)

铂电阻温度计的分度

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

W＝WS-Wx的曲线，由此可得到Wx-T关系。

铂电阻温度计

二)铂电阻温度计的分度

(Source:RandallF.Barron,CryogenicSystems,secondEdition,p316)

铂电阻温度计[例2-4]一支铂电阻温度计在某一温度时其阻值38.6

，若此温度计在0

C时，R0=100

，求此时的温度(假设该温度计的电阻符合方程式2-38)。Example:Aplatinumresistancethermometeryieldsaresistancereadingof38.60ohmsatacertaintemperature.Iftheelectricresistanceat0

Cis100.00ohmsandtheconstantsA,B,andCarethesameasthosegivenaftereqn.(2.38),determinethecorrespondingtemperatureindicationofthethermometer.

铂电阻温度计

铂电阻温度计

铂电阻温度计

2.5.1金属电阻温度计

铂电阻温度计

铟电阻温度计

铜电阻温度计

铟电阻温度计铟的德拜温度为

D=110K，比铂（

D=225K）要低得多，因此用超纯铟制成的温度计在低温下有高的灵敏度，这种温度计在4.2-15K范围内相对灵敏度比铂高十倍，可以用到金属铟超导转变温度(3.4K)附近。

铟电阻温度计

一）铟电阻温度计的结构和制作铟电阻温度计的结构和制作方法与铂电阻温度计相类似。温度计的骨架可用陶瓷、石英、云母、玻璃，也可以在铜骨架上涂几层电绝缘胶。电阻温度计的铟丝纯度应高于99.999%。制成铟丝前先将金属铟在真空中熔化，然后放入模具中拉丝成形，以免产生氧化膜。温度计的感温元件可用

0.07或

0.1mm的铟丝制成，双绕在坚固的骨架上。装配之前温度计先用酒精清洗，然后置于铜套管内，抽真空2小时，并稍加热到50

C左右，套管内充入150mmHg的纯氦气后密封。温度计制成后在100

C下退火3小时。

铟电阻温度计

二）铟电阻温度计的性能在低温下铟的晶格振动相当平稳。铟有较低的德拜温度。铟可以得到很高的纯度。可在4.2~290K的温度范围测量。由于铟的熔点为156.5985

C，所以对铟来说室温已经是相当高了。铟电阻温度计经过五次液氢(或液氦)至室温间的冷热循环后R(0

C)值就稳定了。尽管铟有质软、易变形、难以拉成细丝、晶体结构上有些各向异性等缺点，但仍具有作为温度计要求的复现性。

铟作为测温元件还有一个严重的缺点，就是用同一轴铟丝制成的铟电阻温度计电阻值相差很大，因此不能普遍使用。

铟电阻温度计只能用作工业上的测量，不可能作为标准温度计。

铟电阻温度计

三）铟电阻温度计的电阻和温度关系式

铟电阻温度计

三）铟电阻温度计的电阻和温度关系式

2.5.1金属电阻温度计

铂电阻温度计

铟电阻温度计

铜电阻温度计

铜电阻温度计铜的德拜温度比较高（

D=310K），也容易提纯，在室温下电阻温度系数也比较大，一般在-50C至+200C几乎成线性关系，价格便宜，工业和实验室用的铜电阻温度计已能测到-200C。但在高温时易氧化，限制了较高温度下的使用，在低温下灵敏度较低、电阻率较小(

=0.0017

mm2/m)要绕成一定值的电阻，体积较大。因此它的普通使用范围为-50C~+100C。

铜电阻温度计

一）铜电阻温度计的结构和制作铜电阻温度计的结构和制作方法和铟电阻温度计相类似，但制造比较简单。感温元件可用直径为0.04~0.05mm的漆包绝缘铜导线，无应力双股绕在一段薄的紫铜管做的骨架上。这样，由于金属相同，在低温下相互收缩的差别很小，骨架外表面涂上一层清漆或涂上绝缘胶。铜电阻温度计还可用直径为0.1mm的电工铜导线制成的感温元件。制造铜电阻温度计的工艺规定：感温元件要在150

