工业铂热电阻不同检定方法检定结果可信度研究

陈桂生，付志勇，朱育红，赵 晶，杨 锐

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

工业铂热电阻不同检定方法检定结果可信度研究

陈桂生，付志勇，朱育红，赵 晶，杨 锐

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

根据JJG 229——2010《工业铂、铜热电阻》规定的技术条件，在标准铂电阻温度计采用自测值和直接引用上级证书值时，对使用3个不同等级电测仪器的测量结果进行评定。评定数据结果表明：在相同测量条件下，自测值检定结果的不确定度比用上级证书值的检定结果不确定度大30%～100%，自测值并没有减小检定结果不确定度。

工业铂热电阻；检定；标准铂电阻；电测仪器；水三相点；不确定度

0 引 言

工业铂热电阻具有性能稳定、灵敏度高、准确度高等优点，是进行中低温高准确度测量的首选温度传感器，使用领域广泛。铂热电阻量值准确度直接影响温度测量控制水平和产品品质，具有重要的实际意义。

目前评判工业铂热电阻示值误差的技术依据是相关检定规程《工业铂、铜热电阻》，该规程从1987年修订版[1]、1998年修订版[2]到现行的2010年版[3]，各版本中除使用的检定设备因技术的更替略有变化外，其检定方法没有大的变化。

文献[4]对JJG 229——1998《工业铂、铜热电阻》进行了不确定度论证。文献[5]指出原“规程给出的标准器与配套设备，技术指标过高、设备庞大、检定方法过繁。结果导致检定时间长、效率低、成本高……”。文献[6]指出原规程“检定工业A级铂电阻温度计时非常麻烦，主要体现在水三相点瓶的操作使用上。通过标准不确定度分量贡献分析，电测设备影响最大。如果不用水三相点瓶，直接引用上级检定部门给出的值进行计算，则要求提高电测设备的准确度。但是不使用水三相点瓶而直接引用上级标准给出的二等标准铂电阻温度计的值进行计算，将会带来极大的误判风险”。文献[5]由于缺少充分的实验数据和缜密的理论分析被原起草人驳回[7]，文献[6]因观点不是很明确没有回应。

JJG 229——2010《工业铂、铜热电阻》进一步强化了原规程在设备和检定方法方面的要求（7.3.4.3注：检定AA级热电阻时的电阻值必须在三相点瓶中用电测仪器重新测量，有利于改善测量不确定度（检定A级热电阻时如果使用0.02级测量仪器，必须重测才能满足测量不确定度的要求））[3]。在规程的附录E的不确定度评估论证后又进一步强调：对于A级及以上等级铂热电阻必须用同一个电测设备重新测量才能满足要求[3]。

针对国内现状及技术水平，有必要对规程中工业铂热电阻不同检定方法的可信度进行研究评定。

1 检定方法与测量模型

规程规定工业铂热电阻的检定是以二等标准铂电阻温度计作标准，与被检的工业铂热电阻同置于0℃和100℃温度点附近的恒温槽中，用比较法进行检定。

1.1 被检等级及允差

Pt100各级铂热电阻在两个温度点的技术参数及允许偏差见表1。

表1 技术参数及允许偏差

1.2 测量标准与仪器

选用在水三相点温度（0.01℃）时标称电阻值Rtp为25 Ω的二等标准铂电阻温度计为测量标准，为了分析方便，取参考函数值[8]见表2。

表2 标准铂电阻温度计的参考函数值

测量仪器为数字多用表，使用其四线电阻测量功能，测量范围0～200Ω，分辨力0.1mΩ，工作电流1mA，测量前仪器预热并校正零位，取各等级测量仪器允许误差见表3。

1.3 测量模型

根据规程，0℃点被检热电阻温度测量误差的测量模型为

表3 仪器等级及允许误差

100℃点被检热电阻温度测量误差的测量模型为

式中：Δt0、Δt100——被检热电阻在0℃、100℃时的误差值，℃；

Ri、Rh——被检热电阻在0℃、100℃点的测量值，Ω；

R0、R100——被检热电阻在0℃、100℃时的标称值，Ω；

（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100——被检热电阻的电阻对温度的变化率，Ω/℃；

（dWtS/dt）t=0、（dWtS/dt）t=100——标准铂电阻的电阻比对温度的变化率。

R0、R100是常数，（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100、（dWtS/dt）t=0、（dWtS/dt）t=100可看作近似常数，带来的不确定度很小，可以忽略不计。

从测量模型中可以看出，0℃点的输入变量有：Ri、100℃点的输入变量有

对测量模型式（1）全微分得：

Ri和是用同一台仪器分别在同一时间同一温场条件下测得，故Ri和分别相关，根据不确定度传播率，0℃点和100℃点合成标准不确定度uc（Δt）的形式[9]为

式中，0℃点各分量的灵敏系数为

影响测量结果的不确定度来源还有：测量重复性，恒温槽的温场，多路转换开关的寄生电势，被测电流引起的自热等。标准铂电阻因上级的证书中没有作零工作电流修正，使用时与上一级检定时的工作电流大小基本一致，标准温度计与上一级检定时的温场关系没变，其自热带来的影响很小，可不予考虑。

2 0℃点的标准不确定度评定

2.1 被检铂电阻的测量重复性u（Ria)

u（Ria）值取规程附录中的值[3]，即：

因其值不大，为了便于比较，取3个等级仪器值相同。

2.2 插孔间温差引入的标准不确定度u（Δti1)

