溫度自動(dòng)測量系統檢定AA級工業(yè)熱電阻方法

摘要:計量機構、工業(yè)電力、石油化工等計量部門(mén)廣泛運用溫度自動(dòng)測量系統檢定工業(yè)熱電阻。在JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規程》修訂后,規程對AA級熱電阻的最大允許誤差進(jìn)行了規定,相對于其他等級的工業(yè)熱電阻,檢定其所使用配套設備技術(shù)指標要求變高,檢定方法較為復雜。因此,依據JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動(dòng)測量系統校準規范》校準過(guò)的溫度自動(dòng)測量系統是否能夠開(kāi)展檢定AA級熱電阻的工作需要得到明確結論。通過(guò)理論計算,不確定度分析,實(shí)驗驗證，得出使用溫度自動(dòng)測量系統檢定AA級工業(yè)熱電阻所需要滿(mǎn)足計量特性的技術(shù)指標,并且根據技術(shù)指標提出使用溫度測量系統檢定工業(yè)鉑電阻時(shí)必須注意的事項。
0引言
　　電阻溫度計具有準確度高,性能穩定,靈敏度好,應用范圍廣,可遠距離測溫等許多優(yōu)點(diǎn),在醫療衛生、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各方面使用十分廣泛"。按照穩定性可將電阻溫度計分為標準和工業(yè)兩大類(lèi)。近些年,對工業(yè)熱電阻檢定方法研究?jì)热葺^多,目前計量機構依據JIC229--2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》開(kāi)展工業(yè)熱電阻的檢定工作,現行版本將上一版本工業(yè)熱電阻等級A級,B級,擴展為AA級,A級,B級,C級四個(gè)等級,同時(shí)，對于其使用的標準器及配套設備、檢定方法等要求作出了相應的變化。尤其對于A(yíng)A級工業(yè)鉑電阻而言,規程中要求“檢定AA級熱電阻時(shí),R*tp的電阻值必須在三相點(diǎn)瓶中用電測儀器重新測量,有利于改善測量不確定度”。
　　為了節省時(shí)間,提高工作效率,降低出錯率，大部分計量機構及企業(yè)計量部門(mén)使用溫度自動(dòng)測量系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測量系統)對工業(yè)熱電阻允差進(jìn)行檢定工作,并且上級部門(mén)依據JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動(dòng)測量系統校準規范》校準溫度自動(dòng)測量系統。但是,JJF1098--2003校準規范早于JJG229--2010檢定規程制定，內容涉及只對于A(yíng)級,B級熱電阻的溫度自動(dòng)測量系統計量特性技術(shù)指標有所要求,并未提及更高等級的AA級工業(yè)熱電阻。因此,有必要對溫度自動(dòng)測量系統的技術(shù)指標進(jìn)行討論,論證其依據JJF1098校準后的現有能力是否滿(mǎn)足開(kāi)展AA級工業(yè)熱電阻工作的檢定要求。同時(shí),研究利用測量系統檢定AA級熱電阻所需要注意的事項,避免錯判情況發(fā)生。
1標準器及配套設備
　　依據JJG229--2010,檢定AA級工業(yè)熱電阻允差所使用的標準器為二等標準鉑電阻溫度計,電測儀器必須使用0.005級及以上的數字多用表。轉換開(kāi)關(guān)接觸電勢不大于1.0μV,恒溫槽均勻性要求:水平溫場(chǎng)任意點(diǎn)不大于0.01℃,最大溫場(chǎng)不大于0.02℃,10min的波動(dòng)性不大于0.04℃。因為本文討論使用測量系統檢定AA級工業(yè)熱電阻的技術(shù)要求，默認準備:工作已經(jīng)重新測量R"值,因此重測R*tp所使用的標準器和配套設備不在這里描述,具體要求見(jiàn)表1。
 
2計量特性
　　參考JJF1098-2003和JJG229--2010,在這兩個(gè)國家計量規范中，相同技術(shù)特性選取最新的技術(shù)指標要求,使用測量系統現行檢定最高等級工業(yè)鉑電阻的計量特性指標要求如表2所示
 
3測量原理及方法
3.1工業(yè)熱電阻測量原理
　　熱電阻是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化來(lái)測量溫度的元件或儀器。在實(shí)際測溫中,為了能夠直接表征熱電阻材料的純度及內在特性,人們使用電阻比Wt而不是Rt即:
 
　　式中:Wt---標準鉑電阻溫度計在溫度t時(shí)的電阻比;
Rt---標準鉑電阻溫度計在溫度t的電阻值,Ω;
Rtp---標準鉑電阻溫度計的水三相點(diǎn)電阻值,Ω。
　　對于不同材料的金屬導體,其電阻值隨溫度的改變程度是不同的。為表示單位溫度變化引起的電阻值的相對變化，感溫元件和熱電阻的電阻溫度系數用α表示。
依據JJG229--2010,AA級工業(yè)熱電阻的檢定點(diǎn)選擇0℃和100℃,同時(shí)檢查α的符合性,當α不符合要求時(shí),仍應進(jìn)行允差等級規定的上限溫度的檢定。在0℃和100℃溫度測量誤差的數學(xué)模型分別為式(2),式(3):
 
