工业热电阻检定装置标准器的优选验证

2017-05-30付志勇陈桂生赵晶朱育红廖艳李福洪

中国测试 2017年12期

付志勇陈桂生赵晶朱育红廖艳李福洪

摘要：针对如何科学经济地减小工业热电阻检定装置检定结果的不确定度，提高工业热电阻检定结果的可信度问题进行试验验证研究。该试验的主要目的是验证不同规格型号标准铂电阻温度计对检定结果偏差影响的大小。试验结果表明：使用Rtp标称值100 Ω的标准温度计，用上级证书Rtp值检定可以大幅减小检定结果的示值误差。既提高检定结果的可信度，又可降低检定装置对电测仪器在测量准确度与线性方面的要求，比使用Rtp标称值25 Ω的标准温度计具有明显的优越性。

关键词：温度计量；检定规程；热电阻；标准铂电阻温度计；水三相点；检定方法；误差

文献标志码：A 文章编号：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

近年来，本课题组针对在各行业温度测量控制中广泛使用的工业热电阻传感器的检定方法问题进行了研究[1-9]。其研究回顾了数十年来国家检定规程规定的检定方法[10-12]和国内不少专业论著[13-21]对该方法正确性论证的论点和论据，同时回顾了近十年来国内资深专家对该检定方法提出的质疑[22-23]。

研究就检定规程规定工业铂热电阻检定时，采用操作者先自行给标准铂电阻温度计赋Rtp值（用本级标准的仪器设备测量取得标准铂电阻的Rtp值替代上级证书值），再用自赋值的标准铂电阻完成工业铂热电阻检定的方法进行了深入的分析。研究分别采用不确定度评估、误差分析计算、测量模型变化分析及实验室实际试验验证等方法进行论证，理论分析和试验验证的结果都证明：在普通工业热电阻检定装置上，用自测标准Rtp值法检定工业热电阻，增加的结果偏差比用上级证书值检定的结果偏差要大得多，这与规程规定方法的依据和初衷恰恰相反。

前述研究工作分析和验证了既保证工业铂热电阻检定结果准确可靠，又大幅降低检定装置的设备投入费用，提高检定工作效率的正确检定方法。在论证了工业铂热电阻正确检定方法的基础上[2]，文献[3]提出并论证了在不增加标准装置设备成本的情况下进一步减小检定结果不确定度的方法。工业铂热电阻是中低温段准确测量温度的首选传感器，提高和保證其量值的准确性具有重要的实际意义，该项工作的进一步研究验证对于保证工业温度计量的准确可靠同样具有一定的经济和社会价值。

本文研究工作的主要目的是通过实验证明标准铂电阻温度计规格型号的选择对工业热电阻检定结果的影响。验证实验采用两支不同规格的标准器和多支被检样品，两台不同准确度等级的测量设备，分别以比较测量方法完成对被检样品的检定测量。用本次实验的两组实际实验数据结果及以前研究的相关数据相互比较，说明正确选用测量方法和选择适当规格标准器，可降低标准装置测量设备的技术要求和减小检定结果的误差水平。

1 试验方法

目前，国内工业热电阻检定装置使用二等标准铂电阻温度计作标准。标准铂电阻的Rtp标称值分别是25 Ω和100 Ω的两种型号，使用Rtp标称值是25 Ω的标准铂电阻占绝大多数。检定Pt100工业铂热电阻时，标准器Rtp值采用在上级标准装置上检定时签发的证书值，使用何种标准铂电阻温度计作标准可以减小检定结果的误差，提高检定结果的可信度，还可降低标准装置对电测仪器在准确度方面的要求，通过实验室测量试验也可得出明确结果。

1.1 测量模型

规程规定工业铂热电阻的检定方法是把标准器与被检工业铂热电阻同置于0 ℃和100 ℃温度点附近的恒定温度槽中，用比较法完成检定。

0 ℃点被检样品的温度示值偏差为

Δt0=■-（■-WS0）/（dWSt/dt）t=0

（1）

100 ℃点被检样品的温度示值偏差为

Δt100=■-（■-WS 100）/（dWSt/dt）t=100

（2）

式中：Δt0、Δt100——被检样品在0 ℃、100 ℃点的示值偏差值，℃；

Ri、Rh——被检样品在0 ℃、100 ℃点的测量值，Ω；

R*i、R*h——标准铂电阻在0 ℃、100 ℃点的测量值，Ω；

Rtp——标准铂电阻温度计证书值，Ω；

R0、R100——被检样品在0 ℃、100 ℃时的标称值，分别为100.00，138.51 Ω；

WS0、WS 100——标准铂电阻在0 ℃、100 ℃时与水三相点温度时的电阻比；

（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100——被检样品电阻对温度的变化率，分别为0.390 83，0.379 28 Ω/℃；

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

1.2 试验条件

试验使用两支标准铂电阻温度计，Rtp标称值25 Ω和100 Ω的标准铂电阻各一支，同时对多支被检样品进行比较测量分度，用以克服因为单支标准或被检样品参数单一致使检定结果的数据缺乏互相印证，提高试验结果的可信度。试验时使用一台低温槽和一台恒温油槽提供0 ℃点、100 ℃点的比较测量温场。

1.2.1 电测仪器

试验选用的两台不同准确度的电测仪器与文献[1]相同，一台高精密测温仪（编号：A93463#），其测量准确度约为±5×10-6；一台六位半数字多用表（编号：1355872#），其测量准确度经实测约相当于工业铂热电阻检定规程规定的0.02级（±0.02%R±0.00X%F）水平。

