温度自动测量系统检定AA级工业热电阻方法

摘要:计量机构、工业电力、石油化工等计量部门广泛运用温度自动测量系统检定工业热电阻。在JJG229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》修订后,规程对AA级热电阻的最大允许误差进行了规定,相对于其他等级的工业热电阻,检定其所使用配套设备技术指标要求变高,检定方法较为复杂。因此,依据JJF1098-2003《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》校准过的温度自动测量系统是否能够开展检定AA级热电阻的工作需要得到明确结论。通过理论计算,不确定度分析,实验验证，得出使用温度自动测量系统检定AA级工业热电阻所需要满足计量特性的技术指标,并且根据技术指标提出使用温度测量系统检定工业铂电阻时必须注意的事项。
0引言
　　电阻温度计具有准确度高,性能稳定,灵敏度好,应用范围广,可远距离测温等许多优点,在医疗卫生、工业生产、科学研究等各方面使用十分广泛"。按照稳定性可将电阻温度计分为标准和工业两大类。近些年,对工业热电阻检定方法研究内容较多,目前计量机构依据JIC229--2010《工业铂、铜热电阻》开展工业热电阻的检定工作,现行版本将上一版本工业热电阻等级A级,B级,扩展为AA级,A级,B级,C级四个等级,同时，对于其使用的标准器及配套设备、检定方法等要求作出了相应的变化。尤其对于AA级工业铂电阻而言,规程中要求“检定AA级热电阻时,R*tp的电阻值必须在三相点瓶中用电测仪器重新测量,有利于改善测量不确定度”。
　　为了节省时间,提高工作效率,降低出错率，大部分计量机构及企业计量部门使用温度自动测量系统(以下简称测量系统)对工业热电阻允差进行检定工作,并且上级部门依据JJF1098-2003《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》校准温度自动测量系统。但是,JJF1098--2003校准规范早于JJG229--2010检定规程制定，内容涉及只对于A级,B级热电阻的温度自动测量系统计量特性技术指标有所要求,并未提及更高等级的AA级工业热电阻。因此,有必要对温度自动测量系统的技术指标进行讨论,论证其依据JJF1098校准后的现有能力是否满足开展AA级工业热电阻工作的检定要求。同时,研究利用测量系统检定AA级热电阻所需要注意的事项,避免错判情况发生。
1标准器及配套设备
　　依据JJG229--2010,检定AA级工业热电阻允差所使用的标准器为二等标准铂电阻温度计,电测仪器必须使用0.005级及以上的数字多用表。转换开关接触电势不大于1.0μV,恒温槽均匀性要求:水平温场任意点不大于0.01℃,最大温场不大于0.02℃,10min的波动性不大于0.04℃。因为本文讨论使用测量系统检定AA级工业热电阻的技术要求，默认准备:工作已经重新测量R"值,因此重测R*tp所使用的标准器和配套设备不在这里描述,具体要求见表1。
 
2计量特性
　　参考JJF1098-2003和JJG229--2010,在这两个国家计量规范中，相同技术特性选取最新的技术指标要求,使用测量系统现行检定最高等级工业铂电阻的计量特性指标要求如表2所示
 
3测量原理及方法
3.1工业热电阻测量原理
　　热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化来测量温度的元件或仪器。在实际测温中,为了能够直接表征热电阻材料的纯度及内在特性,人们使用电阻比Wt而不是Rt即:
 
　　式中:Wt---标准铂电阻温度计在温度t时的电阻比;
Rt---标准铂电阻温度计在温度t的电阻值,Ω;
Rtp---标准铂电阻温度计的水三相点电阻值,Ω。
　　对于不同材料的金属导体,其电阻值随温度的改变程度是不同的。为表示单位温度变化引起的电阻值的相对变化，感温元件和热电阻的电阻温度系数用α表示。
依据JJG229--2010,AA级工业热电阻的检定点选择0℃和100℃,同时检查α的符合性,当α不符合要求时,仍应进行允差等级规定的上限温度的检定。在0℃和100℃温度测量误差的数学模型分别为式(2),式(3):
 
