付志勇 陳桂生 趙晶 朱育紅 廖艷 李福洪

摘 要：針對(duì)如何科學(xué)經(jīng)濟(jì)地減小工業(yè)熱電阻檢定裝置檢定結(jié)果的不確定度，提高工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的可信度問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證研究。該試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證不同規(guī)格型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)檢定結(jié)果偏差影響的大小。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用Rtp標(biāo)稱(chēng)值100 Ω的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，用上級(jí)證書(shū)Rtp值檢定可以大幅減小檢定結(jié)果的示值誤差。既提高檢定結(jié)果的可信度，又可降低檢定裝置對(duì)電測(cè)儀器在測(cè)量準(zhǔn)確度與線性方面的要求，比使用Rtp標(biāo)稱(chēng)值25 Ω的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)具有明顯的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：溫度計(jì)量；檢定規(guī)程；熱電阻；標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)；水三相點(diǎn)；檢定方法；誤差

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，本課題組針對(duì)在各行業(yè)溫度測(cè)量控制中廣泛使用的工業(yè)熱電阻傳感器的檢定方法問(wèn)題進(jìn)行了研究[1-9]。其研究回顧了數(shù)十年來(lái)國(guó)家檢定規(guī)程規(guī)定的檢定方法[10-12]和國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)業(yè)論著[13-21]對(duì)該方法正確性論證的論點(diǎn)和論據(jù)，同時(shí)回顧了近十年來(lái)國(guó)內(nèi)資深專(zhuān)家對(duì)該檢定方法提出的質(zhì)疑[22-23]。

研究就檢定規(guī)程規(guī)定工業(yè)鉑熱電阻檢定時(shí)，采用操作者先自行給標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)賦Rtp值（用本級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的儀器設(shè)備測(cè)量取得標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的Rtp值替代上級(jí)證書(shū)值），再用自賦值的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻完成工業(yè)鉑熱電阻檢定的方法進(jìn)行了深入的分析。研究分別采用不確定度評(píng)估、誤差分析計(jì)算、測(cè)量模型變化分析及實(shí)驗(yàn)室實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證等方法進(jìn)行論證，理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果都證明：在普通工業(yè)熱電阻檢定裝置上，用自測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Rtp值法檢定工業(yè)熱電阻，增加的結(jié)果偏差比用上級(jí)證書(shū)值檢定的結(jié)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(yàn)證了既保證工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，又大幅降低檢定裝置的設(shè)備投入費(fèi)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(chǔ)上[2]，文獻(xiàn)[3]提出并論證了在不增加標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)備成本的情況下進(jìn)一步減小檢定結(jié)果不確定度的方法。工業(yè)鉑熱電阻是中低溫段準(zhǔn)確測(cè)量溫度的首選傳感器，提高和保證其量值的準(zhǔn)確性具有重要的實(shí)際意義，該項(xiàng)工作的進(jìn)一步研究驗(yàn)證對(duì)于保證工業(yè)溫度計(jì)量的準(zhǔn)確可靠同樣具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

本文研究工作的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)規(guī)格型號(hào)的選擇對(duì)工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的影響。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用兩支不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)器和多支被檢樣品，兩臺(tái)不同準(zhǔn)確度等級(jí)的測(cè)量設(shè)備，分別以比較測(cè)量方法完成對(duì)被檢樣品的檢定測(cè)量。用本次實(shí)驗(yàn)的兩組實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及以前研究的相關(guān)數(shù)據(jù)相互比較，說(shuō)明正確選用測(cè)量方法和選擇適當(dāng)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)器，可降低標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量設(shè)備的技術(shù)要求和減小檢定結(jié)果的誤差水平。

1 試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)熱電阻檢定裝置使用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的Rtp標(biāo)稱(chēng)值分別是25 Ω和100 Ω的兩種型號(hào)，使用Rtp標(biāo)稱(chēng)值是25 Ω的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻占絕大多數(shù)。檢定Pt100工業(yè)鉑熱電阻時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器Rtp值采用在上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢定時(shí)簽發(fā)的證書(shū)值，使用何種標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)可以減小檢定結(jié)果的誤差，提高檢定結(jié)果的可信度，還可降低標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)電測(cè)儀器在準(zhǔn)確度方面的要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量試驗(yàn)也可得出明確結(jié)果。

