工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結(jié)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(shù)研究院，四川 成都 610021）

工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結(jié)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(shù)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(shù)條件，在標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)采用自測值和直接引用上級證書值時(shí)，對使用3個(gè)不同等級電測儀器的測量結(jié)果進(jìn)行評定。評定數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在相同測量條件下，自測值檢定結(jié)果的不確定度比用上級證書值的檢定結(jié)果不確定度大30%～100%，自測值并沒有減小檢定結(jié)果不確定度。

工業(yè)鉑熱電阻；檢定；標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻；電測儀器；水三相點(diǎn)；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(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行中低溫高準(zhǔn)確度測量的首選溫度傳感器，使用領(lǐng)域廣泛。鉑熱電阻量值準(zhǔn)確度直接影響溫度測量控制水平和產(chǎn)品品質(zhì)，具有重要的實(shí)際意義。

目前評判工業(yè)鉑熱電阻示值誤差的技術(shù)依據(jù)是相關(guān)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(shè)備因技術(shù)的更替略有變化外，其檢定方法沒有大的變化。

文獻(xiàn)[4]對JJG 229——1998《工業(yè)鉑、銅熱電阻》進(jìn)行了不確定度論證。文獻(xiàn)[5]指出原“規(guī)程給出的標(biāo)準(zhǔn)器與配套設(shè)備，技術(shù)指標(biāo)過高、設(shè)備龐大、檢定方法過繁。結(jié)果導(dǎo)致檢定時(shí)間長、效率低、成本高……”。文獻(xiàn)[6]指出原規(guī)程“檢定工業(yè)A級鉑電阻溫度計(jì)時(shí)非常麻煩，主要體現(xiàn)在水三相點(diǎn)瓶的操作使用上。通過標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量貢獻(xiàn)分析，電測設(shè)備影響最大。如果不用水三相點(diǎn)瓶，直接引用上級檢定部門給出的值進(jìn)行計(jì)算，則要求提高電測設(shè)備的準(zhǔn)確度。但是不使用水三相點(diǎn)瓶而直接引用上級標(biāo)準(zhǔn)給出的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的值進(jìn)行計(jì)算，將會(huì)帶來極大的誤判風(fēng)險(xiǎn)”。文獻(xiàn)[5]由于缺少充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和縝密的理論分析被原起草人駁回[7]，文獻(xiàn)[6]因觀點(diǎn)不是很明確沒有回應(yīng)。

JJG 229——2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》進(jìn)一步強(qiáng)化了原規(guī)程在設(shè)備和檢定方法方面的要求（7.3.4.3注：檢定AA級熱電阻時(shí)的電阻值必須在三相點(diǎn)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(shí)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(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：對于A級及以上等級鉑熱電阻必須用同一個(gè)電測設(shè)備重新測量才能滿足要求[3]。

針對國內(nèi)現(xiàn)狀及技術(shù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)，與被檢的工業(yè)鉑熱電阻同置于0℃和100℃溫度點(diǎn)附近的恒溫槽中，用比較法進(jìn)行檢定。

1.1 被檢等級及允差

Pt100各級鉑熱電阻在兩個(gè)溫度點(diǎn)的技術(shù)參數(shù)及允許偏差見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)及允許偏差

1.2 測量標(biāo)準(zhǔn)與儀器

選用在水三相點(diǎn)溫度（0.01℃）時(shí)標(biāo)稱電阻值Rtp為25 Ω的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為測量標(biāo)準(zhǔn)，為了分析方便，取參考函數(shù)值[8]見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(yù)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)的誤差值，℃；

Ri、Rh——被檢熱電阻在0℃、100℃點(diǎn)的測量值，Ω；

R0、R100——被檢熱電阻在0℃、100℃時(shí)的標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)。

從測量模型中可以看出，0℃點(diǎn)的輸入變量有：Ri、100℃點(diǎn)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(shí)間同一溫場條件下測得，故Ri和分別相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播率，0℃點(diǎn)和100℃點(diǎn)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（Δt）的形式[9]為

