溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻方法

摘要:計(jì)量機(jī)構(gòu)、工業(yè)電力、石油化工等計(jì)量部門(mén)廣泛運(yùn)用溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢定工業(yè)熱電阻。在JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》修訂后,規(guī)程對(duì)AA級(jí)熱電阻的最大允許誤差進(jìn)行了規(guī)定,相對(duì)于其他等級(jí)的工業(yè)熱電阻,檢定其所使用配套設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求變高,檢定方法較為復(fù)雜。因此,依據(jù)JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》校準(zhǔn)過(guò)的溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是否能夠開(kāi)展檢定AA級(jí)熱電阻的工作需要得到明確結(jié)論。通過(guò)理論計(jì)算,不確定度分析,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出使用溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻所需要滿(mǎn)足計(jì)量特性的技術(shù)指標(biāo),并且根據(jù)技術(shù)指標(biāo)提出使用溫度測(cè)量系統(tǒng)檢定工業(yè)鉑電阻時(shí)必須注意的事項(xiàng)。
0引言
　　電阻溫度計(jì)具有準(zhǔn)確度高,性能穩(wěn)定,靈敏度好,應(yīng)用范圍廣,可遠(yuǎn)距離測(cè)溫等許多優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)療衛(wèi)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(wěn)定性可將電阻溫度計(jì)分為標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)兩大類(lèi)。近些年,對(duì)工業(yè)熱電阻檢定方法研究?jī)?nèi)容較多,目前計(jì)量機(jī)構(gòu)依據(jù)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(xiàn)行版本將上一版本工業(yè)熱電阻等級(jí)A級(jí),B級(jí),擴(kuò)展為AA級(jí),A級(jí),B級(jí),C級(jí)四個(gè)等級(jí),同時(shí)，對(duì)于其使用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備、檢定方法等要求作出了相應(yīng)的變化。尤其對(duì)于AA級(jí)工業(yè)鉑電阻而言,規(guī)程中要求“檢定AA級(jí)熱電阻時(shí),R*tp的電阻值必須在三相點(diǎn)瓶中用電測(cè)儀器重新測(cè)量,有利于改善測(cè)量不確定度”。
　　為了節(jié)省時(shí)間,提高工作效率,降低出錯(cuò)率，大部分計(jì)量機(jī)構(gòu)及企業(yè)計(jì)量部門(mén)使用溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)量系統(tǒng))對(duì)工業(yè)熱電阻允差進(jìn)行檢定工作,并且上級(jí)部門(mén)依據(jù)JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》校準(zhǔn)溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。但是,JJF1098--2003校準(zhǔn)規(guī)范早于JJG229--2010檢定規(guī)程制定，內(nèi)容涉及只對(duì)于A級(jí),B級(jí)熱電阻的溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)量特性技術(shù)指標(biāo)有所要求,并未提及更高等級(jí)的AA級(jí)工業(yè)熱電阻。因此,有必要對(duì)溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行討論,論證其依據(jù)JJF1098校準(zhǔn)后的現(xiàn)有能力是否滿(mǎn)足開(kāi)展AA級(jí)工業(yè)熱電阻工作的檢定要求。同時(shí),研究利用測(cè)量系統(tǒng)檢定AA級(jí)熱電阻所需要注意的事項(xiàng),避免錯(cuò)判情況發(fā)生。
1標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備
　　依據(jù)JJG229--2010,檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻允差所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì),電測(cè)儀器必須使用0.005級(jí)及以上的數(shù)字多用表。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接觸電勢(shì)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?yàn)楸疚挠懻撌褂脺y(cè)量系統(tǒng)檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻的技術(shù)要求，默認(rèn)準(zhǔn)備:工作已經(jīng)重新測(cè)量R"值,因此重測(cè)R*tp所使用的標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備不在這里描述,具體要求見(jiàn)表1。
 
2計(jì)量特性
　　參考JJF1098-2003和JJG229--2010,在這兩個(gè)國(guó)家計(jì)量規(guī)范中，相同技術(shù)特性選取最新的技術(shù)指標(biāo)要求,使用測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)行檢定最高等級(jí)工業(yè)鉑電阻的計(jì)量特性指標(biāo)要求如表2所示
 
