工業(yè)鉑熱電阻測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

羅利平

(山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

1 概 述

1.1 被測(cè)對(duì)象

選用一支B級(jí)鉑熱電阻Pt100作為此次評(píng)定的對(duì)象，按照J(rèn)JG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》檢定規(guī)程規(guī)定的檢定溫度點(diǎn)為0℃和100℃，對(duì)B級(jí)Pt100鉑熱電阻進(jìn)行誤差的測(cè)量，其允許偏差：0℃：±0.15℃；100℃：±0.35℃。

1.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)

二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)證書(shū)給出的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書(shū)給出的參數(shù)

1.2.2 電測(cè)設(shè)備

KEITHLEY2010數(shù)字多用表，測(cè)量范圍(0～1 000)Ω。

表2 數(shù)字多用表年變化量

1.3 測(cè)量方法

按照檢定規(guī)程中的方法進(jìn)行比較測(cè)量。將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻)和被檢鉑熱電阻溫度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)被檢鉑電阻)同時(shí)插入恒溫槽中，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻與被檢鉑電阻的引線接入接線臺(tái)與數(shù)字多用表、掃描/控制器連接，待溫度穩(wěn)定后采集數(shù)字多用表的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻與被檢鉑電阻的電阻值，用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻計(jì)算出恒溫槽的實(shí)際溫度后通過(guò)公式最終得出被檢鉑電阻的實(shí)際值溫度值和測(cè)量誤差。

2 測(cè)量模型

0℃時(shí)，測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型：

(1)

100℃時(shí)，測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型：

(2)

3 輸入量△ti，△th的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△ti)和u(△th)的評(píng)定

該不確定度分量主要由被檢鉑電阻測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，電測(cè)設(shè)備，恒溫槽插孔之間的溫差以及測(cè)量電流引起的自熱四個(gè)方面引入。

3.1 測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性所引入的不確定度u(Ri1)和u(Ri2)，采用A類(lèi)方法評(píng)定

以B級(jí)鉑熱電阻分別在制冷恒溫槽和恒溫油槽對(duì)其0℃和100℃進(jìn)行重復(fù)10次的測(cè)量。

檢定0℃時(shí)其測(cè)得的熱電阻分別為：100.571 1、100.571 8、100.571 1、100.571 7、100.571 6、100.570 2、100.571 1、100.571 2、100.571 3、100.572 5(Ω)。該樣本的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差采用貝塞爾公式進(jìn)行計(jì)算，得s= 5.7×10-4Ω。

實(shí)際測(cè)量取6次測(cè)量的平均值做為測(cè)量結(jié)果，故u(Ri1)=2.33×10-4Ω。轉(zhuǎn)換成溫度：u(△ti1)=0.60 mK。

同理檢定100℃時(shí)所得的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s=13.50×10-4Ω。實(shí)際測(cè)量取6次測(cè)量的平均值做為測(cè)量結(jié)果，故u(Ri1)=5.51×10-4Ω。轉(zhuǎn)換成溫度：u(△ti1)=1.45 mK。

3.2 由電測(cè)設(shè)備引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△ti2)和u(△th2)，采用B類(lèi)方法評(píng)定

3.3 插孔之間的溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△ti3)和u(△th3)，采用B類(lèi)評(píng)定

按規(guī)程中的方法對(duì)溫度計(jì)檢定時(shí)，在0℃由于插入標(biāo)準(zhǔn)和被檢溫度計(jì)同時(shí)插入后管口用脫脂棉塞緊，其熱損失極少，可認(rèn)為插孔之間的溫差很小，忽略不計(jì)，故u(△ti2)=0 mK。

3.4 自熱引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△ti4)和u(△th4) ，采用B類(lèi)方法評(píng)定

換算成溫度：u(△ti4)=2.95 mK，

u(△th4)=3.04 mK。

3.5 u(△ti)和u(△th)的計(jì)算

以上4個(gè)不確定度之間相互獨(dú)立，因此合成不確定度按公式(3)計(jì)算：

(3)

