工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結果可信度研究

陳桂生，付志勇，朱育紅，趙 晶，楊 銳

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結果可信度研究

陳桂生，付志勇，朱育紅，趙 晶，楊 銳

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

根據(jù)JJG 229——2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》規(guī)定的技術條件，在標準鉑電阻溫度計采用自測值和直接引用上級證書值時，對使用3個不同等級電測儀器的測量結果進行評定。評定數(shù)據(jù)結果表明：在相同測量條件下，自測值檢定結果的不確定度比用上級證書值的檢定結果不確定度大30%～100%，自測值并沒有減小檢定結果不確定度。

工業(yè)鉑熱電阻；檢定；標準鉑電阻；電測儀器；水三相點；不確定度

0 引 言

工業(yè)鉑熱電阻具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、準確度高等優(yōu)點，是進行中低溫高準確度測量的首選溫度傳感器，使用領域廣泛。鉑熱電阻量值準確度直接影響溫度測量控制水平和產品品質，具有重要的實際意義。

目前評判工業(yè)鉑熱電阻示值誤差的技術依據(jù)是相關檢定規(guī)程《工業(yè)鉑、銅熱電阻》，該規(guī)程從1987年修訂版[1]、1998年修訂版[2]到現(xiàn)行的2010年版[3]，各版本中除使用的檢定設備因技術的更替略有變化外，其檢定方法沒有大的變化。

文獻[4]對JJG 229——1998《工業(yè)鉑、銅熱電阻》進行了不確定度論證。文獻[5]指出原“規(guī)程給出的標準器與配套設備，技術指標過高、設備龐大、檢定方法過繁。結果導致檢定時間長、效率低、成本高……”。文獻[6]指出原規(guī)程“檢定工業(yè)A級鉑電阻溫度計時非常麻煩，主要體現(xiàn)在水三相點瓶的操作使用上。通過標準不確定度分量貢獻分析，電測設備影響最大。如果不用水三相點瓶，直接引用上級檢定部門給出的值進行計算，則要求提高電測設備的準確度。但是不使用水三相點瓶而直接引用上級標準給出的二等標準鉑電阻溫度計的值進行計算，將會帶來極大的誤判風險”。文獻[5]由于缺少充分的實驗數(shù)據(jù)和縝密的理論分析被原起草人駁回[7]，文獻[6]因觀點不是很明確沒有回應。

JJG 229——2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》進一步強化了原規(guī)程在設備和檢定方法方面的要求（7.3.4.3注：檢定AA級熱電阻時的電阻值必須在三相點瓶中用電測儀器重新測量，有利于改善測量不確定度（檢定A級熱電阻時如果使用0.02級測量儀器，必須重測才能滿足測量不確定度的要求））[3]。在規(guī)程的附錄E的不確定度評估論證后又進一步強調：對于A級及以上等級鉑熱電阻必須用同一個電測設備重新測量才能滿足要求[3]。

針對國內現(xiàn)狀及技術水平，有必要對規(guī)程中工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法的可信度進行研究評定。

1 檢定方法與測量模型

規(guī)程規(guī)定工業(yè)鉑熱電阻的檢定是以二等標準鉑電阻溫度計作標準，與被檢的工業(yè)鉑熱電阻同置于0℃和100℃溫度點附近的恒溫槽中，用比較法進行檢定。

1.1 被檢等級及允差

Pt100各級鉑熱電阻在兩個溫度點的技術參數(shù)及允許偏差見表1。

表1 技術參數(shù)及允許偏差

1.2 測量標準與儀器

選用在水三相點溫度（0.01℃）時標稱電阻值Rtp為25 Ω的二等標準鉑電阻溫度計為測量標準，為了分析方便，取參考函數(shù)值[8]見表2。

表2 標準鉑電阻溫度計的參考函數(shù)值

測量儀器為數(shù)字多用表，使用其四線電阻測量功能，測量范圍0～200Ω，分辨力0.1mΩ，工作電流1mA，測量前儀器預熱并校正零位，取各等級測量儀器允許誤差見表3。

