標準鉑電阻使用方法在熱電阻檢定與溫度測量中的差異研究

陳桂生

（中國測試技術(shù)研究院，四川成都610021）

標準鉑電阻使用方法在熱電阻檢定與溫度測量中的差異研究

陳桂生

（中國測試技術(shù)研究院，四川成都610021）

就標準鉑電阻溫度計在熱電阻檢定與溫度測量中的使用方法問題，以國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范和專家的論斷為討論背景，采用理論計算和數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析的方法進行研究。通過以標稱電阻值（Rtp）為25Ω與100Ω的標準鉑電阻，不同允差等級的電測儀器，不同的溫度測量與工業(yè)熱電阻檢定方法，得到有意義的數(shù)據(jù)，辨別和證明國內(nèi)規(guī)范及專家論據(jù)的一個誤區(qū)。對改善工業(yè)熱電阻檢定方法的科學(xué)性和提高檢定結(jié)果的準確性，具有較大的經(jīng)濟和社會價值。

溫度計量；標準鉑電阻；熱電阻；檢定；誤差；不確定度

鉑電阻溫度計用于國際溫標的復(fù)現(xiàn)離不開國際溫標推薦的定義固定點。所有這些固定點都有給定的溫度值，這些值與熱力學(xué)溫度值最接近，固定點的相平衡溫度具有很高的復(fù)現(xiàn)性，尤其是水三相點的復(fù)現(xiàn)性可優(yōu)于0.1mK（國家實驗室）。因此，最高準確度的溫度計的檢定和分度都離不開國際溫標定義的固定點和鉑電阻溫度計，這不僅需要花費高昂的設(shè)備成本，還得有高水平有經(jīng)驗的專家按照復(fù)雜的操作程序，花費較長的時間完成檢定和分度工作。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀及專家論述

工業(yè)鉑熱電阻是各行業(yè)中大量使用的準確度較高的工業(yè)溫度計，大量專業(yè)計量技術(shù)機構(gòu)、企事業(yè)單位的檢測實驗室都在開展該類溫度計的檢定工作。長期以來許多實驗室的工業(yè)熱電阻檢定裝置按規(guī)程規(guī)定配有水三相點保存裝置，檢定工業(yè)熱電阻時重測標準鉑電阻溫度計的Rtp值（即自行給標準賦值）[1-4]，以求提高標準鉑電阻溫度計測量檢定點溫度的準確性，達到減小標準器的測量誤差對工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的影響。

國內(nèi)有關(guān)標準鉑電阻溫度計在溫度計量器具檢定及溫度測量中的主要認識有：“這就是標準鉑電阻要求同一電測設(shè)備測量Rt與Rtp來參與計算比值Wt能有效地減小電測設(shè)備帶入的系統(tǒng)影響的原因”[5]，“有些使用者在使用標準鉑電阻測量時，不進行該電測儀器的Rtp值測量，而使用證書上給出的Rtp值來計算Wt及溫度t，這樣將會產(chǎn)生很大的測量誤差，以致失去標準鉑電阻溫度計測溫準確的優(yōu)點”[5]。其在工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果不確定度的實例分析中強調(diào)：“水三相點是定義標準鉑電阻溫度計溫度的基點，理論上是準確的。每次使用SPRT時亦必須使用電測設(shè)備在水三相點中實測來取得此基準點的Rtp值，并以此實測值與Rt值計算出比值Wt來計算實際溫度”[5]，這應(yīng)該是國內(nèi)專家對精密溫度測量和工業(yè)熱電阻檢定時標準鉑電阻溫度計使用方法最直接明確的論述。

另一專著對檢定分度熱電阻溫度計的方法論述是“對于準確度不高或工業(yè)用電阻溫度計，可用比較法檢定”[6]，在此沒有說到檢定時標準鉑電阻溫度計標準值的來源。在其標準電阻溫度計的正確使用一節(jié)強調(diào)“由ITS-90可知，W（T）=RT/Rtp。按此方法計算時，可減小電阻溫度計不穩(wěn)定性帶來的影響，也能克服不同電測設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是，如果在計算W（T）時選用的Rtp不是取于同一天測量RT前后的數(shù)據(jù)，而是選用時隔多日的測量值，或是來源于該溫度計檢定證書上給出的Rtp，則難以減少電阻溫度計不穩(wěn)定帶來的影響。另外，如果用來測量RT和Rtp的電測儀器不是同一臺儀器，也不能克服電測儀器系統(tǒng)誤差造成的部分影響。在上述不準確情況下計算得到的W（T）值，將會引起很大誤差。有時，會誤判一支合格的溫度計為不合格”[6]。遺憾的是這里只是強調(diào)每次使用標準鉑電阻溫度計要測量Rtp的重要性，沒有提到在完成不同溫度測量或量傳要求時標準鉑電阻溫度計使用方法的不同。實際情況需要進行深入細致的研究。