式中:
△t0,△t100---被檢熱電阻測得的分別偏離0℃,100℃的差，℃;
Ri,Rh---被檢熱電阻在約0℃,100℃測得的電阻值,Ω;
R0,R100---被檢熱電阻在0℃,100℃的標稱(chēng)值,Ω;
(dR/dt)t=0，(dR/dt)t=100被檢熱電阻在0℃，
100℃時(shí)，電阻值對溫度的變化率，Ω/℃;
R*i，R*h---標準鉑電阻溫度計在約0℃,1000測得的電阻值,Ω;
R*tp---標準鉑電阻溫度計重測的水三相點(diǎn)電阻值,Ω;
W^s0，W^s100---標準鉑電阻溫度計在證書(shū)上0℃,100℃的電阻比;
(dW^St/d)t=0，(dW^St/dt)t=100---標準鉑電阻溫度計在0℃,100℃時(shí),電阻比對溫度的變化率，1/℃。
3.2測量方法
　　使用測量系統檢定工業(yè)熱電阻時(shí),需要提前將標準鉑電阻的證書(shū)信息輸人上位機中,由于檢定AA級工業(yè)熱電阻必須在三相點(diǎn)瓶中用電測儀器重新測量R*tp值,因此需要將重新測量后的R*tp值再次覆蓋原Rtp值。
將標準鉑電阻溫度計與被檢熱電阻置于恒溫設備中,依次將引線(xiàn)接人掃描開(kāi)關(guān)。測量系統控制恒溫設備到達設定溫度,判斷測量標準溫度穩定后,進(jìn)行數據采集,數據計算,形成記錄,生成報告,如圖1所示。
 
4測量結果不確定度分析
4.1測量模型
　　使用溫度自動(dòng)測量系統測量AA級工業(yè)熱電阻時(shí)，式(2),式(3)中的R0、R100、R*tp、(dR/dt)t=0、(dR/dt)t=100(dW^s_t/dt)=0(dW^s_t/d)t=100的不確定度很小,可以忽略不計。為了便于分析測量結果,可將測量模型改為如下所示:
　　100℃時(shí),被校試樣的鉑電阻測量模型為:
 
式中:
△th---被檢熱電阻在100℃恒溫槽中測得的偏離100℃的差，℃;
△t*h---標準鉑電阻在100℃恒溫槽中測得的偏離100℃的差，℃。
△ti---被檢熱電阻在0℃恒溫槽中測得的偏離0℃的差，℃;
△t*i一標準鉑電阻在0℃恒溫槽中測得的偏離0℃的差，℃。
4.2標準不確定度
4.2.1被檢熱電阻輸人量的標準不確定度u(△th)
　　以100℃時(shí)測量為例,不確定度來(lái)源:測量重復性,插孔之間的溫差,電測儀表,測量電流引起的自熱,通道間數據采集差值,測量數據處理.結果。
1)測量的重復性ui(△th)
　　測量系統檢定重復性只對標準通道及一個(gè)被校通道得出代表數據(不大于12mΩ);還規定--模擬值供并聯(lián)的各通道采集數據,對通道間數據采集差值做出測量(不大于2mΩ),因此重復性指標應將通道間偏差指標也計人內(同向疊加)，這是考慮到各個(gè)通道的重復性都包含在測得結果中,以極差法計算實(shí)驗標準差,即
u1(△t)=14/0.37928/1.69=21.84(mK)
2)溫場(chǎng)均勻性引入的標準不確定度u2(△th)
　　在100℃時(shí),恒溫槽插孔之間的溫場(chǎng)均勻性不超過(guò)0.01℃;檢定過(guò)程中溫度波動(dòng)不大于0.04℃/10min,因標準和被檢的讀數時(shí)間一般小于5min,考慮總體影響,標準與被校試樣溫度差不超過(guò)0.02℃。均服從均勻分布,k=√3。因此:
u2(△th)=0.020/√3=11.55(mK)
3)電測儀表引起人的標準不確定度u3(△th)
　　100℃時(shí),電測儀表允許基本誤差計算公式為±(0.0036%x讀數+0.0007%x量程)的不確定度區間半寬為138.51Ωx0.0036%+200Ωx0.0007%=0.00639Ω,在區間內可認為均勻分布,k=√3。
U3(△th)=0.00639/0.37928/√3=9.73(mK)
4)自熱引起的標準不確定度u4(th)
　　電測儀表供感溫元件的測量電流為1mA,根據實(shí)際經(jīng)驗感溫元件一般有約2mΩ的影響?？删鶆蚍植继幚?k=√3,為2x10^-3Ω,換算成溫度:
u4(△th)=0.002/0.37928/√3=3.04(mK)
5)測量數據處理結果引人的標準不確定度U5(△tn)
　　由數據修約或者其軟件本身引起的測量數據處理結果,其值不能大于0.4mΩ,區間半寬度為0.2mΩ2,服從均勻分布,換算成溫度:
U5(△th)=0.0002/0.37928/√3=0.30(mK)
6)掃描開(kāi)關(guān)寄生電勢引人的標準不確定度分量u6(△th)
　　掃描開(kāi)關(guān)寄生電勢引人的不確定度相對很小，可以忽略不計。
　　由于上述不確定度分量彼此不相關(guān)。因此,合成為:
 
