姚麗芳 陳 宇 鄭 偉 朱家良 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

精密鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)方法

姚麗芳 陳 宇 鄭 偉 朱家良 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹了精密鉑電阻溫度計(jì)的特性及0～660.323 ℃溫度范圍內(nèi)精密鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)方法。提出對(duì)測(cè)量上限溫度高于450 ℃的精密鉑電阻溫度計(jì)可參考使用說(shuō)明書要求進(jìn)行上限溫度退火，進(jìn)行定點(diǎn)法校準(zhǔn)時(shí)，可采用熔化點(diǎn)溫坪替代凝固點(diǎn)溫坪，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行定點(diǎn)法校準(zhǔn)的精密鉑電阻溫度計(jì)，可采用比較法校準(zhǔn)及采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的可行性，同時(shí)指出自熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。

精密鉑電阻溫度計(jì)；比較法；定點(diǎn)法；校準(zhǔn)；溫標(biāo)

0 引言

精密鉑電阻溫度計(jì)是利用鉑電阻隨溫度變化而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的精密儀器，其感溫元件必須由無(wú)應(yīng)力、退過(guò)火的鉑絲制成，標(biāo)稱電阻值Rtp通常為100 Ω，當(dāng)然也不排除有其他標(biāo)稱電阻值的可能性。

1 簡(jiǎn)介

精密鉑電阻溫度計(jì)種類繁多，型號(hào)各異，其結(jié)構(gòu)特征與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)相似。長(zhǎng)度方面有的長(zhǎng)達(dá)500 mm，有的短至100 mm，甚至更少；直徑方面有6.35 mm、6 mm、4.76 mm、4.7 mm、3.175 mm等；形狀方面有棒式、直角形、或者任意角度形狀。由于精密鉑電阻溫度計(jì)是近年來(lái)的新興產(chǎn)品，其穩(wěn)定性參差不齊，水三相點(diǎn)年穩(wěn)定性基本介于10 ～100 mK之間。

生產(chǎn)精密鉑電阻溫度計(jì)通常使用100 ℃時(shí)電阻比W100℃≥ 1.392 50及以上的鉑絲，僅有個(gè)別型號(hào)的產(chǎn)品采用W100℃= 1.392 30的鉑絲?？紤]到采用W100℃= 1.392 30鉑絲的產(chǎn)品占有量?jī)H為整個(gè)精密鉑電阻溫度計(jì)的1%，而且不同純度鉑絲制成的產(chǎn)品在進(jìn)行系數(shù)計(jì)算時(shí)使用的公式又不盡相同，因此本文的研究對(duì)象僅限于100℃時(shí)電阻比W100℃≥1.392 50以及WGa≥1.118 07或WHg≤0.844 24的精密鉑電阻溫度計(jì)。

精密鉑電阻溫度計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均接近于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，但又遠(yuǎn)高于工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)，基本可以參照J(rèn)JG 160-2007《標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程》進(jìn)行定點(diǎn)法校準(zhǔn)，但對(duì)于個(gè)別由于長(zhǎng)度、形狀以及量程的限制，無(wú)法進(jìn)行定點(diǎn)法校準(zhǔn)的溫度計(jì)，則應(yīng)考慮在恒溫槽中采用比較法校準(zhǔn)[1]。

2 退火

精密鉑電阻溫度計(jì)的感溫元件與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)近似，因此，可以通過(guò)退火來(lái)消除因機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力及鉑絲氧化導(dǎo)致的溫度漂移。

由于精密鉑電阻溫度計(jì)量程多樣，測(cè)溫上限有300 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃等多種規(guī)格，要求退火溫度也大不相同。研究表明，對(duì)于使用上限不高于450 ℃的鉑電阻溫度計(jì)退火意義不大，不僅無(wú)法消除應(yīng)力，還會(huì)讓鉑絲氧化程度惡化。因此，對(duì)于上限溫度不高于450 ℃的溫度計(jì)，不必進(jìn)行退火。而對(duì)于上限溫度高于450 ℃的溫度計(jì)（不含450 ℃），則應(yīng)在校準(zhǔn)前進(jìn)行退火，退火溫度可參考溫度計(jì)使用說(shuō)明書要求，時(shí)間為2 h。溫度計(jì)在退火后應(yīng)隨爐冷卻至420 ℃以下方可取出進(jìn)行水三相點(diǎn)及其他溫度點(diǎn)的測(cè)量。

