試析工業(yè)熱電阻檢定中產(chǎn)生偏差的原因

姚誠煜

(江蘇省常熟市計(jì)量測(cè)試所，江蘇常熟，215500)

0 引言

科學(xué)技術(shù)飛速背景下，工業(yè)熱電阻憑借著自身穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)溫準(zhǔn)確度高、結(jié)實(shí)耐用等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、精密測(cè)量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，發(fā)揮出了相當(dāng)積極的作用。不過，在工業(yè)熱電阻檢定中，存在一些導(dǎo)致測(cè)量偏差的因素，其不僅會(huì)造成檢定數(shù)據(jù)偏差，還可能直接影響檢定結(jié)果判定，需要技術(shù)人員的重視和解決。

1 工業(yè)熱電阻的工作原理

實(shí)際上，工業(yè)熱電阻是一種具備溫度測(cè)量功能的傳感裝置，通常會(huì)與溫度變送裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置及溫度顯示裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度的測(cè)量、調(diào)節(jié)和控制（見圖1）。工業(yè)熱電阻對(duì)于溫度的測(cè)量主要是利用了導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻值會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生相應(yīng)變化的特性，在其實(shí)際使用過程中，測(cè)量物質(zhì)的電阻變化情況會(huì)被工業(yè)熱電阻中的儀表直觀呈現(xiàn)出來。

相比較其他溫度測(cè)量裝置，工業(yè)熱電阻具備幾個(gè)比較顯著的特點(diǎn)，一是其結(jié)構(gòu)部件采用的是壓簧式，抗振性能優(yōu)越；二是與一般溫度測(cè)量儀器的測(cè)量角度存在很大區(qū)別，能夠提高溫度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；三是工業(yè)熱電阻的結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，在不同類型的工業(yè)生產(chǎn)中有著良好的適用性，能夠滿足其對(duì)于溫度測(cè)量的不同需求；四是工業(yè)熱電阻內(nèi)部獨(dú)特的薄膜電阻構(gòu)件可以提升其物理性能，保證設(shè)備的正常使用[1]。

圖1 工業(yè)熱電阻

2 工業(yè)熱電阻檢定中產(chǎn)生偏差的原因及控制

工業(yè)熱電阻的檢定方法有兩種，一是電位差計(jì)檢定，主要是基于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用電位差計(jì)來對(duì)尚未檢定物質(zhì)在不同溫度條件下的電阻系數(shù)變化進(jìn)行測(cè)量，在檢定過程中不僅需要用到電位差計(jì)，還需要大量的輔助設(shè)施，包括電阻、電池、導(dǎo)線等，操作相對(duì)繁瑣；二是電橋測(cè)量檢定，主要是運(yùn)用測(cè)溫電橋裝置與其他設(shè)備的配合，針對(duì)工業(yè)熱電阻檢測(cè)物體內(nèi)部電阻的過程進(jìn)行測(cè)量，這種檢定方式對(duì)于外部環(huán)境要求較高，而且測(cè)量方式復(fù)雜，檢定過程容易出現(xiàn)誤差[2]。

2.1 水三相點(diǎn)瓶使用偏差

水三相點(diǎn)瓶在工業(yè)熱電阻運(yùn)行中發(fā)揮出的主要作用是保溫，在對(duì)特殊種類金屬的溫度進(jìn)行檢定時(shí)通常會(huì)用到，例如，在《工業(yè)鉑、銅熱電阻》（JJG 229-2010）中，明確提出，應(yīng)該利用水三相點(diǎn)瓶及其保溫容器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)電阻值的測(cè)定，水三相點(diǎn)瓶對(duì)于工業(yè)熱電阻后期測(cè)量結(jié)果存在直接影響，如果其無法正常運(yùn)行，還可能會(huì)導(dǎo)致工業(yè)熱電阻的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，需要技術(shù)人員重視水三相點(diǎn)瓶的使用，而一旦操作失誤，就可能導(dǎo)致工業(yè)熱電阻的檢定偏差：一是在水三相點(diǎn)瓶中放入標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)之前，將必要的預(yù)冷環(huán)節(jié)忽略。實(shí)際上，在對(duì)水三相點(diǎn)瓶進(jìn)行操作前，要求檢測(cè)人員必須預(yù)先將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)放入到相應(yīng)的制冷恒溫槽中，做好必要的預(yù)冷處理工作，等到溫度計(jì)顯示數(shù)值與水三相點(diǎn)瓶一致，或者兩者之間的誤差不超過0.01℃時(shí)，才能進(jìn)行測(cè)量，分析原因，主要是在利用熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量的過程中，必然伴隨著一定的熱量交換，容易引發(fā)傳熱誤差，通過對(duì)溫度計(jì)的預(yù)冷處理，能夠避免將外界溫度代入瓶中，從而杜絕傳熱現(xiàn)象引發(fā)的測(cè)量偏差[3]；二是在水三相點(diǎn)瓶完成凍制后，立即投入使用。實(shí)際上，剛剛凍制好的水三相點(diǎn)瓶三相點(diǎn)溫度偏低，凍制過程較大的過冷度會(huì)導(dǎo)致冰晶尺寸偏小，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，如果立即將其應(yīng)用到溫度測(cè)量中，過于強(qiáng)烈的內(nèi)外溫差不僅會(huì)對(duì)工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)安全事故。因此，正確的操作應(yīng)該在將凍制好的水三相點(diǎn)瓶于接近0.01℃的環(huán)境下放置30min，待其穩(wěn)定后再投入使用，這樣能夠確保冰晶尺寸合理，消除應(yīng)力作用，從而保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.2 電測(cè)設(shè)備使用偏差

