工业铂热电阻检定不确定度评定

[摘要]工业铂热电阻测量的可靠性关系着产品的生产质量,本文基于工业铂热电阻的测温原理和检定标准，分析了工业铂热电阻检定的不确定度来源，并计算了各种不确定度分量对测量检定结果的贡献比值，能够为提高工业铂热电阻的测量精度提供可靠的理论依据，具有较好的工程实用价值。
引言
　　温度是当前工业生产中最常用的基本参数之一，其测量的正确性和可靠性在保证产品质量、降低生产成本、提高生产效率等方面都具有重要作用。常见的温度测量仪器多种多样,如气体温度计、电阻温度计、温差热电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等等。工业铂热电阻(工业铂热温度计,IPRT)是一种具有测量精确度高、机械性能和抗震性能好、通用性好、操作方便等优点的工业测温仪器，其测温区间为-200C~+850℃，与电测仪表相配合能够实现远距离测温、记录和控制，因此在各大行业中的应用最为广泛。
　　1990年国际计量局颁布实施了ITS-90国际温标，国际温标的改进对工业测温产生了重要影响。为提高温度测量的准确度，近年来国内外许多专业的计量机构和检测实验室对工业铂热温度计展开了大量的检定工作。在进行工业铂热电阻检定时，与自测R。值得不确定度检定相比，上级证书Rp值的不确定度检定结果更小，检定准确度更高。文献在工业铂热电阻不确定度检定中表明:水三相点是定义标准铂电阻温度计温度的基点，进行SPRT检定时必须使用电测设备在水三相点中实测来取得此基准点Rtp值,并以此实测值与Rt值的比值作为Wt,从而计算出实际温度。工业铂热电阻检定结果的不确定度与温度测量的准确性密切相关，因此如何减小IPRT检定结果的不确定度具有重要价值。
在已有的基础上，分析了工业铂热电阻的不确定度来源，并计算了各种不确定度分量对测量检定结果的贡献比值，案例分析结果表明，该方法能够有效的提高温度测量的精度，对工业生产的温度测量具有重要的研究价值和指导意义。
1工业铂热电阻检定简介
　　工业铂热电阻主要由三个部分组成:铂金属感温元件(可分为绕线元件和薄膜元件等两大类)、骨架套管和引线，与相应的电测仪器配合实现温度测量记录和控制等功能，其结构示意图如图1所示。
 
为确保工业铂热电阻在实际测温中的正确性，需要采用专门的IPRT检定装置对其进行校验和评价。IPRT检定装置主要由电测仪器、标准铂热电阻(SPRT)、恒温源等设备组成。恒温源能够为检定装置提供所需的稳定温度环境;电测仪器用于配合标准铂热电阻实现温度的正确测量;标准铂热电阻SPRT是各种标准温度计和精密仪器检定中的标准器，主要用于量值的传递和高精密测温，在进行工业铂热电阻的检定时，SPRT的精确性和电测仪器的准确性十分重要，按精度等级来分，可分为基准、一等和二等，按测温范围不同，可分为高温、中温和低温三种。我国常见的IPRT分度号为:Pt10、Pt100、Pt1000等等，即标准状态下0℃时的阻值分别为10Ω、100Ω、1000Ω等。根据JJG229-2010颁布的标准，我国的IPRT按测温范围和允许误差等级可分为四个常见的不同等级，如表1所示。
 
2测量不确定度的判定及应用
2.1测量不确定度简介
测量不确定度是指由于测量存在误差，对被测量值不能肯定的程度，是表征测量结果可信赖程度的重要参数。一般而言，不确定度越小，测量结果与实际值越接近，准确度越高，实际应用价值也越大;反之，测量不确定度越大，表明测量结果与实际值相差越大，可信度越低。
测量不确定度包括标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度。标准不确定包括A类和B类两种评定方法，A类评定方法是一种通过对样本观测值进行统计分析来评定不确定度的方法，B类评定是除A类评定方法以外的其他评定方法。合成标准不确定度是将多个标准不确定度分量按照-定的数学模型进行合成而得到的标准不确定度。扩展不确定度也称范围不确定度，确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间，由合成标准不确定度的倍数表示。
测量不确定度的来源主要是测量仪器、测量方法和环境、以及测量人员的主观性等。测量不确定度评定的主要步骤如图2所示。
 
