標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻使用在熱電阻檢定與溫度測量中差異

摘要:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計在熱電阻檢定與溫度測量中的使用方法問題，以國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范和專家的論斷為討論背景,采用理論計算和數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析的方法進(jìn)行研究。通過以標(biāo)稱電阻值(Rtp)為25Ω與100Ω的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù),辨別和證明國內(nèi)規(guī)范及專家論據(jù)的一個誤區(qū)。對改善工業(yè)熱電阻檢定方法的科學(xué)性和提高檢定結(jié)果的正確性,具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會價值。
0引言
　　鉑電阻溫度計具有測溫精度高、靈敏度好、穩(wěn)定可靠，在氧化環(huán)境中或高溫下使用時化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。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(biāo)的復(fù)現(xiàn),并作為各級標(biāo)準(zhǔn)器具通過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(biāo)的復(fù)現(xiàn)離不開國際溫標(biāo)推薦的定義固定點。所有這些固定點都有給定的溫度值,這些值與熱力學(xué)溫度值最接近,固定點的相平衡溫度具有很高的復(fù)現(xiàn)性,尤其是水三相點的復(fù)現(xiàn)性可優(yōu)于0.1mK(國家實驗室)。因此,精度的溫度計的檢定和分度都離不開國際溫標(biāo)定義的固定點和鉑電阻溫度計,這不僅需要花費高昂的設(shè)備成本,還得有高水平有經(jīng)驗的專家按照復(fù)雜的操作程序,花費較長的時間完成檢定和分度工作。
1國內(nèi)現(xiàn)狀及專家論述
　　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,大量專業(yè)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位的檢測實驗室都在開展該類溫度計的檢定工作。長期以來許多實驗室的工業(yè)熱電阻檢定裝置按規(guī)程規(guī)定配有水三相點保存裝置,檢定工業(yè)熱電阻時重測.標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的Rtp值(即自行給標(biāo)準(zhǔn)賦值)-,以求提高標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計測量檢定點溫度的正確性,達(dá)到減小標(biāo)準(zhǔn)器的測量誤差對工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的影響。
　　國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識有:“這就是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻要求同一電測設(shè)備測量Rt與Rtp來參與計算比值w,能有效地減小電測設(shè)備帶入的系統(tǒng)影響的原因”15),“有些使用者在使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量時,不進(jìn)行該電測儀器的Rtp值測量,而使用證書上給出的Rp值來計算Wt及溫度1,這樣將會產(chǎn)生很大的測量誤差,以致失去標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計測溫正確的優(yōu)點”。其在工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果不確定度的實例分析中強(qiáng)調(diào):“水三相點是定義標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計溫度的基點,理論上是正確的。每次使用SPRT時亦必須使用電測設(shè)備在水三相點中實測來取得此基準(zhǔn)點的Rp值,并以此實測值與R,值計算出比值Wt來計算實際溫度”I,這應(yīng)該是國內(nèi)專家對精密溫度測量和工業(yè)熱電阻檢定時標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計使用方法最直接明確的論述。
　　另一專著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，在此沒有說到檢定時標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計標(biāo)準(zhǔn)值的來源。在其標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計的正確使用一節(jié)強(qiáng)調(diào)“由ITS-90可知,W(T)=RT/Rtp。按此方法計算時,可減小電阻溫度計不穩(wěn)定性帶來的影響,也能克服不同電測設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是,如果在計算W(T)時選用的Rtp不是取于同一天測量RT前后的數(shù)據(jù),而是選用時隔多日的測量值,或是來源于該溫度計檢定證書上給出的Rtp,則難以減少電阻溫度計不穩(wěn)定帶來的影響。另外，如果用來測量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(tǒng)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,將會引起很大誤差。有時，會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(qiáng)調(diào)每次使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計要測量Rtp的重要性,沒有提到在完成不同溫度測量或量傳要求時標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計使用方法的不同。實際情況需要進(jìn)行深人細(xì)致的研究。
2不同用途使用方法比較研究
　　為了說明標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)稱電阻值Rp為25Ω與100Ω的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作標(biāo)準(zhǔn)器分別進(jìn)行討論,為方便分析直接選用參考值"(見表1)。
 
　　電測儀器用數(shù)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。各等級測量儀器允許誤差見表2。
 
2.1標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計測量溫度
　　標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計Rtp用標(biāo)稱電阻值,其他參數(shù)用參考函數(shù)值,分析用不同級別電測儀器(允差見表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℃兩點為例分析測量誤差值,即:.
 