結(jié)合《工業(yè)鉑、銅熱電阻》（JJG 229-2010）分析，對(duì)于A級(jí)乃至AA級(jí)電阻的檢定，必須采用0.005級(jí)或者更高等級(jí)的電測(cè)設(shè)備。在不斷的發(fā)展過程中，很多市級(jí)計(jì)量部門開始將原本的電測(cè)設(shè)備更換為了對(duì)應(yīng)等級(jí)的數(shù)字多用表，但是在這種情況下，很容易出現(xiàn)因?yàn)殡姕y(cè)設(shè)備操作不當(dāng)引發(fā)的測(cè)量偏差。具體來講，一是沒有做好量程選擇工作。合理的量程對(duì)于測(cè)量檢定工作有著非常重要的作用，如果量程選擇偏高，則會(huì)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，如果量程選擇偏低，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果超出量程范圍，無法直觀顯示出來。而在實(shí)際操作中，也可以設(shè)定為自動(dòng)量程，由系統(tǒng)自主確定，但是這樣的方式可能造成讀數(shù)延遲，測(cè)量時(shí)間間隔難以得到有效保障。因此，對(duì)于技術(shù)人員而言，檢定過程中必須依照實(shí)際情況，對(duì)量程進(jìn)行合理選擇[4]；二是沒有做好數(shù)字多用表調(diào)節(jié)。在對(duì)熱電阻阻值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要通過一定電流，檢定環(huán)節(jié)通常要求通過熱電阻的電流不超過1mA，之所以如此，主要是因?yàn)楫?dāng)電流從熱電阻中通過時(shí)，會(huì)在其感溫元件及引線上產(chǎn)生焦耳熱，繼而形成相應(yīng)的溫度梯度，受這種內(nèi)部熱效應(yīng)影響，電阻的溫度會(huì)逐漸身高，引發(fā)測(cè)量偏差問題。因此，在工業(yè)熱電阻檢定環(huán)節(jié)，如果使用的是數(shù)字多用表，應(yīng)該將其調(diào)節(jié)到低電流檔。考慮內(nèi)容熱效應(yīng)引發(fā)的測(cè)量偏差大小會(huì)受到流經(jīng)熱電阻電流大小的影響，不能一概而論，為了保證檢定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，采用兩支工業(yè)鉑熱電阻，在0℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持其他試驗(yàn)條件不變，僅僅增加通過鉑熱電阻的電流值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

結(jié)合表1數(shù)據(jù)分析，雖然通過增加流經(jīng)鉑熱電阻電流的方式，能夠提升測(cè)量的靈敏度，不過電流越大，電阻內(nèi)部熱效應(yīng)也越大，測(cè)量偏差值同樣會(huì)隨之增大。當(dāng)電流達(dá)到5mA時(shí)，1號(hào)鉑熱電阻的測(cè)量值如果換算成溫度，較上級(jí)計(jì)量部門的檢定結(jié)果高出約0.03℃，2號(hào)鉑熱電阻測(cè)量值在換算成溫度后，較檢定結(jié)果高出0.04℃。因此，在工業(yè)熱電阻檢定中，應(yīng)該對(duì)電流進(jìn)行控制，在保證測(cè)量靈敏度的情況下，盡可能減小自熱效應(yīng)[5]。

3 結(jié)語

工業(yè)熱電阻檢定中，可能出現(xiàn)檢定結(jié)果偏差的問題，對(duì)偏差產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，主要是工作人員的操作缺乏規(guī)范性?；诖?，應(yīng)該對(duì)工業(yè)熱電阻檢定步驟進(jìn)行明確，做好風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)防工作，采取有效措施來減少和杜絕偏差，以此來保證檢定結(jié)果真實(shí)有效。