2.2测量不确定度的判定原则
测量不确定度的判定是指实际测量中对测量结果是否符合规定的技术指标要求的判定，将实际测量值与被测件的标称值进行对比分析，当实际测量值与
标称值之差在技术指标要求的允许误差范围之内时，则视为合格，反之则为不合格。IPRT检定时测量真值分布在一定的区间范围内，并且该区间范围内不同点的分布概率也不相同，测量结果的可能分布区间如图3所示。
 
如图3所示，X表示被测件的标称值，区间范围[X-ζ，X+ζ]表示测量真值所允许的误差范围;X表示测量结果，△表示扩展不确定度。因此，被测件的测量共有8种不同的情况，如表2所示。
 
由图3和表2可以看出I和V完全处于误差允许范围内，应判定为合格，同理IV和M全部在误差允许范围外，应判定为不合格。然而，对于II、I、V、VI而言，其部分分布在误差允许范围内，-部分分布在误差允许范围外，无论将其视为合格，或者不合格，都存在“误判合格”或“误判不合格”的风险，其误判风险的大小与扩展不确定度△密切相关。目前通常采用测量不确定度比λ来评判误判风险的大小，如式(1)所示:
 
显然，λ值越小，误判风险也就越小，实际检测中当λ≤0.25~0.1,(p=95%，k=2)时则判定为合格，对于精确度要求不高的产品检测中，λ值不大于1/3即判定为合格。
3检定装置的不确定度评定
3.1数学模型
温度为0℃时，被检定工业铂热电阻的测量误差数学模型如式(2)所示:
 
其中，Ri、R*i和R*ip为输人量。
温度为100℃时，被检定工业铂热电阻的测量误差数学模型如式(3)所示:
 
式(2)和式(3)中，R*ip。可通过查阅检定证书获得，或通过在水三相点瓶重新测量而获得;R0、R100、(dR/d)t=0、(dR/D)t=100均为常数;Wo^s、W100^s、dRt^s;'/dt)t=0和(dRt^s/dt)t=100均可通过查阅检定证书而得到，由于其值很小，可忽略不计。
3.2标准不确定度评定
工业铂热电阻的主要不确定度来源包括:检定结果的重复性、SPRT复现性和稳定性、SPRT自热影响、电测仪器影响SPRT、电测仪器影响IPRT、恒温源温度的影响、恒温源的均匀性、以及IPRT的自热影响等等。
　　采用三支不同的Pt100进行多次重复性测试，以s(x)表示测量结果的标准偏差，其在0℃和100℃时的电阻值测量结果如表3和表4所示。
 
　　由表3和表4可以计算出各不确定度来源的标准不确定度分量，如表5所示。
3.3合成标准不确定度评定
　　由3.2节可计算输人量△ti、△th的合成标准不确定度，如式(4)所示。
 
 
3.4扩展不确定度评定
取置信概率p=95%，k==2，并对扩展不确定度保留两位有效数字，则检定结果的扩展不确定度如式(7)所示。
 
通过以上三种检定结果的不确定度计算和评定可以分析比较各种不确定度分量对总不确定度的贡献比例，对进一步提高测量结果的准确度具有较强参考价值。
4结论
IPRT的基本理论和检定方法,分析了工业铂热电阻测量检定中不确定度的来源，计算了各种不确定度分量对检定结果不确定度的贡献比例，并给出了具体的参考实例，为进一步减小和控制检定不确定度提供了可靠的参考价值。