式中:
△t0,△t100---被检热电阻测得的分别偏离0℃,100℃的差，℃;
Ri,Rh---被检热电阻在约0℃,100℃测得的电阻值,Ω;
R0,R100---被检热电阻在0℃,100℃的标称值,Ω;
(dR/dt)t=0，(dR/dt)t=100被检热电阻在0℃，
100℃时，电阻值对温度的变化率，Ω/℃;
R*i，R*h---标准铂电阻温度计在约0℃,1000测得的电阻值,Ω;
R*tp---标准铂电阻温度计重测的水三相点电阻值,Ω;
W^s0，W^s100---标准铂电阻温度计在证书上0℃,100℃的电阻比;
(dW^St/d)t=0，(dW^St/dt)t=100---标准铂电阻温度计在0℃,100℃时,电阻比对温度的变化率，1/℃。
3.2测量方法
　　使用测量系统检定工业热电阻时,需要提前将标准铂电阻的证书信息输人上位机中,由于检定AA级工业热电阻必须在三相点瓶中用电测仪器重新测量R*tp值,因此需要将重新测量后的R*tp值再次覆盖原Rtp值。
将标准铂电阻温度计与被检热电阻置于恒温设备中,依次将引线接人扫描开关。测量系统控制恒温设备到达设定温度,判断测量标准温度稳定后,进行数据采集,数据计算,形成记录,生成报告,如图1所示。
 
4测量结果不确定度分析
4.1测量模型
　　使用温度自动测量系统测量AA级工业热电阻时，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的不确定度很小,可以忽略不计。为了便于分析测量结果,可将测量模型改为如下所示:
　　100℃时,被校试样的铂电阻测量模型为:
 
式中:
△th---被检热电阻在100℃恒温槽中测得的偏离100℃的差，℃;
△t*h---标准铂电阻在100℃恒温槽中测得的偏离100℃的差，℃。
△ti---被检热电阻在0℃恒温槽中测得的偏离0℃的差，℃;
△t*i一标准铂电阻在0℃恒温槽中测得的偏离0℃的差，℃。
4.2标准不确定度
4.2.1被检热电阻输人量的标准不确定度u(△th)
　　以100℃时测量为例,不确定度来源:测量重复性,插孔之间的温差,电测仪表,测量电流引起的自热,通道间数据采集差值,测量数据处理.结果。
1)测量的重复性ui(△th)
　　测量系统检定重复性只对标准通道及一个被校通道得出代表数据(不大于12mΩ);还规定--模拟值供并联的各通道采集数据,对通道间数据采集差值做出测量(不大于2mΩ),因此重复性指标应将通道间偏差指标也计人内(同向叠加)，这是考虑到各个通道的重复性都包含在测得结果中,以极差法计算实验标准差,即
u1(△t)=14/0.37928/1.69=21.84(mK)
2)温场均匀性引入的标准不确定度u2(△th)
　　在100℃时,恒温槽插孔之间的温场均匀性不超过0.01℃;检定过程中温度波动不大于0.04℃/10min,因标准和被检的读数时间一般小于5min,考虑总体影响,标准与被校试样温度差不超过0.02℃。均服从均匀分布,k=√3。因此:
u2(△th)=0.020/√3=11.55(mK)
3)电测仪表引起人的标准不确定度u3(△th)
　　100℃时,电测仪表允许基本误差计算公式为±(0.0036%x读数+0.0007%x量程)的不确定度区间半宽为138.51Ωx0.0036%+200Ωx0.0007%=0.00639Ω,在区间内可认为均匀分布,k=√3。
U3(△th)=0.00639/0.37928/√3=9.73(mK)
4)自热引起的标准不确定度u4(th)
　　电测仪表供感温元件的测量电流为1mA,根据实际经验感温元件一般有约2mΩ的影响。可均匀分布处理,k=√3,为2x10^-3Ω,换算成温度:
u4(△th)=0.002/0.37928/√3=3.04(mK)
5)测量数据处理结果引人的标准不确定度U5(△tn)
　　由数据修约或者其软件本身引起的测量数据处理结果,其值不能大于0.4mΩ,区间半宽度为0.2mΩ2,服从均匀分布,换算成温度:
U5(△th)=0.0002/0.37928/√3=0.30(mK)
6)扫描开关寄生电势引人的标准不确定度分量u6(△th)
　　扫描开关寄生电势引人的不确定度相对很小，可以忽略不计。
　　由于上述不确定度分量彼此不相关。因此,合成为:
 
