铂丝的氧化特性研究及在铂电阻温度计中的应用

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温度测量广泛应用于能源、冶金、新材料、电子技术、卫生医疗、国防、航空航天等领域。为了保证在不同地区、不同场合下测量相同温度时具有相同量值的标尺,提出了温标的概念。现行的国际温标为ITS-90国际温标,而标准铂电阻温度计作为90国际温标的标准内插仪器,在温度量值的溯源传递和高精度测量中扮演着不可替代的作用。影响铂电阻温度计的主要因素有铂丝氧化、铂丝杂质、铂丝的晶体结构以及铂丝应力等影响因素,其中铂丝的氧化特性和晶体结构是最为主要的两个影响因素。因此,研究铂丝的氧化特性以及因高温加热氧化引起的晶粒尺寸的变化,对于研究标准铂电阻温度计,保证温度量值准确有效地传递,提高温度测量的准确性和稳定性具有非常重要的意义。  本文以 PtO2粉末、高纯铂片和两支可改变内部气压的标准铂电阻温度计为研究对象,通过差示量热扫描装置(DSC)和X射线光电子能谱技术(XPS)研究PtO2在不同温度下的生成和分解产物、高纯铂片的氧化产物,并使用高精度测温电桥研究铂电阻温度计(SPRT)因其内部铂丝氧化带来的测量误差,从微观层面分析研究铂丝在不同温度下的氧化特性及其对SPRT的影响;另外,由于铂丝在高温加热氧化过程中,其内部结构会因高温加热产生晶粒生长等内部晶格结构的变化,导致电阻率的改变,从而影响 SPRT的测量精度,因此,本文通过扫描电镜观测晶粒尺寸变化,并使用高精度电桥计算出电阻率变化,得出电阻率和晶粒尺寸的关系。研究结果表明:  (1)PtO2在550℃以上加热能够分解为单质Pt和PtO。PtO2快速分解为铂单质的温度需大于620℃,PtO快速分解为铂单质的温度需大于820℃。  (2)常压下,铂丝在175℃下的加热会使单质铂和氧气发生反应,生成二维的 PtO2,且随着加热时间增加,电阻值先增加后趋于稳定;在375℃下的加热使单质铂和氧气发生反应,生成三维的PtO2,加热666h仍没有减缓氧化速度的趋势;在500℃下的加热使单质铂和氧气发生反应,生成PtO2和少量的PtO,且随着加热时间增加,电阻值先增加后趋于稳定。  (3)常压下,随着温度的升高,铂电阻发生氧化依次生成二维的氧化物PtO2、三维的氧化物PtO2和氧化物PtO,在175℃、375℃、500℃三个温度点下加热666h后,电阻的最大变化量达到4.9mk,对于量值传递和温度的高精度测量需给予特别考虑。  (4)随着加热温度的升高,铂丝的晶粒逐渐长大,电阻率减小,并且符合指数函数的反比例关系,由此带来的测量误差必须考虑在内。
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