低温热敏电阻温度计校准装置不确定度的评定

董 雪，杨晓阳，兰玉岐

（北京航天试验技术研究所，北京，100074）

0 引言

计量标准的不确定度是衡量计量检定工作可靠性的重要指标，也是衡量被检器具溯源结果的主要依据。火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置是国内研制的深冷控温系统，依照国家、航天标准建立的一套校准火箭发动机用热敏电阻温度计的测量系统。根据业务特点，需建立校准低温热敏电阻温度计的国防计量标准，以满足试验用需求，本文根据国家相关规范[1－3]，对火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置的不确定度进行分析与评定，给出了扩展不确定度，为通过计量标准考核提供了有力的数据支持。

1 不确定度的定义及来源

测量结果的不确定度是对测量结果的不可信程度或对测量结果有效性的怀疑程度[4]。测量不确定度一般分为两大类：用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为A类评定；用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为B类评定[5]。它们都可以用实验标准偏差或方差来表征。

热敏电阻温度计具有灵敏度高、稳定性强、工作温区广、体积小、使用方便等优点，早在20世纪70年代初期就已广泛应用于我国航天领域[6-7]。MF5602型负温度系数热敏电阻元件采用传统工艺生产的氧化物复合陶瓷珠粒电阻，测温区间可覆盖20～50 K，主要用于航天领域低温介质的温度测量和液位测量[8-10]。

利用对MF5602型负温度系数热敏电阻元件的一系列试验数据对火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置的不确定度进行分析。其中对于MF5602型负温度系数热敏电阻元件测量结果不确定度的来源，有以下影响因素：

1）标准器（标准套管铂电阻温度计）引入的不确定度；

2）标准器（标准套管铂电阻温度计）的电测设备引入的不确定度；

3）被检热敏元件电测设备引入的不确定度；

4）低温恒温器温度波动带来的影响引入的不确定度；

5）低温恒温器温度不均匀带来的影响引入的不确定度；

6）数据拟合引入的不确定度。

2 不确定度的评定

2.1 MF5602型负温度系数热敏电阻元件测量结果不确定度分量的评定

根据6个影响测量MF5602型负温度系数热敏电阻元件结果的不确定度的来源来分别对各分量作出评定。

2.1.1 主标准器引入的不确定度u1

根据规范的要求，工作基准传递引入的不确定度分量可用B类方法评定，采用标准套管铂电阻温度计作为主标准器，由检定证书知，在13.803 3～273.160 K温度范围内，其扩展不确定度：U=10 mK（k=2，p=0.95）。

则相应的标准不确定度为：

2.1.2 主标准器的电测设备引入的不确定度u2

采用美国FLUKE公司1590超级电阻测温仪测量主标准器的电阻值，在0 Ω～25 Ω输入，采用10 Ω的内部参考电阻和1 mA的测试电流时，电阻准确度为0.000 15 Ω。对于主标准器来讲在温度77 K～120 K范围内dT/dR值变化很小。取dT/dR最大值做不确定度评定，电阻测量标准不确定度为（按均匀分布）：

2.1.3 校准MF5602型热敏电阻元件的电测设备引入的不确定度u3

MF5602型负温度系数热敏电阻元件测量范围为20～50 K，相对灵敏度为10%。采用美国FLUKE公司1590超级电阻测温仪及2590扫描开关测量标准套管铂电阻温度计（主标准器）的电阻值，在100 Ω～500 kΩ输入，采用10 kΩ的内部参考电阻和0.002 mA的测试电流时，电阻准确度为120×10-6。考虑到校准过程中采用的最小测试电流为0.001 mA，故计算时假设在测试电流为0.001 mA比测试电流在0.002 mA时电阻准确度降低10倍，测试电阻测量不确定度为（按均匀分布）：

2.1.4 低温恒温器温度波动带来的影响引入的不确定度u4

由测试得知，低温恒温器在20～50 K之间在典型点的最大温度波动度分别为±3 mK/30 min，实际分度过程中采用±20 mK做不确定度评定。则温度波动引入的不确定度为：

