工業(yè)熱電阻檢定裝置標準器的優(yōu)選驗證

付志勇 陳桂生 趙晶 朱育紅 廖艷 李福洪

摘 要：針對如何科學經(jīng)濟地減小工業(yè)熱電阻檢定裝置檢定結果的不確定度，提高工業(yè)熱電阻檢定結果的可信度問題進行試驗驗證研究。該試驗的主要目的是驗證不同規(guī)格型號標準鉑電阻溫度計對檢定結果偏差影響的大小。試驗結果表明：使用Rtp標稱值100 Ω的標準溫度計，用上級證書Rtp值檢定可以大幅減小檢定結果的示值誤差。既提高檢定結果的可信度，又可降低檢定裝置對電測儀器在測量準確度與線性方面的要求，比使用Rtp標稱值25 Ω的標準溫度計具有明顯的優(yōu)越性。

關鍵詞：溫度計量；檢定規(guī)程；熱電阻；標準鉑電阻溫度計；水三相點；檢定方法；誤差

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0007-05

Abstract： The experimental verification is carried out to reduce the uncertainty of industrial thermal resistance verification devices verification results and improve the credibility of industrial thermal resistance scientifically and economically. The test mainly aims to verify the influence of the standard platinum resistance thermometer of different specifications on the deviation of the verification results. The test results show that the Rtp value of the higher order certificate can greatly reduce the indication error of the test result when using standard thermometer with Rtp nominal value of 100 Ω， it can not only improve the credibility of the test results， but also reduce the requirements of verification device on the measurement accuracy and linearity of electric measuring instrument， which poses obvious advantages by comparing with standard thermometer with Rtp nominal value of 25 Ω.

Keywords： temperature metrology； verification regulations； thermal resistance； standard platinum resistance thermometer； triple point of water； verification method； error

0 引 言

近年來，本課題組針對在各行業(yè)溫度測量控制中廣泛使用的工業(yè)熱電阻傳感器的檢定方法問題進行了研究[1-9]。其研究回顧了數(shù)十年來國家檢定規(guī)程規(guī)定的檢定方法[10-12]和國內不少專業(yè)論著[13-21]對該方法正確性論證的論點和論據(jù)，同時回顧了近十年來國內資深專家對該檢定方法提出的質疑[22-23]。

研究就檢定規(guī)程規(guī)定工業(yè)鉑熱電阻檢定時，采用操作者先自行給標準鉑電阻溫度計賦Rtp值（用本級標準的儀器設備測量取得標準鉑電阻的Rtp值替代上級證書值），再用自賦值的標準鉑電阻完成工業(yè)鉑熱電阻檢定的方法進行了深入的分析。研究分別采用不確定度評估、誤差分析計算、測量模型變化分析及實驗室實際試驗驗證等方法進行論證，理論分析和試驗驗證的結果都證明：在普通工業(yè)熱電阻檢定裝置上，用自測標準Rtp值法檢定工業(yè)熱電阻，增加的結果偏差比用上級證書值檢定的結果偏差要大得多，這與規(guī)程規(guī)定方法的依據(jù)和初衷恰恰相反。

前述研究工作分析和驗證了既保證工業(yè)鉑熱電阻檢定結果準確可靠，又大幅降低檢定裝置的設備投入費用，提高檢定工作效率的正確檢定方法。在論證了工業(yè)鉑熱電阻正確檢定方法的基礎上[2]，文獻[3]提出并論證了在不增加標準裝置設備成本的情況下進一步減小檢定結果不確定度的方法。工業(yè)鉑熱電阻是中低溫段準確測量溫度的首選傳感器，提高和保證其量值的準確性具有重要的實際意義，該項工作的進一步研究驗證對于保證工業(yè)溫度計量的準確可靠同樣具有一定的經(jīng)濟和社會價值。

本文研究工作的主要目的是通過實驗證明標準鉑電阻溫度計規(guī)格型號的選擇對工業(yè)熱電阻檢定結果的影響。驗證實驗采用兩支不同規(guī)格的標準器和多支被檢樣品，兩臺不同準確度等級的測量設備，分別以比較測量方法完成對被檢樣品的檢定測量。用本次實驗的兩組實際實驗數(shù)據(jù)結果及以前研究的相關數(shù)據(jù)相互比較，說明正確選用測量方法和選擇適當規(guī)格標準器，可降低標準裝置測量設備的技術要求和減小檢定結果的誤差水平。