得：u(△ti)=15.06 mK，

u(△th)=21.78 mK 。

4 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和的評(píng)定

該不確定度分量主要由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的復(fù)現(xiàn)性、電測(cè)設(shè)備、測(cè)量電流引起的自熱、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的周期穩(wěn)定性這四個(gè)方面引入。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的復(fù)現(xiàn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和采用B類(lèi)方法評(píng)定

4.2 電測(cè)設(shè)備數(shù)字多用表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和采用B類(lèi)方法評(píng)定

(4)

0℃時(shí)：u(△t*i2)=

100℃時(shí)，u(△t*i2)=

4.3 測(cè)量電流引起熱電阻自熱帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和采用B類(lèi)方法評(píng)定

4.4 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和采用B類(lèi)方法評(píng)定

由于上述4個(gè)不確定度之間相互獨(dú)立，因此按公式(3)進(jìn)行合成：

5 合成不確定度

將以上評(píng)定的各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 0℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

表4 100℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

由于各不確定度分量之間相互獨(dú)立。因此，不確定度按公式(3)合成為：

檢定0℃時(shí)：uc(△t0)=25.65 mK；

檢定100℃時(shí)：uc(△t100)=34.95 mK。

6 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，

檢定0℃時(shí)：k=2，則U=k×25.66= 51 mK；

檢定100℃時(shí)k=2，則U=k×34.96= 70 mK。

7 測(cè)量不確定度評(píng)估的說(shuō)明

從上述的不確定度評(píng)估中可以看出，所選的檢定設(shè)備在檢定B級(jí)以下鉑熱電阻時(shí)可以滿足檢定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度(k=2)不大于被檢熱電阻允許誤差絕對(duì)值的1/4。

8 結(jié) 語(yǔ)

此次主要對(duì)工業(yè)鉑熱電阻的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，從上述的評(píng)定結(jié)果可看出：評(píng)定的溫度點(diǎn)為0℃和100℃，這兩個(gè)溫度點(diǎn)基本覆蓋了規(guī)程對(duì)被檢鉑熱電阻的測(cè)量范圍。在0℃時(shí)允差為±0.30℃，評(píng)定的擴(kuò)展不確定度為0.05℃,在100℃時(shí)允差為±0.80℃，評(píng)定的擴(kuò)展不確定度為0.07℃,由上述數(shù)據(jù)可得其擴(kuò)展不確定度都不大于被檢熱電阻允許誤差絕對(duì)值的1/4，滿足規(guī)程對(duì)于計(jì)量器具控制的選用要求，測(cè)量結(jié)果可信。在此次評(píng)定中發(fā)現(xiàn)不確定度數(shù)值較大的分量來(lái)自于電測(cè)設(shè)備，也就是說(shuō)電測(cè)設(shè)備是此次不確定度評(píng)定的主要來(lái)源，因此在檢定鉑電阻的過(guò)程中要密切關(guān)注電測(cè)設(shè)備，首先應(yīng)保證電測(cè)設(shè)備在工作時(shí)始終處在符合其環(huán)境條件要求的工作場(chǎng)所，一般應(yīng)保證溫度在(20±2)℃，相對(duì)濕度在(45～75)%RH范圍內(nèi),周?chē)鸁o(wú)振動(dòng)無(wú)電磁干擾。其次按照電測(cè)設(shè)備說(shuō)明書(shū)的要求對(duì)其進(jìn)行定期保養(yǎng)和維護(hù)，使用時(shí)認(rèn)真填寫(xiě)運(yùn)行使用記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的影響準(zhǔn)確度的隱患。要定期對(duì)電測(cè)設(shè)備進(jìn)行溯源校準(zhǔn)和期間核查，頻繁使用時(shí)更要加大期間核查的頻次。為保證檢定結(jié)果的可信度，除了對(duì)電測(cè)設(shè)備進(jìn)行必要關(guān)注外，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)屬精密測(cè)量?jī)x器，在放置和拿取的過(guò)程中應(yīng)輕拿輕放。另外在放置標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和被檢鉑電阻時(shí)還要保證它們?cè)诤銣夭壑杏凶銐虻纳疃?，使其熱損失盡可能小。注意到以上幾個(gè)因素并在日常檢定工作中認(rèn)真執(zhí)行就能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。