1.1 測(cè)量模型

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

0 ℃點(diǎn)被檢樣品的溫度示值偏差為

Δt0=■-（■-WS0）/（dWSt/dt）t=0

（1）

100 ℃點(diǎn)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(diǎn)的示值偏差值，℃；

Ri、Rh——被檢樣品在0 ℃、100 ℃點(diǎn)的測(cè)量值，Ω；

R*i、R*h——標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在0 ℃、100 ℃點(diǎn)的測(cè)量值，Ω；

Rtp——標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)證書(shū)值，Ω；

R0、R100——被檢樣品在0 ℃、100 ℃時(shí)的標(biāo)稱(chēng)值，分別為100.00，138.51 Ω；

WS0、WS 100——標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在0 ℃、100 ℃時(shí)與水三相點(diǎn)溫度時(shí)的電阻比；

（dR/dt）t=0、（dR/dt）t=100——被檢樣品電阻對(duì)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(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的電阻比對(duì)溫度的變化率。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用兩支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，Rtp標(biāo)稱(chēng)值25 Ω和100 Ω的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻各一支，同時(shí)對(duì)多支被檢樣品進(jìn)行比較測(cè)量分度，用以克服因?yàn)閱沃?biāo)準(zhǔn)或被檢樣品參數(shù)單一致使檢定結(jié)果的數(shù)據(jù)缺乏互相印證，提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度。試驗(yàn)時(shí)使用一臺(tái)低溫槽和一臺(tái)恒溫油槽提供0 ℃點(diǎn)、100 ℃點(diǎn)的比較測(cè)量溫場(chǎng)。

1.2.1 電測(cè)儀器

試驗(yàn)選用的兩臺(tái)不同準(zhǔn)確度的電測(cè)儀器與文獻(xiàn)[1]相同，一臺(tái)高精密測(cè)溫儀（編號(hào)：A93463#），其測(cè)量準(zhǔn)確度約為±5×10-6；一臺(tái)六位半數(shù)字多用表（編號(hào)：1355872#），其測(cè)量準(zhǔn)確度經(jīng)實(shí)測(cè)約相當(dāng)于工業(yè)鉑熱電阻檢定規(guī)程規(guī)定的0.02級(jí)（±0.02%R±0.00X%F）水平。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)器

試驗(yàn)使用了兩支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，一支編號(hào)12085#的Rtp標(biāo)稱(chēng)值是25 Ω的溫度計(jì)，另一支編號(hào)01267#的Rtp標(biāo)稱(chēng)值是100 Ω的溫度計(jì)。兩支溫度計(jì)由上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定的證書(shū)參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.2.3 試驗(yàn)樣品

工業(yè)各領(lǐng)域溫度測(cè)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(shí)驗(yàn)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(hào)分別為10#、11#、13#、14#。

2 測(cè)量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)時(shí)根據(jù)各設(shè)備的使用條件要求及規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備和操作。在電測(cè)儀器經(jīng)過(guò)預(yù)熱校零，各溫度點(diǎn)槽的溫場(chǎng)穩(wěn)定后，分別巡回快速讀取各標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和工業(yè)鉑熱電阻的數(shù)據(jù)，取多次測(cè)量的平均值列于表2、表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算與分析

按照標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)直接使用上級(jí)檢定證書(shū)值的檢定方法分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把被檢樣品和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），計(jì)算得到在各溫度點(diǎn)的檢定結(jié)果。

3.1 被檢結(jié)果的示值偏差

按式（1）、式（2）計(jì)算得到用兩種不同準(zhǔn)確度測(cè)量?jī)x器測(cè)量和兩支不同規(guī)格型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的各個(gè)被檢樣品檢定結(jié)果的示值偏差。把被檢樣品的溫度示值偏差按測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度及標(biāo)準(zhǔn)器規(guī)格型號(hào)整理列表，用A93463#儀器測(cè)量得到的示值偏差列于表4、表5，用1355872#儀器測(cè)量得到的示值偏差列于表6、表7。