冰点槽插孔之间的温场均匀性不超过0.005℃；检定中温度波动≤±0.005℃/10 min，设两者均服从均匀分布

估计相对不确定度为20%，则其自由度νi1=12。

2.3 转换开关的寄生电势引入的标准不确定度u（Δti2)

规程规定转换开关寄生电势≤1μV，对于工作电流为1mA的电阻测量的贡献相当于±1mΩ。

对标准铂电阻影响为

对被检热电阻影响为

两项影响按均匀分布且相互独立，则有：

估计相对不确定度为20%，则其自由度νi2=12。

2.4 被检自热引入的标准不确定度u（Δti3)

电测仪器测量电阻时产生1 mA的工作电流，对感温元件有约2mΩ的影响[3]。作均匀分布处理，

估计相对不确定度均为20%，则其自由度νi3=12。

2.5 标准铂电阻引入的标准不确定度

不同领域、不同系统之间的兼容性可能会影响智慧城市信息智能化的建设，解决问题的方法是实行标准化。建立统一的产业规范和标准进行大规模的资源整合，对加强智慧产业的聚集起着重要作用。

按规程要求[8，10]，一等标准装置在水三相点处的复现性与上一级之差不超过U=4 mK，取k=2；二等标准在周期内变化不超过U=10mK，取k=2。

估计相对不确定度为10%，则其自由度νtp=50。

2.6 仪器测量引入的标准不确定度

测量仪器等级与允差同表3，不确定度区间半宽为允差，按均匀分布处理见表4。

2.7 相关系数

0℃点Ri、Ri*的相关系数由式（6）计算得：

2.8 合成标准不确定度

各不确定度分量汇总见表4，表中数据代入式（5）得到Δt0在不同测量条件下的合成标准不确定度uc（Δt0）。

表4 0℃测量的不确定度汇总

0.005 级仪器：uc（Δt0）=14.40mK

0.01 级仪器：uc（Δt0）=24.98mK

0.02 级仪器：uc（Δt0）=47.99mK

0.005 级仪器：uc（Δt0）=11.31mK

0.01 级仪器：uc（Δt0）=15.45mK

0.02 级仪器：uc（Δt0）=26.11mK

3 100℃点的标准不确定度评定

100℃点被检铂电阻的测量重复性u（Rha）取与0℃点的值相同，见表5。

温场均匀性不超过0.01℃，温度波动使标准和被检有不大于0.01℃的迟滞。均匀分布，标准不确定度u（Δth1）值见表5。

转换开关引入的u（Δth2）、被检自热引入的u（Δth3）、电测仪器引入的见表5。

3.1引入的标准不确定度

估计相对不确定度为5%，则其自由度νwh*=100。

3.2 相关系数

3.3 合成标准不确定度

各不确定度分量汇总见表5，表中数据代入式（5）得到Δt100在不同测量条件下的合成标准不确定度uc（Δt100）。

0.005 级仪器：uc（Δt100）=20.99mK

表5 100℃测量的不确定度汇总

0.01 级仪器：uc（Δt100）=35.05mK

0.02 级仪器：uc（Δt100）=66.40mK

0.005 级仪器：uc（Δt100）=16.62mK

0.01 级仪器：uc（Δt100）=20.86mK

0.02 级仪器：uc（Δt100）=32.69mK

4 检定结果的扩展不确定度及数据比较

按包含概率约为95%，取包含因子k=2，扩展不确定度U=kuc（Δt）[11]，计算得到检定时自测值与使用证书值在用不同等级电测仪器时检定结果的扩展不确定度，见表6。可以看出前者比后者的检定结果测量不确定度大30%～100%。

表6 检定结果测量不确定度比较

表7 自测值时检定结果测量不确定度与被检允差比值

表7 自测值时检定结果测量不确定度与被检允差比值

电测等级 温度点/℃测量结果不确定度/被检各级允差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不确定度（k=2)/mK

表8 证书值时检定结果测量不确定度与被检允差比值

表8 证书值时检定结果测量不确定度与被检允差比值

电测等级 温度点/℃测量结果不确定度/被检各级允差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不确定度（k=2)/mK

5 结束语

[1]JJG 229—1987工业铂、铜热电阻[S].北京：中国计量出版社，1987.

[2]JJG 229—1998工业铂、铜热电阻[S].北京：中国计量出版社，1998.

[3]JJG 229—2010工业铂、铜热电阻[S].北京：中国质检出版社，2010.

[4]沈正宇.温度测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2006：84-93.

[5]宋德华，宋涛.对JJG 229—1998检定规程的修改建议[J].中国计量，2006（3）：24-25.

[6]何建华，何欣，刘英茂，等.关于JJG 229—1998检定规程再探讨[J].中国计量，2008（10）：101-102.

[7]宋年兰.关于“对JJG 229—1998检定规程的修改建议”的几点看法[J].中国计量，2008（2）:115-116.

[8]JJG 160—2007标准铂电阻温度计[S].北京：中国计量出版社，2007.

[9]JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国质检出版社，2012.

[10]JJF 1178—2007用于标准铂电阻温度计的固定点装置校准规范[S].北京：中国计量出版社，2007.

[11]叶德培.测量不确定度理解评定与应用[M].北京：中国质检出版社，2013：90-101.

Study on credibility of industrial platinum resistance measurement results of different verification methods

CHEN Gui-sheng，FU 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

陈桂生（1953-），男，山东东明县人，研究员，主要从事温度计量技术研究。