標準鉑電阻使用在熱電阻檢定與溫度測量中差異

摘要:標準鉑電阻溫度計在熱電阻檢定與溫度測量中的使用方法問(wèn)題，以國內現行規范和專(zhuān)家的論斷為討論背景,采用理論計算和數據結果對比分析的方法進(jìn)行研究。通過(guò)以標稱(chēng)電阻值(Rtp)為25Ω與100Ω的標準鉑電阻,不同允差等級的電測儀器,不同的溫度測量與工業(yè)熱電阻檢定方法,得到有意義的數據,辨別和證明國內規范及專(zhuān)家論據的一個(gè)誤區。對改善工業(yè)熱電阻檢定方法的科學(xué)性和提高檢定結果的正確性,具有較大的經(jīng)濟和社會(huì )價(jià)值。
0引言
　　鉑電阻溫度計具有測溫精度高、靈敏度好、穩定可靠，在氧化環(huán)境中或高溫下使用時(shí)化學(xué)性質(zhì)穩定等優(yōu)點(diǎn)。因此,對于精度要求高的溫度測量,鉑電阻溫度計總是最優(yōu)先選用的溫度計。鉑電阻溫度計可用于國際溫標的復現,并作為各級標準器具通過(guò)逐級傳遞方式傳遞溫度量值，直至用于檢定和分度工業(yè)溫度傳感器。
　　鉑電阻溫度計用于國際溫標的復現離不開(kāi)國際溫標推薦的定義固定點(diǎn)。所有這些固定點(diǎn)都有給定的溫度值,這些值與熱力學(xué)溫度值最接近,固定點(diǎn)的相平衡溫度具有很高的復現性,尤其是水三相點(diǎn)的復現性可優(yōu)于0.1mK(國家實(shí)驗室)。因此,精度的溫度計的檢定和分度都離不開(kāi)國際溫標定義的固定點(diǎn)和鉑電阻溫度計,這不僅需要花費高昂的設備成本,還得有高水平有經(jīng)驗的專(zhuān)家按照復雜的操作程序,花費較長(cháng)的時(shí)間完成檢定和分度工作。
1國內現狀及專(zhuān)家論述
　　工業(yè)鉑熱電阻是各行業(yè)中大量使用的精度較高的工業(yè)溫度計,大量專(zhuān)業(yè)計量技術(shù)機構、企事業(yè)單位的檢測實(shí)驗室都在開(kāi)展該類(lèi)溫度計的檢定工作。長(cháng)期以來(lái)許多實(shí)驗室的工業(yè)熱電阻檢定裝置按規程規定配有水三相點(diǎn)保存裝置,檢定工業(yè)熱電阻時(shí)重測.標準鉑電阻溫度計的Rtp值(即自行給標準賦值)-,以求提高標準鉑電阻溫度計測量檢定點(diǎn)溫度的正確性,達到減小標準器的測量誤差對工業(yè)熱電阻檢定結果的影響。
　　國內有關(guān)標準鉑電阻溫度計在溫度計量器具檢定及溫度測量中的主要認識有:“這就是標準鉑電阻要求同一電測設備測量Rt與Rtp來(lái)參與計算比值w,能有效地減小電測設備帶入的系統影響的原因”15),“有些使用者在使用標準鉑電阻測量時(shí),不進(jìn)行該電測儀器的Rtp值測量,而使用證書(shū)上給出的Rp值來(lái)計算Wt及溫度1,這樣將會(huì )產(chǎn)生很大的測量誤差,以致失去標準鉑電阻溫度計測溫正確的優(yōu)點(diǎn)”。其在工業(yè)鉑熱電阻檢定結果不確定度的實(shí)例分析中強調:“水三相點(diǎn)是定義標準鉑電阻溫度計溫度的基點(diǎn),理論上是正確的。每次使用SPRT時(shí)亦必須使用電測設備在水三相點(diǎn)中實(shí)測來(lái)取得此基準點(diǎn)的Rp值,并以此實(shí)測值與R,值計算出比值Wt來(lái)計算實(shí)際溫度”I,這應該是國內專(zhuān)家對精密溫度測量和工業(yè)熱電阻檢定時(shí)標準鉑電阻溫度計使用方法最直接明確的論述。
　　另一專(zhuān)著(zhù)對檢定分度熱電阻溫度計的方法論述是“對于精度不高或工業(yè)用電阻溫度計,可用比較法檢定”間，在此沒(méi)有說(shuō)到檢定時(shí)標準鉑電阻溫度計標準值的來(lái)源。在其標準電阻溫度計的正確使用一節強調“由ITS-90可知,W(T)=RT/Rtp。按此方法計算時(shí),可減小電阻溫度計不穩定性帶來(lái)的影響,也能克服不同電測設備系統誤差的不同引起的部分影響。但是,如果在計算W(T)時(shí)選用的Rtp不是取于同一天測量RT前后的數據,而是選用時(shí)隔多日的測量值,或是來(lái)源于該溫度計檢定證書(shū)上給出的Rtp,則難以減少電阻溫度計不穩定帶來(lái)的影響。另外，如果用來(lái)測量RT和Rtp的電測儀器不是同一臺儀器,也不能克服電測儀器系統誤差造成的部分影響。在上述不正確情況下計算得到的W(T)值,將會(huì )引起很大誤差。有時(shí)，會(huì )誤判一支合格的溫度計為不合格”網(wǎng)。遺憾的是這里只是強調每次使用標準鉑電阻溫度計要測量Rtp的重要性,沒(méi)有提到在完成不同溫度測量或量傳要求時(shí)標準鉑電阻溫度計使用方法的不同。實(shí)際情況需要進(jìn)行深人細致的研究。
2不同用途使用方法比較研究
　　為了說(shuō)明標準鉑電阻溫度計在不同用途和不同使用方法中所產(chǎn)生的差別，選用標稱(chēng)電阻值Rp為25Ω與100Ω的二等標準鉑電阻溫度計作標準器分別進(jìn)行討論,為方便分析直接選用參考值"(見(jiàn)表1)。
 