2 不同用途使用方法比較研究

為了說明標準鉑電阻溫度計在不同用途和不同使用方法中所產(chǎn)生的差別，選用標稱電阻值Rtp為25Ω與100Ω的二等標準鉑電阻溫度計作標準器分別進行討論，為方便分析直接選用參考值[7]（見表1）。

表1 標準鉑電阻溫度計的參考函數(shù)值

電測儀器用數(shù)字多用表，儀器基本量程為0～100Ω，量程測量范圍0～200Ω，工作電流1mA。各等級測量儀器允許誤差見表2。

表2 儀器等級及允許誤差

2.1 標準鉑電阻溫度計測量溫度

標準鉑電阻溫度計Rtp用標稱電阻值，其他參數(shù)用參考函數(shù)值，分析用不同級別電測儀器（允差見表2）在不同測量方法下產(chǎn)生的測量誤差大小。以常用的0℃、100℃兩點為例分析測量誤差值[3，6]，即：

式中：Δts——標準鉑電阻溫度計在0℃、100℃時的測量誤差值，℃；

為使分析簡單明了，計算時暫不考慮標準鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。

2.1.1 標準鉑電阻Rtp值用上級證書值

表3 0℃、100℃點電測儀器測量標準鉑電阻帶來的誤差

把表1、表3數(shù)據(jù)代入式（1）可計算得到用不同等級測量儀器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差，計算結(jié)果列于表4。

表4 標準鉑電阻R tp值用上級證書值時的測量誤差

2.1.2 自測標準鉑電阻Rtp值

不同等級電測儀器測量25，100Ω標準鉑電阻溫度計水三相點Rtp值時帶來的誤差根據(jù)表2計算得到列于表5。

表5 電測儀器測量標準鉑電阻水三相點的誤差

把表1、表3、表5數(shù)據(jù)代入式（1）可計算得到不同等級測量儀器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差，計算結(jié)果列于表6。

表6 標準鉑電阻R tp值用自賦值時的測量誤差

2.2 標準鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻的檢定

以0，100℃兩個檢定點為例來分析用不同級別電測儀器（允差見表2）不同檢定方法產(chǎn)生的檢定結(jié)果誤差值大小[3]，即：

式中：Δt——被檢熱電阻在0，100℃點檢定結(jié)果的誤差值，℃；

Rt——被檢熱電阻在0，100℃點的測量值，Ω；

R——被檢熱電阻在0，100℃時的標稱值，Ω；

（d R/d t）——被檢熱電阻的電阻對溫度的變化率，Ω/℃。

Pt100工業(yè)鉑熱電阻在兩個溫度點的技術(shù)參數(shù)及各級鉑熱電阻允許偏差見表7。

表7 Pt100技術(shù)參數(shù)及允許偏差

不同等級電測儀器測量Pt100工業(yè)鉑熱電阻時帶來的誤差根據(jù)表2、表7計算得到列于表8。

表8 電測儀器測量Pt100工業(yè)鉑熱電阻的誤差

同樣，為使分析簡單明了，計算時暫不考慮標準鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。

2.2.1 檢定時用自測標準鉑電阻Rtp值

把表1、表3、表5、表7、表8數(shù)據(jù)代入式（2）可計算得到用不同等級測量儀器時帶入檢定結(jié)果的誤差，計算結(jié)果列于表9。

表9 標準鉑電阻R tp用自測值時帶入檢定結(jié)果的誤差

2.2.2 檢定時標準鉑電阻Rtp值用上級證書值

把表1、表3、表7、表8數(shù)據(jù)代入式（2）可計算得到用不同等級測量儀器時帶入檢定結(jié)果的誤差，計算結(jié)果列于表10。

3 結(jié)果比較分析

為了更直觀地比較標準鉑電阻溫度計在不同用途、不同使用方法時和使用不同準確度等級電測儀器對測量和檢定結(jié)果貢獻的誤差。把25Ω（Rtp）標準鉑電阻不同用法對0，100℃點結(jié)果的影響大小分別如圖1、圖2所示，把100Ω（Rtp）標準鉑電阻不同用法對0，100℃點結(jié)果的影響大小分別如圖3、圖4所示。

表10 標準鉑電阻R tp用上級證書值時帶入檢定結(jié)果的誤差

從圖中色柱和前面表中數(shù)據(jù)可以看出：

1）標準鉑電阻溫度計用于溫度測量時，在分析所用電測儀器技術(shù)指標下同時測量Rt和Rtp的方法比溫度計用上級證書上Rtp值的測量方法的測量結(jié)果更準確，前者的測量誤差比后者要小得多，尤其是在電測儀器的準確度等級越低時差別更為明顯。