1.2.2 标准器

试验使用了两支标准铂电阻温度计，一支编号12085#的Rtp标称值是25 Ω的温度计，另一支编号01267#的Rtp标称值是100 Ω的温度计。两支温度计由上一级标准装置检定的证书参数数据见表1。

1.2.3 试验样品

工业各领域温度测量控制中最常用的温度传感器是Pt100型工业铂热电阻，本实验使用4支四线制Pt100型工业铂热电阻，被检工业铂热电阻的编号分别为10#、11#、13#、14#。

2 测量数据

试验时根据各设备的使用条件要求及规程的规定进行准备和操作。在电测仪器经过预热校零，各温度点槽的温场稳定后，分别巡回快速读取各标准铂电阻温度计和工业铂热电阻的数据，取多次测量的平均值列于表2、表3。

3 试验结果的计算与分析

按照标准铂电阻温度计直接使用上级检定证书值的检定方法分别进行数据处理，把被检样品和标准温度计的各项数据代入式（1）、式（2），计算得到在各温度点的检定结果。

3.1 被检结果的示值偏差

按式（1）、式（2）计算得到用两种不同准确度测量仪器测量和两支不同规格型号标准温度计作标准时的各个被检样品检定结果的示值偏差。把被检样品的温度示值偏差按测量仪器准确度及标准器规格型号整理列表，用A93463#仪器测量得到的示值偏差列于表4、表5，用1355872#仪器测量得到的示值偏差列于表6、表7。

3.2 两种标准的检定结果比较

从文献[1]的试验分析结果可知，由于A93463#仪器测量准确度高，用其测量时两种检定方法检定结果的数值相近，检定结果的准确性都比用1355872#仪器（准确度较低：±0.02%R±0.00X%F）测量的检定结果高得多。以表4、表5中A93463#仪器检定结果作为被检样品的参考值，使用1355872#仪器测量，两种不同型号的标准温度计作标准，在检定结果中增加的示值偏差平均值列于表8、表9。

文献[1]的试验结果已经证实，在工业热电阻检定装置上，以普通准确度等级的仪器（如1355872#）测量，Rtp标称值25 Ω的铂电阻作标准时，用上级证书值法在检定结果中增加的偏差是重测Rtp法在检定结果中增加的偏差的1/5以下。从表8、表9中两种标准器对检定结果偏差的影响可以看出：同样的测量仪器条件下，在用上级证书值法使被检样品检定结果的偏差减小的基础上，使用Rtp标称值100 Ω的鉑电阻作标准时，测量仪器的误差对被检样品的检定结果的偏差值影响又进一步降低。

4 试验结果与理论分析评估结果比较

以不确定度评定、误差分析计算和实验室试验验证3种方法，就工业热电阻检定装置检定中的不同检定方法、测量仪器准确度水平变化及标准铂电阻温度计规格型号不同对检定结果的影响进行了研究论证。现把文献[1-3，9]和本文中采用测量准确度在±（0.02%R+0.00X%F）（准确度水平略有差别）水平的电测仪器测量的检定结果列出，以便于讨论论证结果的可信程度，见表10～表12。

表10中试验验证的数据结果是与另一个准确度高约两个量级（±5×10-6）的仪器测量时检定结果的差值，多支被检样品的实验室试验结果的偏差值略小于不确定度评估的结果，因为实验时实际误差值正好符合某种准确度等级的仪器不容易找到，用于实验比较的仪器误差要大于0.02级，实验结果的偏差值也稍大一点，这正好说明理论论证所用不确定度评定方法是正确的，试验验证结果也是准确合理可信的。表中误差分析计算结果可以看出，测量仪器测量误差的贡献在检定结果不确定度中所占的份量很大。

比较表11与表10中的数据可以看出，3种论证方法都证明，在同样检定条件下，用标准铂电阻温度计的上级证书Rtp值参与检定数据的计算处理比用自测Rtp值参与检定数据的计算处理的结果不确定度大幅减小。试验验证的结果比其他两种结果减小明显，是由于试验用测量仪器的非线性误差比理论分析时选取的要小得多；测量仪器的误差贡献由于检定方法的改善使其大幅降低，其他随机因素显现较大影响，试验验证的数据结果又是与另一高准确度仪器检定结果的差值，随机影响量可能也抵消一部分。

从表12中测量仪器准确性影响的误差分析计算结果看出，使用标称值100 Ω（Rtp）标准铂电阻温度计作标准器，标准温度计用上级证书Rtp值时测量仪器测量误差对检定结果的影响比用自测Rtp值时极大地减小；同样比使用标称值25 Ω（Rtp）标准温度计时测量仪器测量误差对检定结果的影响也极大地减小；这意味着使用标称值100 Ω（Rtp）标准温度计作标准可降低标准装置对测量仪器准确度的要求。从表中可进一步看出，由于仪器误差分量影响的极大减小，检定结果的不确定度大幅减小，本试验验证结果的偏差在表11中大幅减小的基础上又进一步减小。

从数据结果的比较情况可以看出，文献[1-9]和本文中的理论分析及试验验证的方法和过程是科学合理的，研究结论是准确可信的。

5 结束语

在工业热电阻检定时，使用标称Rtp为100 Ω的标准铂电阻温度计作标准，采用上级证书Rtp值法检定可以大幅减小检定结果的不确定度，提高检定结果的可信度，还可降低检定装置对电测仪器在测量准确度与线性方面的要求，比使用标称Rtp为25 Ω的标准铂电阻温度计作标准具有优越性。

参考文献

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