　　電測儀器用數字多用表,儀器基本量程為0~100Ω,量程測量范圍0~200Ω,工作電流1mA。各等級測量?jì)x器允許誤差見(jiàn)表2。
 
2.1標準鉑電阻溫度計測量溫度
　　標準鉑電阻溫度計Rtp用標稱(chēng)電阻值,其他參數用參考函數值,分析用不同級別電測儀器(允差見(jiàn)表2)在不同測量方法下產(chǎn)生的測量誤差大小。以常用的0℃、100℃兩點(diǎn)為例分析測量誤差值,即:.
 
　　為使分析簡(jiǎn)單明了,計算時(shí)暫不考慮標準鉑電阻證書(shū)Rtp值和自測Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)容器本身復現的不確定度及其他影響量。
2.1.1標準鉑電阻Rtp值用上級證書(shū)值
　　不同等級電測儀器測量25,100Ω標準溫度計.在冰點(diǎn)值R*t，100℃點(diǎn)值R*h時(shí)帶來(lái)的誤差根據表1、表2計算得到列于表3。
 
　　把表1、表3數據代人式(1)可計算得到用不同等級測量?jì)x器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差,計算結果列于表4。
 
2.1.2自測標準鉑電阻Rtp值
　　不同等級電測儀器測量25,100Ω標準鉑電阻溫度計水三相點(diǎn)Rtp值時(shí)帶來(lái)的誤差根據表2計算得到列于表5。
 
　　把表1.表3、表5數據代人式(1)可計算得到不同等級測量?jì)x器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差,計算結果列于表6。
 
2.2標準鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻的檢定
　　以0,100℃兩個(gè)檢定點(diǎn)為例來(lái)分析用不同級別電測儀器(允差見(jiàn)表2)不同檢定方法產(chǎn)生的檢定結.果誤差值大小國，即:
 
式中:△t一被檢熱電阻在0,100℃點(diǎn)檢定結果的誤差值，℃;
Rt一被檢熱電阻在0,100℃點(diǎn)的測量值,Ω;
R一被檢熱電阻在0,100℃時(shí)的標稱(chēng)值,Ω;
(dR/dt)一被檢熱電阻的電阻對溫度的變化率,Ω/℃。
Pt100工業(yè)鉑熱電阻在兩個(gè)溫度點(diǎn)的技術(shù)參數及各級鉑熱電阻允許偏差見(jiàn)表7。
 