3.2 兩種標(biāo)準(zhǔn)的檢定結(jié)果比較

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

文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，在工業(yè)熱電阻檢定裝置上，以普通準(zhǔn)確度等級(jí)的儀器（如1355872#）測(cè)量，Rtp標(biāo)稱(chēng)值25 Ω的鉑電阻作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用上級(jí)證書(shū)值法在檢定結(jié)果中增加的偏差是重測(cè)Rtp法在檢定結(jié)果中增加的偏差的1/5以下。從表8、表9中兩種標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)檢定結(jié)果偏差的影響可以看出：同樣的測(cè)量?jī)x器條件下，在用上級(jí)證書(shū)值法使被檢樣品檢定結(jié)果的偏差減小的基礎(chǔ)上，使用Rtp標(biāo)稱(chēng)值100 Ω的鉑電阻作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量?jī)x器的誤差對(duì)被檢樣品的檢定結(jié)果的偏差值影響又進(jìn)一步降低。

4 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析評(píng)估結(jié)果比較

以不確定度評(píng)定、誤差分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)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(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度水平變化及標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)規(guī)格型號(hào)不同對(duì)檢定結(jié)果的影響進(jìn)行了研究論證?，F(xiàn)把文獻(xiàn)[1-3，9]和本文中采用測(cè)量準(zhǔn)確度在±（0.02%R+0.00X%F）（準(zhǔn)確度水平略有差別）水平的電測(cè)儀器測(cè)量的檢定結(jié)果列出，以便于討論論證結(jié)果的可信程度，見(jiàn)表10～表12。

表10中試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)結(jié)果是與另一個(gè)準(zhǔn)確度高約兩個(gè)量級(jí)（±5×10-6）的儀器測(cè)量時(shí)檢定結(jié)果的差值，多支被檢樣品的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的偏差值略小于不確定度評(píng)估的結(jié)果，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際誤差值正好符合某種準(zhǔn)確度等級(jí)的儀器不容易找到，用于實(shí)驗(yàn)比較的儀器誤差要大于0.02級(jí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差值也稍大一點(diǎn)，這正好說(shuō)明理論論證所用不確定度評(píng)定方法是正確的，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果也是準(zhǔn)確合理可信的。表中誤差分析計(jì)算結(jié)果可以看出，測(cè)量?jī)x器測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)在檢定結(jié)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(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的上級(jí)證書(shū)Rtp值參與檢定數(shù)據(jù)的計(jì)算處理比用自測(cè)Rtp值參與檢定數(shù)據(jù)的計(jì)算處理的結(jié)果不確定度大幅減小。試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果比其他兩種結(jié)果減小明顯，是由于試驗(yàn)用測(cè)量?jī)x器的非線性誤差比理論分析時(shí)選取的要小得多；測(cè)量?jī)x器的誤差貢獻(xiàn)由于檢定方法的改善使其大幅降低，其他隨機(jī)因素顯現(xiàn)較大影響，試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)結(jié)果又是與另一高準(zhǔn)確度儀器檢定結(jié)果的差值，隨機(jī)影響量可能也抵消一部分。

從表12中測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確性影響的誤差分析計(jì)算結(jié)果看出，使用標(biāo)稱(chēng)值100 Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)用上級(jí)證書(shū)Rtp值時(shí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量誤差對(duì)檢定結(jié)果的影響比用自測(cè)Rtp值時(shí)極大地減??；同樣比使用標(biāo)稱(chēng)值25 Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)時(shí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量誤差對(duì)檢定結(jié)果的影響也極大地減小；這意味著使用標(biāo)稱(chēng)值100 Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)可降低標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度的要求。從表中可進(jìn)一步看出，由于儀器誤差分量影響的極大減小，檢定結(jié)果的不確定度大幅減小，本試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的偏差在表11中大幅減小的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步減小。

從數(shù)據(jù)結(jié)果的比較情況可以看出，文獻(xiàn)[1-9]和本文中的理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法和過(guò)程是科學(xué)合理的，研究結(jié)論是準(zhǔn)確可信的。

5 結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)熱電阻檢定時(shí)，使用標(biāo)稱(chēng)Rtp為100 Ω的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)，采用上級(jí)證書(shū)Rtp值法檢定可以大幅減小檢定結(jié)果的不確定度，提高檢定結(jié)果的可信度，還可降低檢定裝置對(duì)電測(cè)儀器在測(cè)量準(zhǔn)確度與線性方面的要求，比使用標(biāo)稱(chēng)Rtp為25 Ω的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)具有優(yōu)越性。

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（編輯：商丹丹）