精度高數字多用表在鉑熱電阻測溫中應用

　　精度高數字多用表(6½位以上)具有顯示直觀操作簡單攜帶方便等優點,自上世紀90年代以來，在鉑熱電阻測溫中得到越來越廣泛的應用。
　　精度高數字多用表(以下簡稱數字表)的檢定條件與使用環境存在著很大的差異。數字表檢定環境溫度要求20℃±1℃,電阻擋標準源為定值標準電阻,性能穩定。在此環境下，測量回路中存在的熱電勢和雜散電勢很小，可以忽略。但是鉑熱電阻經常使用在-10℃~-300℃的范圍中。從熱電阻元件到數字表輸入端存在著幾十甚至幾百攝氏度的溫度梯度,在整個測量回路中使用的連線(熱電阻引線和測量導線)也不是同一種均勻的材料,從熱電效應中可以得出,在測量回路中存在著較大的熱電勢和雜散電勢。
　　以前通常使用的直流測溫電橋,雖然存在著操作復雜等不足,但具有電流換向裝置。經過正向電流和反向電流兩次測量可以得到兩個值R;和R;,通過計算公式Rt=(Rt⁺+Rt^-)/2,可以消除熱電勢以及雜散電勢，最終得到真實的測量值，
　　數字表的設計者顯然沒有考慮到上述問題。其實數字表最主要的應用是在恒溫實驗室里測量電子元件或信號源的電阻等參數，根本不需要考慮電流換向問題。雖然大多數溫度檢定人員，都知道通過電流換向測量,可以消除鉑熱電阻熱電勢和雜散電勢,但是在實際使用數字表測量鉑熱電阻的電阻示值時,人們最關心的可能是數字表的測量位數,沒有意識到使用單向電流測量熱電阻可能引起的誤差。
　　為考察電流換向對鉑熱電阻示值的影響，以數字表和鉑熱電阻(包括標準鉑電阻溫度計和工業用鉑熱電阻)作標準器對標準恒溫槽的溫場進行測試，測試數據見表1。
 
　　為實現電流換向功能,將四線轉換開關的接線方式做了改動(如圖1所示)。將測量通道“I”的“1”“2”“3"“4"端分別與測量通道“II”的“"”“2"“4"“3"相連。數字表的電壓測量端與測量通道“I”的“1”“2”相連。數字表的電流輸出端電流輸入端與測量通道“I”的“3"“4”相連。在實際應用中,分別測量轉換開關通道“I”和通道“II"的數據，即得到測量電流方向相反的兩個數據。測試數據見表1。
 
　　從表1中可以發現,在測量100℃溫場時，無論上平面還是下平面,單向電流測試的電阻值與雙向測量平均值差別較小，甚至可以忽略不計。在測量300℃溫場時，上平面單向電流測試的電阻值與雙向測量平均值差別較小,也可忽略不計。但在測量300℃下平面溫場時，單向電流測試的電阻值卻與雙向測量平均值差別較大,在5mK左右。
　　是什么原因造成如此大的差別?主要原因在于鉑熱電阻手柄內部的構造。在鉑熱電阻手柄的內部,有鉑額外電阻元件的銀質引線與和銅質引出導線連接的焊點，此處存在較大的溫度梯度。而且一般采用錫焊，而錫的熔點在230C左右。如果手柄過于接近高溫環境，而焊錫的物理性能也會出現不穩定，造成很大的差別，由此產生明顯的熱電勢和雜散熱電勢。
　　要解決上述問題，可以在制作鉑熱電阻時,將內引線和外引線都采用銀質材料。在溫度不高的環境下使用,也可以全部使用銅質材料。
　　從表1中可看出，在溫度不太高或手柄距離熱源較遠的位置(測量.上水平溫場)時,同一溫度正反向測量之間的差異很小即存在的熱電勢和雜散電勢很小,此時采用單向電流測試引起的誤差也很小，在某些情況下可以忽略不計。上述試驗中,使用的是英國產標準鉑電阻溫度計,其石英管外露部分長度都是51em。目前國產標準鉑電阻溫度計石英管外露部分長度是47cm，如果使用長度較短的國產標準鉑電阻溫度計進行測試,發現的問題可能更明顯。
　　所以在溫場測試、精度高溫度儀表檢定等場合使用數字表,必須要考慮電流換向測量。
　　如果是測量兩支以上鉑熱電阻，轉換開關與各個鉑熱電阻之間的連線依然采用常規方式，只是在圖1所示轉換開關后再串接一個四線轉換開關,直接與鉑熱電阻相連。