標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻使用在熱電阻檢定與溫度測(cè)量中差異

摘要:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在熱電阻檢定與溫度測(cè)量中的使用方法問(wèn)題，以國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范和專家的論斷為討論背景,采用理論計(jì)算和數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析的方法進(jìn)行研究。通過(guò)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(jí)的電測(cè)儀器,不同的溫度測(cè)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(guó)內(nèi)規(guī)范及專家論據(jù)的一個(gè)誤區(qū)。對(duì)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(huì)價(jià)值。
0引言
　　鉑電阻溫度計(jì)具有測(cè)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(shí)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此,對(duì)于精度要求高的溫度測(cè)量,鉑電阻溫度計(jì)總是最優(yōu)先選用的溫度計(jì)。鉑電阻溫度計(jì)可用于國(guó)際溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn),并作為各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器具通過(guò)逐級(jí)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(jì)用于國(guó)際溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)離不開(kāi)國(guó)際溫標(biāo)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(fù)現(xiàn)性,尤其是水三相點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)性可優(yōu)于0.1mK(國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)。因此,精度的溫度計(jì)的檢定和分度都離不開(kāi)國(guó)際溫標(biāo)定義的固定點(diǎn)和鉑電阻溫度計(jì),這不僅需要花費(fèi)高昂的設(shè)備成本,還得有高水平有經(jīng)驗(yàn)的專家按照復(fù)雜的操作程序,花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間完成檢定和分度工作。
1國(guó)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(jì),大量專業(yè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室都在開(kāi)展該類溫度計(jì)的檢定工作。長(zhǎng)期以來(lái)許多實(shí)驗(yàn)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(diǎn)保存裝置,檢定工業(yè)熱電阻時(shí)重測(cè).標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(jì)測(cè)量檢定點(diǎn)溫度的正確性,達(dá)到減小標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量誤差對(duì)工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的影響。
　　國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在溫度計(jì)量器具檢定及溫度測(cè)量中的主要認(rèn)識(shí)有:“這就是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻要求同一電測(cè)設(shè)備測(cè)量Rt與Rtp來(lái)參與計(jì)算比值w,能有效地減小電測(cè)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(cè)量時(shí),不進(jìn)行該電測(cè)儀器的Rtp值測(cè)量,而使用證書(shū)上給出的Rp值來(lái)計(jì)算Wt及溫度1,這樣將會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差,以致失去標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫正確的優(yōu)點(diǎn)”。其在工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果不確定度的實(shí)例分析中強(qiáng)調(diào):“水三相點(diǎn)是定義標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(cè)設(shè)備在水三相點(diǎn)中實(shí)測(cè)來(lái)取得此基準(zhǔn)點(diǎn)的Rp值,并以此實(shí)測(cè)值與R,值計(jì)算出比值Wt來(lái)計(jì)算實(shí)際溫度”I,這應(yīng)該是國(guó)內(nèi)專家對(duì)精密溫度測(cè)量和工業(yè)熱電阻檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)使用方法最直接明確的論述。
　　另一專著對(duì)檢定分度熱電阻溫度計(jì)的方法論述是“對(duì)于精度不高或工業(yè)用電阻溫度計(jì),可用比較法檢定”間，在此沒(méi)有說(shuō)到檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的來(lái)源。在其標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)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(jì)算時(shí),可減小電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定性帶來(lái)的影響,也能克服不同電測(cè)設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是,如果在計(jì)算W(T)時(shí)選用的Rtp不是取于同一天測(cè)量RT前后的數(shù)據(jù),而是選用時(shí)隔多日的測(cè)量值,或是來(lái)源于該溫度計(jì)檢定證書(shū)上給出的Rtp,則難以減少電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定帶來(lái)的影響。另外，如果用來(lái)測(cè)量RT和Rtp的電測(cè)儀器不是同一臺(tái)儀器,也不能克服電測(cè)儀器系統(tǒng)誤差造成的部分影響。在上述不正確情況下計(jì)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(jì)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(jì)要測(cè)量Rtp的重要性,沒(méi)有提到在完成不同溫度測(cè)量或量傳要求時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)使用方法的不同。實(shí)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(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(jì)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(jiàn)表1)。
 
　　電測(cè)儀器用數(shù)字多用表,儀器基本量程為0~100Ω,量程測(cè)量范圍0~200Ω,工作電流1mA。各等級(jí)測(cè)量?jī)x器允許誤差見(jiàn)表2。
 
2.1標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度
　　標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(jí)別電測(cè)儀器(允差見(jiàn)表2)在不同測(cè)量方法下產(chǎn)生的測(cè)量誤差大小。以常用的0℃、100℃兩點(diǎn)為例分析測(cè)量誤差值,即:.
 