1.3 測量模型

根據(jù)規(guī)程，0℃點被檢熱電阻溫度測量誤差的測量模型為

表3 儀器等級及允許誤差

100℃點被檢熱電阻溫度測量誤差的測量模型為

式中：Δt0、Δt100——被檢熱電阻在0℃、100℃時的誤差值，℃；

Ri、Rh——被檢熱電阻在0℃、100℃點的測量值，Ω；

R0、R100——被檢熱電阻在0℃、100℃時的標稱值，Ω；

（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100——被檢熱電阻的電阻對溫度的變化率，Ω/℃；

（dWtS/dt）t=0、（dWtS/dt）t=100——標準鉑電阻的電阻比對溫度的變化率。

R0、R100是常數(shù)，（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100、（dWtS/dt）t=0、（dWtS/dt）t=100可看作近似常數(shù)，帶來的不確定度很小，可以忽略不計。

從測量模型中可以看出，0℃點的輸入變量有：Ri、100℃點的輸入變量有

對測量模型式（1）全微分得：

Ri和是用同一臺儀器分別在同一時間同一溫場條件下測得，故Ri和分別相關，根據(jù)不確定度傳播率，0℃點和100℃點合成標準不確定度uc（Δt）的形式[9]為

式中，0℃點各分量的靈敏系數(shù)為

影響測量結果的不確定度來源還有：測量重復性，恒溫槽的溫場，多路轉換開關的寄生電勢，被測電流引起的自熱等。標準鉑電阻因上級的證書中沒有作零工作電流修正，使用時與上一級檢定時的工作電流大小基本一致，標準溫度計與上一級檢定時的溫場關系沒變，其自熱帶來的影響很小，可不予考慮。

2 0℃點的標準不確定度評定

2.1 被檢鉑電阻的測量重復性u（Ria)

u（Ria）值取規(guī)程附錄中的值[3]，即：

因其值不大，為了便于比較，取3個等級儀器值相同。

2.2 插孔間溫差引入的標準不確定度u（Δti1)

冰點槽插孔之間的溫場均勻性不超過0.005℃；檢定中溫度波動≤±0.005℃/10 min，設兩者均服從均勻分布

估計相對不確定度為20%，則其自由度νi1=12。

2.3 轉換開關的寄生電勢引入的標準不確定度u（Δti2)

規(guī)程規(guī)定轉換開關寄生電勢≤1μV，對于工作電流為1mA的電阻測量的貢獻相當于±1mΩ。

對標準鉑電阻影響為

對被檢熱電阻影響為

兩項影響按均勻分布且相互獨立，則有：

估計相對不確定度為20%，則其自由度νi2=12。

2.4 被檢自熱引入的標準不確定度u（Δti3)

電測儀器測量電阻時產生1 mA的工作電流，對感溫元件有約2mΩ的影響[3]。作均勻分布處理，

估計相對不確定度均為20%，則其自由度νi3=12。

2.5 標準鉑電阻引入的標準不確定度

不同領域、不同系統(tǒng)之間的兼容性可能會影響智慧城市信息智能化的建設，解決問題的方法是實行標準化。建立統(tǒng)一的產業(yè)規(guī)范和標準進行大規(guī)模的資源整合，對加強智慧產業(yè)的聚集起著重要作用。

按規(guī)程要求[8，10]，一等標準裝置在水三相點處的復現(xiàn)性與上一級之差不超過U=4 mK，取k=2；二等標準在周期內變化不超過U=10mK，取k=2。

估計相對不確定度為10%，則其自由度νtp=50。

2.6 儀器測量引入的標準不確定度

測量儀器等級與允差同表3，不確定度區(qū)間半寬為允差，按均勻分布處理見表4。

2.7 相關系數(shù)

0℃點Ri、Ri*的相關系數(shù)由式（6）計算得：

2.8 合成標準不確定度

各不確定度分量匯總見表4，表中數(shù)據(jù)代入式（5）得到Δt0在不同測量條件下的合成標準不確定度uc（Δt0）。

表4 0℃測量的不確定度匯總

0.005 級儀器：uc（Δt0）=14.40mK

0.01 級儀器：uc（Δt0）=24.98mK

0.02 級儀器：uc（Δt0）=47.99mK

0.005 級儀器：uc（Δt0）=11.31mK

0.01 級儀器：uc（Δt0）=15.45mK

0.02 級儀器：uc（Δt0）=26.11mK

3 100℃點的標準不確定度評定

100℃點被檢鉑電阻的測量重復性u（Rha）取與0℃點的值相同，見表5。

溫場均勻性不超過0.01℃，溫度波動使標準和被檢有不大于0.01℃的遲滯。均勻分布，標準不確定度u（Δth1）值見表5。

轉換開關引入的u（Δth2）、被檢自熱引入的u（Δth3）、電測儀器引入的見表5。

3.1引入的標準不確定度

估計相對不確定度為5%，則其自由度νwh*=100。

3.2 相關系數(shù)