　　不同等級電測儀器測量Pt100工業(yè)鉑熱電阻時(shí)帶來(lái)的誤差根據表2、表7計算得到列于表8。
 
　　同樣,為使分析簡(jiǎn)單明了,計算時(shí)暫不考慮標準鉑電阻證書(shū)Rtp值和自測Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)容器本身復現的不確定度及其他影響量。
2.2.1檢定時(shí)用自測標準鉑電阻Ry值
　　把表1、表3、表5、表7.表8數據代人式(2)可計算得到用不同等級測量?jì)x器時(shí)帶入檢定結果的誤差,計算結果列于表9。
 
2.2.2檢定時(shí)標準鉑電阻R。值用上級證書(shū)值
　　把表1、表3、表7、表8數據代人式(2)可計算得到用不同等級測量?jì)x器時(shí)帶人檢定結果的誤差，計算結果列于表10。
 
3結果比較分析
　　為了更直觀(guān)地比較標準鉑電阻溫度計在不同用途.不同使用方法時(shí)和使用不同精度等級電測儀器對測量和檢定結果貢獻的誤差。把25Ω(Rtp)標準鉑電阻不同用法對0,100℃點(diǎn)結果的影響大小分別如圖1、圖2所示，把100Ω(Rtp)標準鉑電阻不同用法對0,100℃點(diǎn)結果的影響大小分別如圖3、圖4所示。
從圖中色柱和前面表中數據可以看出:
1)標準鉑電阻溫度計用于溫度測量時(shí),在分析所用電測儀器技術(shù)指標下同時(shí)測量Rt和Rtp的方法比溫度計用上級證書(shū)上Rtp值的測量方法的測量結果更正確,前者的測量誤差比后者要小得多,尤其是在電測儀器的精度等級越低時(shí)差別更為明顯。
2)標準鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻檢定時(shí),自測標準鉑電阻Rtp值(自行給標準器賦值)的檢定結果比標準鉑電阻用上級證書(shū)Rtp值的檢定結果的誤差要大得多,這與論點(diǎn)或規范依據恰好相反。
從圖1、圖2(25Ω(Rtp)標準鉑電阻)可以看出兩種檢定方法檢定結果的誤差比值與文獻[8]兩種檢定方法檢定結果不確定度評估結果的比值基本一-致。不同之處主要是本文只分析了關(guān)鍵影響量帶來(lái)的誤差,文獻[8]的不確定度包括全部影響量,在關(guān)鍵影響量變小時(shí)其他影響量在不確定度評定結果中的貢獻就會(huì )明顯地顯現出來(lái)。
 
　　把圖3與圖1、圖4與圖2比較可以看出使用100Ω(Rtp)標準鉑電阻檢定Pt100型工業(yè)熱電阻比.使用25Ω(Rtp)標準鉑電阻效果更好,這與文獻[9]的不確定度評估結果也是一致的。
 
3)不可把同時(shí)測量標準鉑電阻溫度計Rtp和Rtp可大大減小溫度測量結果的誤差的方法推廣應用于工業(yè)熱電阻的檢定,因為該做法會(huì )浪費大量的設備投入經(jīng)費，而且使檢定結果的誤差增大。
 
4)在同樣的電測儀器技術(shù)指標下,標準鉑電阻溫度計用于溫度測量與熱電阻的檢定分度時(shí),同樣方法所得結果誤差大小截然不同,應引起我們在使用.和技術(shù)規范制修訂時(shí)的注意。要區別這兩者的誤差.或不確定度差別的大小，這要看具體方法和條件,不能簡(jiǎn)單地一概而論。
4結束語(yǔ)
　　由前面的分析比較結果可以看出能否保證測量或檢定結果的正確可靠,重要的是要看所用方法的正確性和科學(xué)合理性,不同水平的測量和檢定分度應采用適當的方法來(lái)完成。