C下退火500小时，在液氮温度下经历100小时的老化后铜电阻温度计的电阻就稳定了。电阻值R(0

C)的变化不超过0.03

，温度计就可以使用。铜纯度对电阻率在不同温度下的影响

铜电阻温度计

二）铜电阻温度计的性能铜电阻温度计的电阻比与电阻温度系数随温度的变化在温度低至30K时电阻已经很小。铜电阻温度计的优点是价格便宜，制造简单，容易获得足高的纯度，有比较高的电阻温度系数(

=4.28

10-3，一般为千分之四)，并在-50

C至+200

C的温度范围内电阻温度关系成线性。铜电阻温度计的缺点是比阻低，在高温时容易氧化。铜的德拜温度

D=310K，比铂（

D=225K）的高，因此在低温下铜电阻温度计的灵敏度比铂的低，故铜电阻温度计一般只是用来测量低至73K(-200

C)的温度。

铜电阻温度计

三）铜电阻温度计的电阻和温度关系式

2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计

2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.2合金电阻温度计金属元素的电阻温度计要求材料愈纯愈好。合金类是很不纯的金属元素。大多数合金的总电阻率比各组成元素的固有电阻率大得多。合金对温度的敏感性很差，原因是热振动引起的散射与晶格上混乱分布的不同原子半径的原子散射比较起来是很小的。

一般来说，合金对温度的变化是不灵敏的。

但是也有例外的情形，纯金属掺入微量磁性金属组成的合金会出现一些反常现象。例如在低温下出现电阻极小值，这是很早就发现的电阻极小现象。合金电阻率2.5.2合金电阻温度计但是在铑、铂等贵金属中加入微量的铁、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都有很好的线性关系。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种合金电阻温度计，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。2.5.2合金电阻温度计

铑铁电阻温度计

铂钴电阻温度计

铑铁（合金）电阻温度计

一）铑铁电阻温度计的结构和制作实验室用的铑铁电阻温度计的结构如图2-7(a)所示。

铑铁（合金）电阻温度计

一）铑铁电阻温度计的结构和制作制备铑铁丝的方法有粉末熔铸法和粉末压结法。制成的铑铁锭经热锻成形后拉制成直径为0.07mm或0.5mm丝材，然后放入真空炉中加热到750

C退火2小时。

感温元件结构类似于PRT。

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5cm，电阻值约为U型的两倍。

铑铁（合金）电阻温度计

一）铑铁电阻温度计的结构和制作铑铁电阻温度计的结构是将直径为0.05mm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0.3mm。组件在真空中在750

C温度下退火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的电阻率之比大约是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。

铑铁（合金）电阻温度计

二）铑铁电阻温度计的性能铑铁电阻温度计适用于在0.32~40K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5

10-6

的速率减少，相当于每年降低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，其电阻也不是完全相同的。

铑铁（合金）电阻温度计

三）铑铁电阻温度计的电阻和温度关系

铑铁（合金）电阻温度计

三）铑铁电阻温度计的电阻和温度关系

铑铁（合金）电阻温度计

三）铑铁电阻温度计的电阻和温度关系

铑铁（合金）电阻温度计

三）铑铁电阻温度计的电阻和温度关系2.5.2合金电阻温度计

铑铁电阻温度计

铂钴电阻温度计

铂钴（合金）电阻温度计

一）铂钴电阻温度计的结构和制作铂钴电阻温度计的结构和铂、铑铁电阻温度相类似。把铂钴(即铂+0.5%原子比的钴)合金丝直径为0.1mm、长为1.1m绕成螺旋状的感温元件无应力地缠在石英骨架上，最后封装在直径为5mm、长为40mm的铂套管内。抽真空后充入氦气，然后密封。

制作铂钴合金材料，要求铂的纯度达99.999%，加入0.5%原子比的钴的纯度要求达99.99%。在封装之前铂钴感温元件在干净空气中于700

C下退火6小时。将制成的铂钴电阻温度计从室温至液氦温度多次冷热循环，R(0

C)的变化相当于温度的变化不大于

1mK。这样，温度计才算是制作成功，可供实验室作标准温度计用。

铂钴（合金）电阻温度计

二）铂钴电阻温度计的性能铂钴合金是在贵金属铂中加入微量磁性元素钴(即0.5%原子比的钴)合金化而成。在40K以上铂钴稍低于铂的灵敏度，但是低于30K时，铂钴的灵敏度大大高于铂。所以铂钴电阻温度计在30K以下较铂更有利。铂钴电阻温度计在0

C时，电阻R(0

C)

