溫度自動測量系統檢定AA級工業熱電阻方法

摘要:計量機構、工業電力、石油化工等計量部門廣泛運用溫度自動測量系統檢定工業熱電阻。在JJG229-2010《工業鉑、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行了規定,相對于其他等級的工業熱電阻,檢定其所使用配套設備技術指標要求變高,檢定方法較為復雜。因此,依據JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范》校準過的溫度自動測量系統是否能夠開展檢定AA級熱電阻的工作需要得到明確結論。通過理論計算,不確定度分析,實驗驗證，得出使用溫度自動測量系統檢定AA級工業熱電阻所需要滿足計量特性的技術指標,并且根據技術指標提出使用溫度測量系統檢定工業鉑電阻時必須注意的事項。
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點,在醫療衛生、工業生產、科學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兩大類。近些年,對工業熱電阻檢定方法研究內容較多,目前計量機構依據JIC229--2010《工業鉑、銅熱電阻》開展工業熱電阻的檢定工作,現行版本將上一版本工業熱電阻等級A級,B級,擴展為AA級,A級,B級,C級四個等級,同時，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AA級工業鉑電阻而言,規程中要求“檢定AA級熱電阻時,R*tp的電阻值必須在三相點瓶中用電測儀器重新測量,有利于改善測量不確定度”。
　　為了節省時間,提高工作效率,降低出錯率，大部分計量機構及企業計量部門使用溫度自動測量系統(以下簡稱測量系統)對工業熱電阻允差進行檢定工作,并且上級部門依據JJF1098-2003《熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范》校準溫度自動測量系統。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級,B級熱電阻的溫度自動測量系統計量特性技術指標有所要求,并未提及更高等級的AA級工業熱電阻。因此,有必要對溫度自動測量系統的技術指標進行討論,論證其依據JJF1098校準后的現有能力是否滿足開展AA級工業熱電阻工作的檢定要求。同時,研究利用測量系統檢定AA級熱電阻所需要注意的事項,避免錯判情況發生。
1標準器及配套設備
　　依據JJG229--2010,檢定AA級工業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。轉換開關接觸電勢不大于1.0μV,恒溫槽均勻性要求:水平溫場任意點不大于0.01℃,最大溫場不大于0.02℃,10min的波動性不大于0.04℃。因為本文討論使用測量系統檢定AA級工業熱電阻的技術要求，默認準備:工作已經重新測量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,具體要求見表1。
 
2計量特性
　　參考JJF1098-2003和JJG229--2010,在這兩個國家計量規范中，相同技術特性選取最新的技術指標要求,使用測量系統現行檢定最高等級工業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測量溫度的元件或儀器。在實際測溫中,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級工業熱電阻的檢定點選擇0℃和100℃,同時檢查α的符合性,當α不符合要求時,仍應進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℃的標稱值,Ω;
(dR/dt)t=0，(dR/dt)t=100被檢熱電阻在0℃，
100℃時，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電阻值,Ω;
W^s0，W^s100---標準鉑電阻溫度計在證書上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,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熱電阻時,需要提前將標準鉑電阻的證書信息輸人上位機中,由于檢定AA級工業熱電阻必須在三相點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,依次將引線接人掃描開關。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
　　使用溫度自動測量系統測量AA級工業熱電阻時，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,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℃時測量為例,不確定度來源: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被校通道得出代表數據(不大于12mΩ);還規定--模擬值供并聯的各通道采集數據,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)，這是考慮到各個通道的重復性都包含在測得結果中,以極差法計算實驗標準差,即
u1(△t)=14/0.37928/1.69=21.84(mK)
2)溫場均勻性引入的標準不確定度u2(△th)
　　在100℃時,恒溫槽插孔之間的溫場均勻性不超過0.01℃;檢定過程中溫度波動不大于0.04℃/10min,因標準和被檢的讀數時間一般小于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,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,根據實際經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)掃描開關寄生電勢引人的標準不確定度分量u6(△th)
　　掃描開關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。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級工業鉑電阻時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的標準不確定度u3(△t*h)
　　100℃時,由于在較高溫度流動介質的恒溫槽中，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，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表3。
 
 
　　同理,按照上述方法分析0℃時標準不確定度分量。
　　AA級熱電阻在0℃時，以測量系統檢定三次作為重復性,經過試驗其最大差值在2mΩ以內。其測量重復性引入的不確定度分量經計算為6.06mK。同時,需要考慮0℃時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，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,滿足約束條件的溫.度自動測量系統檢定工業鉑電阻的測量結果擴展不確定度滿足要求,故可作AA級工業鉑熱電阻的檢定。
5測量結果試驗驗證
　　將溫度自動測量結果檢定AA級工業熱電阻得到的測量結果與樣品證書值進行比較,給出比對誤差值。按下式計算:
△t=△lab-△ref.(6)
式中:
△t---測量系統與證書值的比對差值，℃;
Alab---測量系統測得樣品的誤差值，℃;
Aref一證書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---自動測量系統實測值得測量結果不確定度(k=2);
Uref---樣品證書給出的測量結果不確定度(k=2)。
　　對測量系統在0℃和100℃的檢定結果驗證見表5,表6,試驗證明,測量結果均滿足要求。
 
6結束語
　　在一定約束條件下,使用JJF1098-2003校準的溫度自動測量系統是滿足檢定AA級工業熱電阻的檢定條件的。但是,如果在檢定過程中，尤其是在.0℃時測量工業熱電阻重復性過大,則有可能導致.系統本身無法測量AA級工業熱電阻,但是從校準結果不確定度驗證中,反而使得En值變小。因此，在實際校準溫度自動測量系統過程中,應避免出現本身測量設備不滿足要求,而測量結果En絕對值.反而偏小的誤判情況。