2）標準鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻檢定時，自測標準鉑電阻Rtp值（自行給標準器賦值）的檢定結(jié)果比標準鉑電阻用上級證書Rtp值的檢定結(jié)果的誤差要大得多，這與論點[5-6]或規(guī)范依據(jù)[1-4]恰好相反。

從圖1、圖2（25Ω（Rtp）標準鉑電阻）可以看出兩種檢定方法檢定結(jié)果的誤差比值與文獻[8]兩種檢定方法檢定結(jié)果不確定度評估結(jié)果的比值基本一致。不同之處主要是本文只分析了關(guān)鍵影響量帶來的誤差，文獻[8]的不確定度包括全部影響量，在關(guān)鍵影響量變小時其他影響量在不確定度評定結(jié)果中的貢獻就會明顯地顯現(xiàn)出來。

圖1 25Ω標準不同用法對0℃結(jié)果影響

圖2 25Ω標準不同用法對100℃結(jié)果影響

圖3 100Ω標準不同用法對0℃結(jié)果影響

把圖3與圖1、圖4與圖2比較可以看出使用100Ω（Rtp）標準鉑電阻檢定Pt100型工業(yè)熱電阻比使用25Ω（Rtp）標準鉑電阻效果更好，這與文獻[9]的不確定度評估結(jié)果也是一致的。

3）不可把同時測量標準鉑電阻溫度計Rt和Rtp可大大減小溫度測量結(jié)果的誤差的方法推廣應(yīng)用于工業(yè)熱電阻的檢定，因為該做法會浪費大量的設(shè)備投入經(jīng)費，而且使檢定結(jié)果的誤差增大。

圖4 100Ω標準不同用法對100℃結(jié)果影響

4）在同樣的電測儀器技術(shù)指標下，標準鉑電阻溫度計用于溫度測量與熱電阻的檢定分度時，同樣方法所得結(jié)果誤差大小截然不同，應(yīng)引起我們在使用和技術(shù)規(guī)范制修訂時的注意。要區(qū)別這兩者的誤差或不確定度差別的大小，這要看具體方法和條件，不能簡單地一概而論。

4 結(jié)束語

由前面的分析比較結(jié)果可以看出能否保證測量或檢定結(jié)果的準確可靠，重要的是要看所用方法的正確性和科學(xué)合理性，不同水平的測量和檢定分度應(yīng)采用適當?shù)姆椒▉硗瓿伞?/p>

[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(zhì)檢出版社，2010.

[4]JJF 1098—2003熱電偶、熱電阻自動測量系統(tǒng)校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2003.

[5]沈正宇.溫度測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2006：38，86.

[6]崔志尚.溫度計量與測試[M].北京：中國計量出版社，1998：72-78.

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

[8]陳桂生，付志勇，朱育紅，等.工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結(jié)果的可信度研究[J].中國測試，2014，40（6）：17-21.

[9]陳桂生，付志勇，趙晶，等.低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度的方法研究[J].中國測試，2015，41（1）：24-28.

Study on the difference of standard platinum resistance used in thermal resistance verification and tem perature measurement

CHEN Guisheng
（National Institute of Measurement and Testing Techology，Chengdu 610021，China）

The paper involves the study on the usage of standard platinum resistance thermometers in thermal resistance verification and temperature measurement by comparatively analyzing the theoretical calculation with the data results based on the existing specifications and the experts’conclusions in China.By nominal resistance value（Rtp）for 25Ωand 100Ωstandard platinum resistance，different tolerance levels of electricalmeasuring instruments were employed to measure the temperature and verify the industrial thermal resistance by means of different methods and standard platinum resistances with the nominal resistance value（Rtp）of 25Ωand 100Ω.The meaningful data obtained has identified and proved one misunderstanding in domestic specifications and experts’arguments.The study has great economic and social value in promoting the scientific verification method of industrial thermal resistances and enhancing the accuracy of the detection results.

temperature metrology；standard platinum resistance thermometer；thermal resistance；verification；error；uncertainty

A文章編號：1674-5124（2015）06-0022-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.005

0 引言

鉑電阻溫度計具有測溫準確度高、靈敏度好、穩(wěn)定可靠，在氧化環(huán)境中或高溫下使用時化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，對于準確度要求高的溫度測量，鉑電阻溫度計總是最優(yōu)先選用的溫度計。鉑電阻溫度計可用于國際溫標的復(fù)現(xiàn)，并作為各級標準器具通過逐級傳遞方式傳遞溫度量值，直至用于檢定和分度工業(yè)溫度傳感器。

2015-02-15；

2015-03-21

陳桂生（1953-），男，山東東明縣人，研究員，主要從事溫度計量技術(shù)研究。