100

，在液氦温度时，R(4.2K)

7

；在液氢温度时，R(20K)

9

。在40K以下的温度，铂钴的电阻比铂大很多。且铂钴电阻温度计的电阻和温度关系是线性的。

铂钴（合金）电阻温度计

三）铂钴电阻温度计的电阻和温度关系

2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.3半导体温度计

2.5.3半导体温度计

2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计 TVO

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1017~1018cm-3。锗电阻温度计使用范围从0.015~100K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-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。

锗电阻温度计锗电阻温度计的结构如图所示，掺杂的锗单晶切成“

”型薄片，称为“锗桥”，在锗桥每端焊一根金丝引线，铂丝作为内引线，装在金属壳内充以氦气（10kPa）后密封，成了锗电阻温度计。

锗电阻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：

锗电阻温度计锗电阻温度计受磁场影响较大，

R/R

H2，系数大小决定于掺杂程度和使用温度，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0.5

A，20K时用100

A，功率损耗在10-7W左右。2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计

TVO

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。测温范围：几十mK到30K

碳电阻温度计

碳电阻温度计受磁场影响小，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。制作简单，和生产无线电用的碳电阻一样，微小颗粒石墨经压制烧结而成，美国的Allen-Bradley和Sepeer公司生产碳电阻可用于低温测量，前者适用于0.5K以上，而后者适用于1K以下的测量，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。

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10

A，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。

2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计

TVO

碳玻璃电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

碳玻璃电阻温度计2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计

TVO

热敏电阻温度计这是一种电阻值随温度呈指数变化的多晶半导体温度计。最初仅用于测温精度较低的常温区。但近来发展迅速，技术特性和测温对象均有很大变化。测温范围：4K~1350

C感温元件由过渡金属的氧化物的混合物组成，用于低温的元件是由锰、镍、钴、铜、铬、铁等复合氧化物在1000

C~1300

C高温下烧结而成的多晶半导体，具有负温度系数。

热敏电阻温度计感温元件的外形有珠状和片状两大类。

珠状热敏电阻的成形是先把2根用作引线的铂合金丝（或用表面镀金的铜丝）平行放置，两线间距由珠形直径而定，引线顶端放置一些颗粒极小的糊状混合氧化物，然后在1300

C温度下烧结固化，即成有引线的热敏电阻。为增加其强度和耐腐蚀程度，在圆珠表面应覆盖一层玻璃。片状热敏电阻的制作方法是将混合粉末加压成形。然后加热到1100

C，使其固化，表面覆盖一层银，以便用银质材料制成的二根引线与其牢固地连接。由于片状热敏电阻的结构不如珠状热敏电阻，故其稳定性要差些，有些热敏电阻表面覆盖一层陶瓷材料，有的用套管加以保护。

热敏电阻温度计特点：热敏电阻输出信号大，灵敏度比热电偶和金属电阻温度计高。特别是用于低温测量的热敏电阻，具有很大的负温度系数。如用铁的氧化物制成的热敏电阻，在20K时，电阻灵敏度约为15%/K；在4.2K时增加到300%/K；体积小、结构简单、便于成形。如直径0.05mm，引线直径0.02mm的珠状热敏电阻；能用于人体特殊部位测温。研制的超微型热敏电阻可测人体食道、直肠、输液管、心脏起搏器等处温度，测温误差0.1~0.2

C，亦可用它测量人体穴位温度，作为针灸用的医疗器械，其分辨率为0.01

C；热容量小，响应时间短。如美国YSI型珠状（直径0.2,mm）热敏电阻的时间常数为1s；磁阻效应小。在温度为4.2K，磁场为1T时产生的误差小于0.2mK；精心制作的热敏电阻复现性好，经测定在4.2K时为

0.015K；热电特性的互换性好。如片状热敏电阻，当其直径略大、氧化物分布均匀时，其互换性可在50mK以内；缺点：其稳定性不如金属型电阻温度计。如在室温与液氧之间连续热循环后的稳定性为4~7mK。当循环500~1000次，其分度值的变化量可达0.？K。有些热敏电阻在室温下放置200天后，其分度值漂移量达100mK。