1 試驗方法

目前，國內工業(yè)熱電阻檢定裝置使用二等標準鉑電阻溫度計作標準。標準鉑電阻的Rtp標稱值分別是25 Ω和100 Ω的兩種型號，使用Rtp標稱值是25 Ω的標準鉑電阻占絕大多數(shù)。檢定Pt100工業(yè)鉑熱電阻時，標準器Rtp值采用在上級標準裝置上檢定時簽發(fā)的證書值，使用何種標準鉑電阻溫度計作標準可以減小檢定結果的誤差，提高檢定結果的可信度，還可降低標準裝置對電測儀器在準確度方面的要求，通過實驗室測量試驗也可得出明確結果。

1.1 測量模型

規(guī)程規(guī)定工業(yè)鉑熱電阻的檢定方法是把標準器與被檢工業(yè)鉑熱電阻同置于0 ℃和100 ℃溫度點附近的恒定溫度槽中，用比較法完成檢定。

0 ℃點被檢樣品的溫度示值偏差為

Δt0=■-（■-WS0）/（dWSt/dt）t=0

（1）

100 ℃點被檢樣品的溫度示值偏差為

Δt100=■-（■-WS 100）/（dWSt/dt）t=100

（2）

式中：Δt0、Δt100——被檢樣品在0 ℃、100 ℃點的示值偏差值，℃；

Ri、Rh——被檢樣品在0 ℃、100 ℃點的測量值，Ω；

R*i、R*h——標準鉑電阻在0 ℃、100 ℃點的測量值，Ω；

Rtp——標準鉑電阻溫度計證書值，Ω；

R0、R100——被檢樣品在0 ℃、100 ℃時的標稱值，分別為100.00，138.51 Ω；

WS0、WS 100——標準鉑電阻在0 ℃、100 ℃時與水三相點溫度時的電阻比；

（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100——被檢樣品電阻對溫度的變化率，分別為0.390 83，0.379 28 Ω/℃；

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

1.2 試驗條件

試驗使用兩支標準鉑電阻溫度計，Rtp標稱值25 Ω和100 Ω的標準鉑電阻各一支，同時對多支被檢樣品進行比較測量分度，用以克服因為單支標準或被檢樣品參數(shù)單一致使檢定結果的數(shù)據(jù)缺乏互相印證，提高試驗結果的可信度。試驗時使用一臺低溫槽和一臺恒溫油槽提供0 ℃點、100 ℃點的比較測量溫場。

1.2.1 電測儀器

試驗選用的兩臺不同準確度的電測儀器與文獻[1]相同，一臺高精密測溫儀（編號：A93463#），其測量準確度約為±5×10-6；一臺六位半數(shù)字多用表（編號：1355872#），其測量準確度經(jīng)實測約相當于工業(yè)鉑熱電阻檢定規(guī)程規(guī)定的0.02級（±0.02%R±0.00X%F）水平。

1.2.2 標準器

試驗使用了兩支標準鉑電阻溫度計，一支編號12085#的Rtp標稱值是25 Ω的溫度計，另一支編號01267#的Rtp標稱值是100 Ω的溫度計。兩支溫度計由上一級標準裝置檢定的證書參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

1.2.3 試驗樣品

工業(yè)各領域溫度測量控制中最常用的溫度傳感器是Pt100型工業(yè)鉑熱電阻，本實驗使用4支四線制Pt100型工業(yè)鉑熱電阻，被檢工業(yè)鉑熱電阻的編號分別為10#、11#、13#、14#。

2 測量數(shù)據(jù)

試驗時根據(jù)各設備的使用條件要求及規(guī)程的規(guī)定進行準備和操作。在電測儀器經(jīng)過預熱校零，各溫度點槽的溫場穩(wěn)定后，分別巡回快速讀取各標準鉑電阻溫度計和工業(yè)鉑熱電阻的數(shù)據(jù)，取多次測量的平均值列于表2、表3。

3 試驗結果的計算與分析

按照標準鉑電阻溫度計直接使用上級檢定證書值的檢定方法分別進行數(shù)據(jù)處理，把被檢樣品和標準溫度計的各項數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），計算得到在各溫度點的檢定結果。

3.1 被檢結果的示值偏差

按式（1）、式（2）計算得到用兩種不同準確度測量儀器測量和兩支不同規(guī)格型號標準溫度計作標準時的各個被檢樣品檢定結果的示值偏差。把被檢樣品的溫度示值偏差按測量儀器準確度及標準器規(guī)格型號整理列表，用A93463#儀器測量得到的示值偏差列于表4、表5，用1355872#儀器測量得到的示值偏差列于表6、表7。