3測(cè)量原理及方法
3.1工業(yè)熱電阻測(cè)量原理
　　熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化來(lái)測(cè)量溫度的元件或儀器。在實(shí)際測(cè)溫中,為了能夠直接表征熱電阻材料的純度及內(nèi)在特性,人們使用電阻比Wt而不是Rt即:
 
　　式中:Wt---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在溫度t時(shí)的電阻比;
Rt---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在溫度t的電阻值,Ω;
Rtp---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的水三相點(diǎn)電阻值,Ω。
　　對(duì)于不同材料的金屬導(dǎo)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(duì)變化，感溫元件和熱電阻的電阻溫度系數(shù)用α表示。
依據(jù)JJG229--2010,AA級(jí)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(dāng)α不符合要求時(shí),仍應(yīng)進(jìn)行允差等級(jí)規(guī)定的上限溫度的檢定。在0℃和100℃溫度測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型分別為式(2),式(3):
 
式中:
△t0,△t100---被檢熱電阻測(cè)得的分別偏離0℃,100℃的差，℃;
Ri,Rh---被檢熱電阻在約0℃,100℃測(cè)得的電阻值,Ω;
R0,R100---被檢熱電阻在0℃,100℃的標(biāo)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(duì)溫度的變化率，Ω/℃;
R*i，R*h---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在約0℃,1000測(cè)得的電阻值,Ω;
R*tp---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)重測(cè)的水三相點(diǎn)電阻值,Ω;
W^s0，W^s100---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在證書(shū)上0℃,100℃的電阻比;
(dW^St/d)t=0，(dW^St/dt)t=100---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在0℃,100℃時(shí),電阻比對(duì)溫度的變化率，1/℃。
3.2測(cè)量方法
　　使用測(cè)量系統(tǒng)檢定工業(yè)熱電阻時(shí),需要提前將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的證書(shū)信息輸人上位機(jī)中,由于檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻必須在三相點(diǎn)瓶中用電測(cè)儀器重新測(cè)量R*tp值,因此需要將重新測(cè)量后的R*tp值再次覆蓋原Rtp值。
將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與被檢熱電阻置于恒溫設(shè)備中,依次將引線(xiàn)接人掃描開(kāi)關(guān)。測(cè)量系統(tǒng)控制恒溫設(shè)備到達(dá)設(shè)定溫度,判斷測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溫度穩(wěn)定后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)計(jì)算,形成記錄,生成報(bào)告,如圖1所示。
 
4測(cè)量結(jié)果不確定度分析
4.1測(cè)量模型
　　使用溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量AA級(jí)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(jì)。為了便于分析測(cè)量結(jié)果,可將測(cè)量模型改為如下所示:
　　100℃時(shí),被校試樣的鉑電阻測(cè)量模型為:
 
式中:
△th---被檢熱電阻在100℃恒溫槽中測(cè)得的偏離100℃的差，℃;
△t*h---標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在100℃恒溫槽中測(cè)得的偏離100℃的差，℃。
△ti---被檢熱電阻在0℃恒溫槽中測(cè)得的偏離0℃的差，℃;
△t*i一標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在0℃恒溫槽中測(cè)得的偏離0℃的差，℃。
4.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度
4.2.1被檢熱電阻輸人量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△th)
　　以100℃時(shí)測(cè)量為例,不確定度來(lái)源:測(cè)量重復(fù)性,插孔之間的溫差,電測(cè)儀表,測(cè)量電流引起的自熱,通道間數(shù)據(jù)采集差值,測(cè)量數(shù)據(jù)處理.結(jié)果。
1)測(cè)量的重復(fù)性u(píng)i(△th)
　　測(cè)量系統(tǒng)檢定重復(fù)性只對(duì)標(biāo)準(zhǔn)通道及一個(gè)被校通道得出代表數(shù)據(jù)(不大于12mΩ);還規(guī)定--模擬值供并聯(lián)的各通道采集數(shù)據(jù),對(duì)通道間數(shù)據(jù)采集差值做出測(cè)量(不大于2mΩ),因此重復(fù)性指標(biāo)應(yīng)將通道間偏差指標(biāo)也計(jì)人內(nèi)(同向疊加)，這是考慮到各個(gè)通道的重復(fù)性都包含在測(cè)得結(jié)果中,以極差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差,即
u1(△t)=14/0.37928/1.69=21.84(mK)
2)溫場(chǎng)均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)和被檢的讀數(shù)時(shí)間一般小于5min,考慮總體影響,標(biāo)準(zhǔn)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(cè)儀表引起人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(△th)
　　100℃時(shí),電測(cè)儀表允許基本誤差計(jì)算公式為±(0.0036%x讀數(shù)+0.0007%x量程)的不確定度區(qū)間半寬為138.51Ωx0.0036%+200Ωx0.0007%=0.00639Ω,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,k=√3。
U3(△th)=0.00639/0.37928/√3=9.73(mK)
4)自熱引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4(th)
　　電測(cè)儀表供感溫元件的測(cè)量電流為1mA,根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(cè)量數(shù)據(jù)處理結(jié)果引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U5(△tn)
　　由數(shù)據(jù)修約或者其軟件本身引起的測(cè)量數(shù)據(jù)處理結(jié)果,其值不能大于0.4mΩ,區(qū)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(shì)引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6(△th)
　　掃描開(kāi)關(guān)寄生電勢(shì)引人的不確定度相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)。
　　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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(△t*h)
　　不確定度來(lái)源:標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的溯源和電阻比值的周期穩(wěn)定性,電測(cè)設(shè)備的測(cè)量誤差,測(cè)量電流引起的自熱。
1)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溯源引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(△t*h)
100℃為U=2.7mK,k=2,則:
U1(△t*h)=1.35(mK)
2)電測(cè)儀表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(△t*h)
　　檢定AA級(jí)工業(yè)鉑電阻時(shí)采用的電測(cè)設(shè)備測(cè)量R*t和R*tp的不確定度評(píng)估如下：
 