热敏电阻温度计

2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计

TVO

Cernox温度计Cernox(CX-1050AA)，主要成分氮氧化锆。

精度20K以下为9mK，20K以上为22mK。

Cernox温度计CernoxsensorAAtype

Cernox温度计CernoxsensorAAtype

Cernox温度计

Cernox温度计

Cernox温度计

Cernox温度计2.5.3半导体温度计

锗电阻温度计

碳电阻温度计

碳玻璃电阻温度计

热敏电阻温度计Cernox温度计

TVO碳陶瓷电阻温度计TVO温度计，carbonceramic……Thesethermometers,whilewidelyusedinRussia,werevirtuallyunknownoutsidethatcountry.……TheTVOmodelcarbonresistorswerefirstproducedintheUSSRinthe1950s.Theywereoriginallydesignedforuseinelectroniccomponentssubjectedtoharsh(e.g.corrosive,wet,hightemperature)environments.

In1977DatskovofJINRbeganinvestigatingtheuseoftheresistorsforcryogenictemperaturesensors.Sincethattime,theresistorshavebeenextensivelyusedascryogenictemperaturesensorsinavarietyofsuperconductingandcryogenicexperimentsinRussia.……TVO温度计，carbonceramicSince1984approximately4000TVOresistorshavebeencalibratedforuseastemperaturesensors.Thecalibrationprocessbeginswithsensorselection.TheJINRcalibrationlaboratoryusesTVOresistorsthathaveanominalvalueof0.91,1.0,and1.1k

.Theresistorsarethenthermallycycledtwentytimesbetween300Kand77K.Afterthethermalcycling,anyresistorwhoseroomtemperatureresistancehaschangedbymorethan0.5

isdiscarded.Nexttheratioofresistancesat300Kand77Kisexaminedforeachresistor.ExperiencehasshownthatthoseresistorswhoseratioR300/R77

islessthanorequalto1.4havethebestcharacteristicsfortemperaturesensors.Typically,approximately66%ofallTVOresistorsexaminedpasstheselectioncriteriaandarethencalibratedastemperaturesensors.TVO温度计，carbonceramic1.electricallead;2.contactnode;3.carbon/ceramicmixture4.Ceramiccase5.outerhermeticallysealedcoating（90%的氧化铝，3~5%的碳）TVO，碳陶瓷温度计TVO温度计TVO，碳陶瓷温度计TVO温度计TVO，碳陶瓷温度计TVO温度计TVO温度计2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.4检定与分度检定的目的在于评定温度计的计量性能并确定其是否合格所进行的全部工作。分度是确定温度计内插方程各项系数，列出其温度与电阻（或电阻比值）的对应值。通常有定点法和比较法。2.5.4检定与分度——定点法（准确度为1mK）2.5.4检定与分度——定点法分度套管铂电阻温度计Ar三相点恒温槽银丝加热器差分热电偶尼龙丝辐射屏密封容器温度计铜密封管（复现性

0.01mK）2.5.4检定与分度利用定点法分度的温度计虽然能获得较高精度，但是，这种方法必须根据国标温标要求，使用若干特别的密封容器，实验过程操作复杂、时间长、代价高，有一定难度。定点法通常用于国家级标准或高精度电阻温度计的分度。对于精度不高或工业用电阻温度计，可用比较法检定。2.5.4检定与分度——比较法引线出口管高真空泵接口恒温槽上盖铟密封圈引出线热锚柱热辐射挡板尼龙吊丝加热器控温用温度计铜电阻温度计辐射屏接线环铜块真空套铂套管电阻温度计吊杆检定低温铂电阻温度计用的恒温槽2.5.4检定与分度——比较法铜块内辐射屏锗电阻温度计铂电阻温度计不锈钢管减压室外辐射屏真空套密封圈输液管防辐射挡板紫铜管碳电阻微型铂电阻控温传感器检定锗电阻温度计的恒温槽2.5.4检定与分度——比较法2.5.0测温原理2.5.1金属电阻温度计2.5.2合金电阻温度计2.5.3半导体温度计

2.5.4检定与分度

2.5.5电阻温度计的正确使用2.5 电阻温度计(RTD)2.5.5电阻温度计的正确使用尽管电阻温度计是一种精度很高、测温误差很小的温度计，然而，如使用不当，将会引起很大测量误差，难以得到正确的热电特性。震动与应力淬火与氧化效应磁阻效应自热效应压力影响引线电阻影响传热误差计算W(T)时的正确取值2.5.5电阻温度计的正确使用