4.2.2測量標準的標準不確定度u(△t*h)
　　不確定度來(lái)源:標準鉑電阻的溯源和電阻比值的周期穩定性,電測設備的測量誤差,測量電流引起的自熱。
1)標準鉑電阻溯源引人的標準不確定度u1(△t*h)
100℃為U=2.7mK,k=2,則:
U1(△t*h)=1.35(mK)
2)電測儀表引入的標準不確定度u2(△t*h)
　　檢定AA級工業(yè)鉑電阻時(shí)采用的電測設備測量R*t和R*tp的不確定度評估如下：
 
3)測量電流引起自熱帶來(lái)的標準不確定度u3(△t*h)
　　100℃時(shí),由于在較高溫度流動(dòng)介質(zhì)的恒溫槽中，自熱影響可以忽略不計。
4)W^s100的標準不確定度u4(△t*h)
　　由于W^s100是二等標準鉑電阻溫度計證書(shū)中給出的,為14mK,按均勻分布估計k=√3。則:
u4(△t*h)=14/√3=8.08(mK).
　　由于.上述不確定度分量之間彼此不相關(guān)，合成為:
 
4.2.3標準不確定度分量匯總
　　標準不確定度分量匯總表見(jiàn)表3。
 
 
　　同理,按照上述方法分析0℃時(shí)標準不確定度分量。
　　AA級熱電阻在0℃時(shí)，以測量系統檢定三次作為重復性,經(jīng)過(guò)試驗其最大差值在2mΩ以?xún)?。其測量重復性引入的不確定度分量經(jīng)計算為6.06mK。同時(shí),需要考慮0℃時(shí)標準鉑電阻溫度計自熱影響引人的標準不確定度分量。匯總表見(jiàn)表4。
 
4.2.4合成標準不確定度
　　以上各項輸入量標準不確定度分量彼此不相.關(guān)，合成標準不確定度為
 
4.2.5擴展不確定度
　　取包含因子k=2,擴展不確定為::
100℃:U=kuc(△t100)=28.2x2≈57(mK)
0℃:U=kuc(△t0)=12.1x2≈25(mK)
4.2.6驗證
　　根據JJG229--2010,AA級工業(yè)鉑熱電阻在.100℃的允許誤差為0.27℃,在0℃的允許誤差為0.10℃,則有U≤1/4MPE,因此,滿(mǎn)足約束條件的溫.度自動(dòng)測量系統檢定工業(yè)鉑電阻的測量結果擴展不確定度滿(mǎn)足要求,故可作AA級工業(yè)鉑熱電阻的檢定。
5測量結果試驗驗證
　　將溫度自動(dòng)測量結果檢定AA級工業(yè)熱電阻得到的測量結果與樣品證書(shū)值進(jìn)行比較,給出比對誤差值。按下式計算:
△t=△lab-△ref.(6)
式中:
△t---測量系統與證書(shū)值的比對差值，℃;
Alab---測量系統測得樣品的誤差值，℃;
Aref一證書(shū)值給出樣品的誤差值，℃;
校準結果驗證按照下式計算給出:
 
　　式中:Ulab---自動(dòng)測量系統實(shí)測值得測量結果不確定度(k=2);
Uref---樣品證書(shū)給出的測量結果不確定度(k=2)。
　　對測量系統在0℃和100℃的檢定結果驗證見(jiàn)表5,表6,試驗證明,測量結果均滿(mǎn)足要求。
 
6結束語(yǔ)
　　在一定約束條件下,使用JJF1098-2003校準的溫度自動(dòng)測量系統是滿(mǎn)足檢定AA級工業(yè)熱電阻的檢定條件的。但是,如果在檢定過(guò)程中，尤其是在.0℃時(shí)測量工業(yè)熱電阻重復性過(guò)大,則有可能導致.系統本身無(wú)法測量AA級工業(yè)熱電阻,但是從校準結果不確定度驗證中,反而使得En值變小。因此，在實(shí)際校準溫度自動(dòng)測量系統過(guò)程中,應避免出現本身測量設備不滿(mǎn)足要求,而測量結果En絕對值.反而偏小的誤判情況。