4.2.2测量标准的标准不确定度u(△t*h)
　　不确定度来源:标准铂电阻的溯源和电阻比值的周期稳定性,电测设备的测量误差,测量电流引起的自热。
1)标准铂电阻溯源引人的标准不确定度u1(△t*h)
100℃为U=2.7mK,k=2,则:
U1(△t*h)=1.35(mK)
2)电测仪表引入的标准不确定度u2(△t*h)
　　检定AA级工业铂电阻时采用的电测设备测量R*t和R*tp的不确定度评估如下：
 
3)测量电流引起自热带来的标准不确定度u3(△t*h)
　　100℃时,由于在较高温度流动介质的恒温槽中，自热影响可以忽略不计。
4)W^s100的标准不确定度u4(△t*h)
　　由于W^s100是二等标准铂电阻温度计证书中给出的,为14mK,按均匀分布估计k=√3。则:
u4(△t*h)=14/√3=8.08(mK).
　　由于.上述不确定度分量之间彼此不相关，合成为:
 
4.2.3标准不确定度分量汇总
　　标准不确定度分量汇总表见表3。
 
 
　　同理,按照上述方法分析0℃时标准不确定度分量。
　　AA级热电阻在0℃时，以测量系统检定三次作为重复性,经过试验其最大差值在2mΩ以内。其测量重复性引入的不确定度分量经计算为6.06mK。同时,需要考虑0℃时标准铂电阻温度计自热影响引人的标准不确定度分量。汇总表见表4。
 
4.2.4合成标准不确定度
　　以上各项输入量标准不确定度分量彼此不相.关，合成标准不确定度为
 
4.2.5扩展不确定度
　　取包含因子k=2,扩展不确定为::
100℃:U=kuc(△t100)=28.2x2≈57(mK)
0℃:U=kuc(△t0)=12.1x2≈25(mK)
4.2.6验证
　　根据JJG229--2010,AA级工业铂热电阻在.100℃的允许误差为0.27℃,在0℃的允许误差为0.10℃,则有U≤1/4MPE,因此,满足约束条件的温.度自动测量系统检定工业铂电阻的测量结果扩展不确定度满足要求,故可作AA级工业铂热电阻的检定。
5测量结果试验验证
　　将温度自动测量结果检定AA级工业热电阻得到的测量结果与样品证书值进行比较,给出比对误差值。按下式计算:
△t=△lab-△ref.(6)
式中:
△t---测量系统与证书值的比对差值，℃;
Alab---测量系统测得样品的误差值，℃;
Aref一证书值给出样品的误差值，℃;
校准结果验证按照下式计算给出:
 
　　式中:Ulab---自动测量系统实测值得测量结果不确定度(k=2);
Uref---样品证书给出的测量结果不确定度(k=2)。
　　对测量系统在0℃和100℃的检定结果验证见表5,表6,试验证明,测量结果均满足要求。
 
6结束语
　　在一定约束条件下,使用JJF1098-2003校准的温度自动测量系统是满足检定AA级工业热电阻的检定条件的。但是,如果在检定过程中，尤其是在.0℃时测量工业热电阻重复性过大,则有可能导致.系统本身无法测量AA级工业热电阻,但是从校准结果不确定度验证中,反而使得En值变小。因此，在实际校准温度自动测量系统过程中,应避免出现本身测量设备不满足要求,而测量结果En绝对值.反而偏小的误判情况。