震动与应力大量实践表明，标准铂电阻温度计受到冲击、震动或其它形式的加速时，都会导致绕在骨架上的感温元件变形、弯曲而产生应力，从而改变其温度-电阻特性。

通常对用于0

C以上的感温元件所产生的应力，将使其阻值增加、W值减小。对用于0

C以下的感温元件，产生应力后将使其W值增加。

试验结果表明，如果不小心地使用铂电阻温度计，一年后其水三相点阻值Rtp

会有所增加，其数值相当于0.1K。

产生此现象后，需将其放入温度为450

C的退火炉中退火，以消除其内应力，然后重新分度。2.5.5电阻温度计的正确使用

淬火与氧化效应虽然电阻温度计受到震动产生了应力后，可通过退火消除其部分影响，但是，当对铂电阻温度计进行了不适当的退火程序，或在不适宜的温度下经过多次热冲击后，将会引起铂丝的淬火和氧化效应。据报导，铂电阻温度计在420

C下工作数百小时后，铂晶粒将生长，在更高温度下晶粒的生长速度会更快，此时铂丝受到机械冲击或多次热循环后，其电阻值和W值均会发生变化。

尤其螺旋型结构的感温元件在更高温度下热循环后，感温线圈可能会有短接，严重时会使铂丝与玻璃型骨架的交接处产生裂痕。长杆型铂电阻温度计由660

C快速冷却时发生的淬火效应可使铂丝的晶格错位或引起其它缺陷。

据分析，这些缺陷在低于500

C时将会“淬”在晶格点阵中，引起阻值发生变化，导致其Rtp数值有所增加，很可能产生1mK误差。

当出现这种情况后，将其放入退火炉中加热到660

C

，保持15min，然后以100

C/h的降温速度使其到达450

C

，便能减少上述缺陷。2.5.5电阻温度计的正确使用

淬火与氧化效应当对铂丝加热时，应注意其氧化效应。虽然铂丝有很强的抗氧化能力，但是，在某些情况下，铂丝将发生氧化效应。据试验，铂丝在450

C至560

C范围内的空气中加热时，表面会形成一层正交晶系

相PtO2

薄膜。经测定，铂丝在450

C的空气中加热30min，会形成11nm厚的氧化膜，使铂丝截面积增加，电阻值发生变化。如果在450

C使其快速冷却，便能减小其氧化效应。不过，当铂丝温度保持在600

C到650

C范围时，其表面的氧化膜会迅速分解，基本上可恢复原有的截面积。尽管铂丝存在着上述氧化效应，但是，只要铅电阻温度计的Rt与R0对应于同一氧化状态，运用W(t)表示其热电特性时，即使存在着氧化效应，也不会对准确测温造成很大影响。2.5.5电阻温度计的正确使用

淬火与氧化效应考虑到铂丝在一定温度下出现的淬火与氧化效应，所以当铂电阻温度计分度或精确测温前，应在450

C的炉中退火4h，高温铂电阻温度计的退火程序是在700

C下退火2h，之后随炉冷却到450

C，保持30min到1h，然后从退火炉中取出温度计，使其快速冷却到室温。如果高温铂电阻温度计使用的温度范围为450~700

C，则应将其先在使用的上限温度下退火1~2h，再重复上述退火程序，冷却到450

C

，然后仍使其快速冷却到室温。在对温度计进行上述加热后从退火炉中取出时，应将其垂直地悬挂在架子上，并保持感温元件向下。2.5.5电阻温度计的正确使用

磁阻效应由电阻温度计的测温原理可知，其导电机理与感温元件内电子运动状态有关。当感温元件周围存在磁场时，必将改变其内部电子的运动状态，引起阻值变化，这就是通常所说的磁阻效应。

这种效应的估算方法是以电阻温度计在一定磁场条件下测得的电阻增量

RH

与零磁场下测得的电阻RH=0

之比表示。

实验结果表明，磁阻效应与电阻温度计的性质、测温范围，所处磁场强度等因素有关。如铂电阻温度计在12K，周围磁场为2T时引起的电阻增量，相当于温度为5K时的阻值；当温度为20K时，在15T磁场下，其