3.2 兩種標準的檢定結果比較

從文獻[1]的試驗分析結果可知，由于A93463#儀器測量準確度高，用其測量時兩種檢定方法檢定結果的數(shù)值相近，檢定結果的準確性都比用1355872#儀器（準確度較低：±0.02%R±0.00X%F）測量的檢定結果高得多。以表4、表5中A93463#儀器檢定結果作為被檢樣品的參考值，使用1355872#儀器測量，兩種不同型號的標準溫度計作標準，在檢定結果中增加的示值偏差平均值列于表8、表9。

文獻[1]的試驗結果已經(jīng)證實，在工業(yè)熱電阻檢定裝置上，以普通準確度等級的儀器（如1355872#）測量，Rtp標稱值25 Ω的鉑電阻作標準時，用上級證書值法在檢定結果中增加的偏差是重測Rtp法在檢定結果中增加的偏差的1/5以下。從表8、表9中兩種標準器對檢定結果偏差的影響可以看出：同樣的測量儀器條件下，在用上級證書值法使被檢樣品檢定結果的偏差減小的基礎上，使用Rtp標稱值100 Ω的鉑電阻作標準時，測量儀器的誤差對被檢樣品的檢定結果的偏差值影響又進一步降低。

4 試驗結果與理論分析評估結果比較

以不確定度評定、誤差分析計算和實驗室試驗驗證3種方法，就工業(yè)熱電阻檢定裝置檢定中的不同檢定方法、測量儀器準確度水平變化及標準鉑電阻溫度計規(guī)格型號不同對檢定結果的影響進行了研究論證?，F(xiàn)把文獻[1-3，9]和本文中采用測量準確度在±（0.02%R+0.00X%F）（準確度水平略有差別）水平的電測儀器測量的檢定結果列出，以便于討論論證結果的可信程度，見表10～表12。

表10中試驗驗證的數(shù)據(jù)結果是與另一個準確度高約兩個量級（±5×10-6）的儀器測量時檢定結果的差值，多支被檢樣品的實驗室試驗結果的偏差值略小于不確定度評估的結果，因為實驗時實際誤差值正好符合某種準確度等級的儀器不容易找到，用于實驗比較的儀器誤差要大于0.02級，實驗結果的偏差值也稍大一點，這正好說明理論論證所用不確定度評定方法是正確的，試驗驗證結果也是準確合理可信的。表中誤差分析計算結果可以看出，測量儀器測量誤差的貢獻在檢定結果不確定度中所占的份量很大。

比較表11與表10中的數(shù)據(jù)可以看出，3種論證方法都證明，在同樣檢定條件下，用標準鉑電阻溫度計的上級證書Rtp值參與檢定數(shù)據(jù)的計算處理比用自測Rtp值參與檢定數(shù)據(jù)的計算處理的結果不確定度大幅減小。試驗驗證的結果比其他兩種結果減小明顯，是由于試驗用測量儀器的非線性誤差比理論分析時選取的要小得多；測量儀器的誤差貢獻由于檢定方法的改善使其大幅降低，其他隨機因素顯現(xiàn)較大影響，試驗驗證的數(shù)據(jù)結果又是與另一高準確度儀器檢定結果的差值，隨機影響量可能也抵消一部分。

從表12中測量儀器準確性影響的誤差分析計算結果看出，使用標稱值100 Ω（Rtp）標準鉑電阻溫度計作標準器，標準溫度計用上級證書Rtp值時測量儀器測量誤差對檢定結果的影響比用自測Rtp值時極大地減??；同樣比使用標稱值25 Ω（Rtp）標準溫度計時測量儀器測量誤差對檢定結果的影響也極大地減?。贿@意味著使用標稱值100 Ω（Rtp）標準溫度計作標準可降低標準裝置對測量儀器準確度的要求。從表中可進一步看出，由于儀器誤差分量影響的極大減小，檢定結果的不確定度大幅減小，本試驗驗證結果的偏差在表11中大幅減小的基礎上又進一步減小。

從數(shù)據(jù)結果的比較情況可以看出，文獻[1-9]和本文中的理論分析及試驗驗證的方法和過程是科學合理的，研究結論是準確可信的。

5 結束語

在工業(yè)熱電阻檢定時，使用標稱Rtp為100 Ω的標準鉑電阻溫度計作標準，采用上級證書Rtp值法檢定可以大幅減小檢定結果的不確定度，提高檢定結果的可信度，還可降低檢定裝置對電測儀器在測量準確度與線性方面的要求，比使用標稱Rtp為25 Ω的標準鉑電阻溫度計作標準具有優(yōu)越性。

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（編輯：商丹丹）