3.3 合成標準不確定度

各不確定度分量匯總見表5，表中數(shù)據(jù)代入式（5）得到Δt100在不同測量條件下的合成標準不確定度uc（Δt100）。

0.005 級儀器：uc（Δt100）=20.99mK

表5 100℃測量的不確定度匯總

0.01 級儀器：uc（Δt100）=35.05mK

0.02 級儀器：uc（Δt100）=66.40mK

0.005 級儀器：uc（Δt100）=16.62mK

0.01 級儀器：uc（Δt100）=20.86mK

0.02 級儀器：uc（Δt100）=32.69mK

4 檢定結果的擴展不確定度及數(shù)據(jù)比較

按包含概率約為95%，取包含因子k=2，擴展不確定度U=kuc（Δt）[11]，計算得到檢定時自測值與使用證書值在用不同等級電測儀器時檢定結果的擴展不確定度，見表6?？梢钥闯銮罢弑群笳叩臋z定結果測量不確定度大30%～100%。

表6 檢定結果測量不確定度比較

表7 自測值時檢定結果測量不確定度與被檢允差比值

表7 自測值時檢定結果測量不確定度與被檢允差比值

電測等級 溫度點/℃測量結果不確定度/被檢各級允差U/AA U/A U/B U/C 0.005 0 29 1/3.4 1/5.2 1/10 1/21 100 42 1/6.4 1/8.3 1/19 1/38 0.010 0 50 1/2.0 1/3.0 1/6.0 1/12 100 70 1/3.9 1/5.0 1/11 1/23 0.020 0 96 1/1.0 1/1.6 1/3.1 1/6.2 100 133 1/2.0 1/2.6 1/6.0 1/12不確定度（k=2)/mK

表8 證書值時檢定結果測量不確定度與被檢允差比值

表8 證書值時檢定結果測量不確定度與被檢允差比值

電測等級 溫度點/℃測量結果不確定度/被檢各級允差U/AA U/A U/B U/C0.005 0 23 1/4.3 1/6.5 1/13 1/26 100 33 1/8.2 1/11 1/24 1/480.010 0 31 1/3.2 1/4.8 1/9.7 1/19 100 42 1/6.4 1/8.3 1/19 1/380.020 0 52 1/1.9 1/2.9 1/5.8 1/12 100 65 1/4.2 1/5.4 1/12 1/25不確定度（k=2)/mK

5 結束語

[1]JJG 229—1987工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國計量出版社，1987.

[2]JJG 229—1998工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國計量出版社，1998.

[3]JJG 229—2010工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國質檢出版社，2010.

[4]沈正宇.溫度測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2006：84-93.

[5]宋德華，宋濤.對JJG 229—1998檢定規(guī)程的修改建議[J].中國計量，2006（3）：24-25.

[6]何建華，何欣，劉英茂，等.關于JJG 229—1998檢定規(guī)程再探討[J].中國計量，2008（10）：101-102.

[7]宋年蘭.關于“對JJG 229—1998檢定規(guī)程的修改建議”的幾點看法[J].中國計量，2008（2）:115-116.

[8]JJG 160—2007標準鉑電阻溫度計[S].北京：中國計量出版社，2007.

[9]JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示[S].北京：中國質檢出版社，2012.

[10]JJF 1178—2007用于標準鉑電阻溫度計的固定點裝置校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2007.

[11]葉德培.測量不確定度理解評定與應用[M].北京：中國質檢出版社，2013：90-101.

Study on credibility of industrial platinum resistance measurement results of different verification methods

CHEN Gui-sheng，F(xiàn)U Zhi-yong，ZHU Yu-hong，ZHAO Jing，YANG Rui
（National Institute of Measurement and Testing Techology，Chengdu 610021，China）

Based on the technical conditions prescribed verification regulation JJG 229——2010，in standard platinum resistance thermometeruse self-test values and direct reference to the higher certificate，the use of three different levels of electrical measuring instrument measurements were evaluated.Assessment results can be seen from the data:under the same measurement conditions， uncertainty in self-test testvalues much higher than the test results with a certificatevalue uncertainty，self-testvalue does not decrease test uncertainty.

industry platinum resistance； verification； standard platinum resistance； electrical measuring instruments；triple point of water；uncertainty

TB942；TM934.12；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0017-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.005

2014-02-07；

：2014-04-04

陳桂生（1953-），男，山東東明縣人，研究員，主要從事溫度計量技術研究。