RH

/RH=0

的比值可达200%。2.5.5电阻温度计的正确使用

磁阻效应铂-钴电阻温度计的磁阻效应更大，这是由于这种电阻温度计的工作原理本身就利用了磁阻效应，故其热电特性受外界磁场影响较大。例如，这种温度计处在4.2K、8T磁场时，引起的电阻增量达0.8

，相对的误差约130%。

锗电阻温度计的磁阻效应也很大，在同一个温度下，有无磁场时其电阻变化可达到几倍到几十倍。这种温度计的磁阻效应往往随温度的下降和磁场的增高而增大，并且表现出强烈的各向异性。

铑-铁电阻温度计的磁阻效应要比铂电阻温度计小得多，如该温度计在4.2K，3T磁场下，其相对磁阻比值约为3.5%，相对的误差约为0.04K。

碳电阻温度计和热敏电阻温度计虽然也存在着磁阻效应，但由于这些温度计的电阻值大，具有很高的灵敏度(

R/

T)，相对而言，由此引起的测温误差较小。2.5.5电阻温度计的正确使用

自热效应通常对输入电阻温度计的工作电流都有统一规定。但是，在实际测温中，有时以加大工作电流来增加温度计的灵敏度。此时，就应计算出温度计的自热效应误差，以衡量灵敏度与自热效应的利弊。温度计误差与自热Cernox56867的电阻铑铁16364的电阻温度计误差与自热Cernox56867的测试仪表误差和加热功率铑铁16364的测试仪表误差和加热功率实测：

10μA，3.8K

1mA，7.2K2.5.5电阻温度计的正确使用

压力影响

2.5.5电阻温度计的正确使用

引线电阻影响电阻温度计的引线分为两线、三线和四线三种。标准电阻温度计均为四线制。为消除其影响，可在测量电阻时，通过引线换向开关，改变引线接入电桥的位置，来消除引线电阻，也可通过电流换向开关，改变引线和感温元件接头之间的热电动势方向，以消除附加热电动势。U+U-2正反向电流激励（减少热点电势影响）2.5.5电阻温度计的正确使用

引线电阻影响对于工业用电阻温度计的引线，一般采用两线制和三线制。为减少引出线对测温的影响，铂热电阻引出线的电阻值应小于感温元件在0C时名义电阻R0的千分之一。铜热电阻引线应小于R0的千分之二。除此，对选用的引线，还应注意到：①耐温、耐绝缘，并有稳定的物理化学性能②感温元件和引线的电阻温度系数应相近引线与热电阻丝之间有较小的热屯动势。通常铂热电阻引线采用纯度为99.9%以上的银丝。当温度计标称电阻R=100

，引线电阻r=0.5

，当感温元件和引线的电阻温度系数相等时，引线温度变化10

C时，产生的误差为0.1

C。2.5.5电阻温度计的正确使用

传热误差电阻温度计的测温方法属于接触测温法，感温元件必须浸没于被测介质中，其周围热量将通过热传导、热辐射传递到感温元件，从而引起测温误差。其大小与感温元件的自热效应、结构、体积、材料的导热系数、介质流动状况以及介质与感温元件的热交换系数、热辐射系数和散热系数等因素有关。并且，传热是一个复杂的综合性过程。

从宏观上分析，适当增加电阻温度计的浸没深度，增大被测介质的对流散热系数，减小感温元件热传导系数，减小温度计保护管的横截面积，均能减小传热误差。在温度计结构、材料已定，对流散热系数和导热系数无法改善的情况下，只有随所测温度，适当加大电阻瘟度计的浸没深度来减少此项误差。2.5.5电阻温度计的正确使用

传热误差如英国Tinslcy生产的长杆型铂电阻温度计，在230

C和420

C时，理想的浸没介质的深度分别为23cm和27cm。

电阻温度计的径向热导率还与感温元件工作电流产生的自热效应成反比。例如Meyer型铂电阻温度计(R0=25

)，当工作电流为1mA时，在水三相点上的自热效应引起误差约(0.35~0.65)mK；

Tinsly生产的铂电阻温度计，在同样工作电流情况下，由自热效应引起的测温误差将达3mK。因此，需根据温度计产生的自热效应，适当调节其浸没介质的深度。2.5.5电阻温度计的正确使用

传热误差引起电阻温度计传热误差的另一因素是外界对温度计的热辐射。如果在感温元件附近有一个高于或低于介质温度的热辐射源，感温元件将会增加或