　　為使分析簡(jiǎn)單明了,計(jì)算時(shí)暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書(shū)Rtp值和自測(cè)Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)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(jí)證書(shū)值
　　不同等級(jí)電測(cè)儀器測(cè)量25,100Ω標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì).在冰點(diǎn)值R*t，100℃點(diǎn)值R*h時(shí)帶來(lái)的誤差根據(jù)表1、表2計(jì)算得到列于表3。
 
　　把表1、表3數(shù)據(jù)代人式(1)可計(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量誤差,計(jì)算結(jié)果列于表4。
 
2.1.2自測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值
　　不同等級(jí)電測(cè)儀器測(cè)量25,100Ω標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)水三相點(diǎn)Rtp值時(shí)帶來(lái)的誤差根據(jù)表2計(jì)算得到列于表5。
 
　　把表1.表3、表5數(shù)據(jù)代人式(1)可計(jì)算得到不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量誤差,計(jì)算結(jié)果列于表6。
 
2.2標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)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(jí)別電測(cè)儀器(允差見(jiàn)表2)不同檢定方法產(chǎn)生的檢定結(jié).果誤差值大小國(guó)，即:
 
式中:△t一被檢熱電阻在0,100℃點(diǎn)檢定結(jié)果的誤差值，℃;
Rt一被檢熱電阻在0,100℃點(diǎn)的測(cè)量值,Ω;
R一被檢熱電阻在0,100℃時(shí)的標(biāo)稱值,Ω;
(dR/dt)一被檢熱電阻的電阻對(duì)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(shù)及各級(jí)鉑熱電阻允許偏差見(jiàn)表7。
 
　　不同等級(jí)電測(cè)儀器測(cè)量Pt100工業(yè)鉑熱電阻時(shí)帶來(lái)的誤差根據(jù)表2、表7計(jì)算得到列于表8。
 
　　同樣,為使分析簡(jiǎn)單明了,計(jì)算時(shí)暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書(shū)Rtp值和自測(cè)Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)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(shí)用自測(cè)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(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器時(shí)帶入檢定結(jié)果的誤差,計(jì)算結(jié)果列于表9。
 
2.2.2檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R。值用上級(jí)證書(shū)值
　　把表1、表3、表7、表8數(shù)據(jù)代人式(2)可計(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器時(shí)帶人檢定結(jié)果的誤差，計(jì)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(jì)在不同用途.不同使用方法時(shí)和使用不同精度等級(jí)電測(cè)儀器對(duì)測(cè)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(duì)0,100℃點(diǎn)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(duì)0,100℃點(diǎn)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(jì)用于溫度測(cè)量時(shí),在分析所用電測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)下同時(shí)測(cè)量Rt和Rtp的方法比溫度計(jì)用上級(jí)證書(shū)上Rtp值的測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果更正確,前者的測(cè)量誤差比后者要小得多,尤其是在電測(cè)儀器的精度等級(jí)越低時(shí)差別更為明顯。
2)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于工業(yè)熱電阻檢定時(shí),自測(cè)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(jí)證書(shū)Rtp值的檢定結(jié)果的誤差要大得多,這與論點(diǎn)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(píng)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(lái)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(shí)其他影響量在不確定度評(píng)定結(jié)果中的貢獻(xiàn)就會(huì)明顯地顯現(xiàn)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(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(píng)估結(jié)果也是一致的。
 
3)不可把同時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)Rtp和Rtp可大大減小溫度測(cè)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?yàn)樵撟龇〞?huì)浪費(fèi)大量的設(shè)備投入經(jīng)費(fèi)，而且使檢定結(jié)果的誤差增大。
 
4)在同樣的電測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)下,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于溫度測(cè)量與熱電阻的檢定分度時(shí),同樣方法所得結(jié)果誤差大小截然不同,應(yīng)引起我們?cè)谑褂?和技術(shù)規(guī)范制修訂時(shí)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(jiǎn)單地一概而論。
4結(jié)束語(yǔ)
　　由前面的分析比較結(jié)果可以看出能否保證測(cè)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(cè)量和檢定分度應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)完成。