3)測(cè)量電流引起自熱帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)。
4)W^s100的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4(△t*h)
　　由于W^s100是二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)證書(shū)中給出的,為14mK,按均勻分布估計(jì)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總
　　標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。
　　AA級(jí)熱電阻在0℃時(shí)，以測(cè)量系統(tǒng)檢定三次作為重復(fù)性,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)其最大差值在2mΩ以?xún)?nèi)。其測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量經(jīng)計(jì)算為6.06mK。同時(shí),需要考慮0℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)自熱影響引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。匯總表見(jiàn)表4。
 
4.2.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
　　以上各項(xiàng)輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量彼此不相.關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
 
4.2.5擴(kuò)展不確定度
　　取包含因子k=2,擴(kuò)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(yàn)證
　　根據(jù)JJG229--2010,AA級(jí)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(cè)量系統(tǒng)檢定工業(yè)鉑電阻的測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度滿(mǎn)足要求,故可作AA級(jí)工業(yè)鉑熱電阻的檢定。
5測(cè)量結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證
　　將溫度自動(dòng)測(cè)量結(jié)果檢定AA級(jí)工業(yè)熱電阻得到的測(cè)量結(jié)果與樣品證書(shū)值進(jìn)行比較,給出比對(duì)誤差值。按下式計(jì)算:
△t=△lab-△ref.(6)
式中:
△t---測(cè)量系統(tǒng)與證書(shū)值的比對(duì)差值，℃;
Alab---測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得樣品的誤差值，℃;
Aref一證書(shū)值給出樣品的誤差值，℃;
校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證按照下式計(jì)算給出:
 
　　式中:Ulab---自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)值得測(cè)量結(jié)果不確定度(k=2);
Uref---樣品證書(shū)給出的測(cè)量結(jié)果不確定度(k=2)。
　　對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在0℃和100℃的檢定結(jié)果驗(yàn)證見(jiàn)表5,表6,試驗(yàn)證明,測(cè)量結(jié)果均滿(mǎn)足要求。
 
6結(jié)束語(yǔ)
　　在一定約束條件下,使用JJF1098-2003校準(zhǔn)的溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是滿(mǎn)足檢定AA級(jí)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(cè)量工業(yè)熱電阻重復(fù)性過(guò)大,則有可能導(dǎo)致.系統(tǒng)本身無(wú)法測(cè)量AA級(jí)工業(yè)熱電阻,但是從校準(zhǔn)結(jié)果不確定度驗(yàn)證中,反而使得En值變小。因此，在實(shí)際校準(zhǔn)溫度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)過(guò)程中,應(yīng)避免出現(xiàn)本身測(cè)量設(shè)備不滿(mǎn)足要求,而測(cè)量結(jié)果En絕對(duì)值.反而偏小的誤判情況。