2.1.5 低温恒温器温度不均匀带来的影响引入的不确定度u5

根据低温恒温器的设计原理、使用经验及检定证书得知低温恒温器最大温差小于5 mK，按均匀分布计算，因此温度不均匀引入的不确定度为：

2.1.6 数据拟合引入的不确定度u6

在热敏元件的校准过程中，需在一系列温度点上与标准温度计做比较测量，测量的温度值和电阻值数据，采用5次方的最小二乘法拟合，公式为：

由编号为142的MF5602型负温度系数热敏电阻元件测量值求出的电阻、温度和电阻灵敏度值如表1所示。

表1 MF5602在各温度点的电阻值、温度计算值和电阻灵敏度Tab.1 Values of resistance,temperature and resistance sensitivity of MF5602 at each temperature point

利用最小二乘法公式拟合出的标准偏差作为数据拟合引入的不确定度：

考虑到在实际测量过程中，拟合偏差会因所取测量点的数量和测量点间的温度差异程度、实测结果和拟合方程次数而有所改变，因此在实际评定过程中可将此不确定度分量稍做扩大，因此可取u6=8 mK

对影响测量MF5602型负温度系数热敏电阻元件的结果的6个不确定度分量作出评定，如表2所示。

2.2 MF5602型负温度系数热敏电阻元件合成标准不确定度的评定

由6个不确定度分量可以得出合成标准不确定度为：

2.3 MF5602型负温度系数热敏电阻元件扩展不确定度的评定

在测量中始终存在误差，当系统误差做了修正，但误差仍然存在，测量结果的置信概率一般取值为95%，则置信因子k＝2。那么火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置总不确定度为：

3 结论

对火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置进行了不确定度的分析和评定，认为主标准器、主标准器以及被检温度传感器的电测设备、低温恒温器的温度波动度及不均匀性、数据拟合等对不确定度的影响较大。火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置的测量结果不确定度为30 mK，满足火箭发动机试验过程中对热敏电阻温度计校准的技术要求。综上所述，北京航天试验技术研究所建立的火箭发动机用低温热敏电阻温度计校准装置的测量不确定度符合考核评审要求，可以进行重复性和稳定性的评定，并进一步验证，建立国防计量标准。

[1]国家质量技术监督局.JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出版社,1999.

[2]国家质量监督检验检疫总局.JJF1094-2002测量仪器特性评定[S].北京：中国计量出版社,2003.

[3]国家质量监督检验检疫总局.JJF1170－2007负温度系数低温电阻温度计校准规范 [S].北京：中国计量出版社,2007.

[4]龙包庚.国防计量标准的建立运行与考核指南[M].北京:中国计量出版社,2003.

[5]林景星,陈丹英.计量基础知识[M].北京:中国标准出版社,2005.

[6]王忠兵,吴蕾,赵肃莹,等.掺杂对Ni-Mn-O系NTC热敏陶瓷及其电学性能的影响 [J].硅酸盐学报,2009(6):927-931.

[7]HOGE H J.Useful procedure in least squaresm and tests of some equations for thermistors［J］.Review of Scientific Instrument,1988,59(11):975-979.

[8]兰玉岐,妥万禄,常爱民,等.SrCoO3-δ陶瓷材料的导电机理和低温热敏特性 [J].电子元件与材料,2006,(10):44-46.

[9]中华人民共和国电子行业军用标准.SJ 50601/1-1998 MF5602型、MF5604型低温热敏电阻器详细规范 [S].北京：中国计量出版社,1998.

[10]兰玉岐,姜迎春,陈光明,等.MF5602型低温热敏电阻计的特性研究[J].低温工程,2011(4):57-59.

[11]芳侠,邵坤鹏,刘迪.计量标准测量过程的统计控制的应用[J].电子设计工程,2011,19(17):84-87.

[12]张晓光,刘艳,艾澜,等.通信开关电源的电磁兼容性[J].现代电子技术,2011,34(20):187-189.