式中，0℃點(diǎn)各分量的靈敏系數(shù)為

影響測量結(jié)果的不確定度來源還有：測量重復(fù)性，恒溫槽的溫場，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的寄生電勢，被測電流引起的自熱等。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻因上級的證書中沒有作零工作電流修正，使用時(shí)與上一級檢定時(shí)的工作電流大小基本一致，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與上一級檢定時(shí)的溫場關(guān)系沒變，其自熱帶來的影響很小，可不予考慮。

2 0℃點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.1 被檢鉑電阻的測量重復(fù)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(gè)等級儀器值相同。

2.2 插孔間溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δti1)

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

估計(jì)相對不確定度為20%，則其自由度νi1=12。

2.3 轉(zhuǎn)換開關(guān)的寄生電勢引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δti2)

規(guī)程規(guī)定轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢≤1μV，對于工作電流為1mA的電阻測量的貢獻(xiàn)相當(dāng)于±1mΩ。

對標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻影響為

對被檢熱電阻影響為

兩項(xiàng)影響按均勻分布且相互獨(dú)立，則有：

估計(jì)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(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δti3)

電測儀器測量電阻時(shí)產(chǎn)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(jì)相對不確定度均為20%，則其自由度νi3=12。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

不同領(lǐng)域、不同系統(tǒng)之間的兼容性可能會(huì)影響智慧城市信息智能化的建設(shè)，解決問題的方法是實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化。建立統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大規(guī)模的資源整合，對加強(qiáng)智慧產(chǎn)業(yè)的聚集起著重要作用。

按規(guī)程要求[8，10]，一等標(biāo)準(zhǔn)裝置在水三相點(diǎn)處的復(fù)現(xiàn)性與上一級之差不超過U=4 mK，取k=2；二等標(biāo)準(zhǔn)在周期內(nèi)變化不超過U=10mK，取k=2。

估計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)系數(shù)

0℃點(diǎn)Ri、Ri*的相關(guān)系數(shù)由式（6）計(jì)算得：

2.8 合成標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

100℃點(diǎn)被檢鉑電阻的測量重復(fù)性u（Rha）取與0℃點(diǎn)的值相同，見表5。

溫場均勻性不超過0.01℃，溫度波動(dòng)使標(biāo)準(zhǔn)和被檢有不大于0.01℃的遲滯。均勻分布，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δth1）值見表5。

轉(zhuǎn)換開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)不確定度

估計(jì)相對不確定度為5%，則其自由度νwh*=100。

3.2 相關(guān)系數(shù)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果的擴(kuò)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(kuò)展不確定度U=kuc（Δt）[11]，計(jì)算得到檢定時(shí)自測值與使用證書值在用不同等級電測儀器時(shí)檢定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，見表6。可以看出前者比后者的檢定結(jié)果測量不確定度大30%～100%。

表6 檢定結(jié)果測量不確定度比較

表7 自測值時(shí)檢定結(jié)果測量不確定度與被檢允差比值

表7 自測值時(shí)檢定結(jié)果測量不確定度與被檢允差比值

電測等級 溫度點(diǎn)/℃測量結(jié)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(shí)檢定結(jié)果測量不確定度與被檢允差比值

表8 證書值時(shí)檢定結(jié)果測量不確定度與被檢允差比值

電測等級 溫度點(diǎn)/℃測量結(jié)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(jié)束語

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

[2]JJG 229—1998工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國計(jì)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]沈正宇.溫度測量不確定度評定[M].北京：中國計(jì)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(jì)量，2006（3）：24-25.

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

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

[8]JJG 160—2007標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)[S].北京：中國計(jì)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(zhì)檢出版社，2012.

[10]JJF 1178—2007用于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的固定點(diǎn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)量出版社，2007.

[11]葉德培.測量不確定度理解評定與應(yīng)用[M].北京：中國質(zhì)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(jì)量技術(shù)研究。