　　為使分析簡單明了,計算時暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。
2.1.1標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值用上級證書值
　　不同等級電測儀器測量25,100Ω標(biāo)準(zhǔn)溫度計.在冰點值R*t，100℃點值R*h時帶來的誤差根據(jù)表1、表2計算得到列于表3。
 
　　把表1、表3數(shù)據(jù)代人式(1)可計算得到用不同等級測量儀器測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測量誤差,計算結(jié)果列于表4。
 
2.1.2自測標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值
　　不同等級電測儀器測量25,100Ω標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計水三相點Rtp值時帶來的誤差根據(jù)表2計算得到列于表5。
 
　　把表1.表3、表5數(shù)據(jù)代人式(1)可計算得到不同等級測量儀器測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的測量誤差,計算結(jié)果列于表6。
 
2.2標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻的檢定
　　以0,100℃兩個檢定點為例來分析用不同級別電測儀器(允差見表2)不同檢定方法產(chǎn)生的檢定結(jié).果誤差值大小國，即:
 
式中:△t一被檢熱電阻在0,100℃點檢定結(jié)果的誤差值，℃;
Rt一被檢熱電阻在0,100℃點的測量值,Ω;
R一被檢熱電阻在0,100℃時的標(biāo)稱值,Ω;
(dR/dt)一被檢熱電阻的電阻對溫度的變化率,Ω/℃。
Pt100工業(yè)鉑熱電阻在兩個溫度點的技術(shù)參數(shù)及各級鉑熱電阻允許偏差見表7。
 
　　不同等級電測儀器測量Pt100工業(yè)鉑熱電阻時帶來的誤差根據(jù)表2、表7計算得到列于表8。
 
　　同樣,為使分析簡單明了,計算時暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。
2.2.1檢定時用自測標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Ry值
　　把表1、表3、表5、表7.表8數(shù)據(jù)代人式(2)可計算得到用不同等級測量儀器時帶入檢定結(jié)果的誤差,計算結(jié)果列于表9。
 
2.2.2檢定時標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R。值用上級證書值
　　把表1、表3、表7、表8數(shù)據(jù)代人式(2)可計算得到用不同等級測量儀器時帶人檢定結(jié)果的誤差，計算結(jié)果列于表10。
 
3結(jié)果比較分析
　　為了更直觀地比較標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計在不同用途.不同使用方法時和使用不同精度等級電測儀器對測量和檢定結(jié)果貢獻(xiàn)的誤差。把25Ω(Rtp)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻不同用法對0,100℃點結(jié)果的影響大小分別如圖1、圖2所示，把100Ω(Rtp)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻不同用法對0,100℃點結(jié)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(shù)據(jù)可以看出:
1)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計用于溫度測量時,在分析所用電測儀器技術(shù)指標(biāo)下同時測量Rt和Rtp的方法比溫度計用上級證書上Rtp值的測量方法的測量結(jié)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差別更為明顯。
2)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計用于工業(yè)熱電阻檢定時,自測標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值(自行給標(biāo)準(zhǔn)器賦值)的檢定結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻用上級證書Rtp值的檢定結(jié)果的誤差要大得多,這與論點或規(guī)范依據(jù)恰好相反。
從圖1、圖2(25Ω(Rtp)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻)可以看出兩種檢定方法檢定結(jié)果的誤差比值與文獻(xiàn)[8]兩種檢定方法檢定結(jié)果不確定度評估結(jié)果的比值基本一-致。不同之處主要是本文只分析了關(guān)鍵影響量帶來的誤差,文獻(xiàn)[8]的不確定度包括全部影響量,在關(guān)鍵影響量變小時其他影響量在不確定度評定結(jié)果中的貢獻(xiàn)就會明顯地顯現(xiàn)出來。
 
　　把圖3與圖1、圖4與圖2比較可以看出使用100Ω(Rtp)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻檢定Pt100型工業(yè)熱電阻比.使用25Ω(Rtp)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻效果更好,這與文獻(xiàn)[9]的不確定度評估結(jié)果也是一致的。
 
3)不可把同時測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計Rtp和Rtp可大大減小溫度測量結(jié)果的誤差的方法推廣應(yīng)用于工業(yè)熱電阻的檢定,因為該做法會浪費大量的設(shè)備投入經(jīng)費，而且使檢定結(jié)果的誤差增大。
 
4)在同樣的電測儀器技術(shù)指標(biāo)下,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計用于溫度測量與熱電阻的檢定分度時,同樣方法所得結(jié)果誤差大小截然不同,應(yīng)引起我們在使用.和技術(shù)規(guī)范制修訂時的注意。要區(qū)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,不能簡單地一概而論。
4結(jié)束語
　　由前面的分析比較結(jié)果可以看出能否保證測量或檢定結(jié)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(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▉硗瓿伞?br />