3 熔化點(diǎn)溫坪與凝固點(diǎn)溫坪的比較

采用定點(diǎn)法校準(zhǔn)精密鉑電阻溫度計(jì)建議使用熔化點(diǎn)溫坪。與凝固點(diǎn)溫坪相比，熔化點(diǎn)溫坪具有復(fù)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)便、無(wú)需誘導(dǎo)、耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，但溫坪質(zhì)量不及凝固點(diǎn)，對(duì)于整體性能略遜于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精密鉑電阻溫度計(jì)，是完全可以接受的。

為了準(zhǔn)確測(cè)量凝固點(diǎn)溫坪和熔化點(diǎn)溫坪的差異，采用4支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。每支鉑電阻溫度計(jì)分別在5次凝坪和5次熔坪中校準(zhǔn)1次，取平均值做為結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)證明，熔化點(diǎn)溫坪和凝固點(diǎn)溫坪（鋁點(diǎn)、鋅點(diǎn)、錫點(diǎn)）測(cè)WAl最大差異為1.5 mK，測(cè)WZn最大差異1.0 mK，測(cè)WSn最大差異0.8 mK。因此，在精密鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)過(guò)程中，完全可以用熔化點(diǎn)溫坪替代凝固點(diǎn)溫坪。

4 比較法校準(zhǔn)

對(duì)于尺寸不符合小型固定點(diǎn)設(shè)備的精密鉑電阻溫度計(jì)和測(cè)量上限低于固定點(diǎn)溫度的精密鉑電阻溫度計(jì)，推薦使用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)。

采用4支精密鉑電阻溫度計(jì)、符合一等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置要求的小型固定點(diǎn)設(shè)備、以及添加等溫塊后孔間溫差優(yōu)于2.0 mK的溫度比較裝置，在鋅凝固點(diǎn)（419.527 ℃）和錫凝固點(diǎn)（231.928 ℃）進(jìn)行比較法和定點(diǎn)法比對(duì)試驗(yàn)。用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，要求溫度比較裝置中溫度偏離測(cè)試點(diǎn)不超過(guò)±0.5 ℃，定點(diǎn)法則使用了熔化點(diǎn)溫坪。為了提高可靠性，在6 d對(duì)所有被校溫度計(jì)在鋅點(diǎn)和錫點(diǎn)用比較法進(jìn)行6遍復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，比較法和定點(diǎn)法在鋅凝固點(diǎn)最大差異為6.3 mK，比較法裝置的復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于3.0 mK；在錫凝固點(diǎn)最大差異為2.5 mK，復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于2.0 mK，符合JJF 1178-2007規(guī)定的一等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)性要求[2]。因此，比較法可以用于精密鉑電阻溫度計(jì)的校準(zhǔn)，但在不確定度評(píng)定中應(yīng)合理考慮兩種方法帶來(lái)的差異。

比較法校準(zhǔn)時(shí)可以采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Wt— 被校溫度計(jì)在分度點(diǎn)溫度t的電阻值Rt與Rtp的比值；

Wt′— 被校溫度計(jì)在實(shí)際溫度t′的電阻值Rt′與Rtp的比值；

Wt*— 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在分度點(diǎn)溫度t的證書電阻比值；

Wt′*— 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在實(shí)際溫度t′的電阻比值（注：Wt*由為該標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)出具證書的單位提供）

經(jīng)大量計(jì)算驗(yàn)證，簡(jiǎn)化式（2）和1990年國(guó)際溫標(biāo)推薦使用公式[4]在WZn最大差異為1.1 mK，WSn最大差異為0.5 mK，且由于比較法規(guī)定偏離測(cè)試點(diǎn)溫度不得超過(guò)±0.5 ℃，計(jì)算獲得K值簡(jiǎn)化在鋅點(diǎn)和錫點(diǎn)僅帶來(lái)0.20 mK和0.15 mK的誤差，因此采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算即可[5]。

5 自熱效應(yīng)對(duì)精密鉑電阻溫度計(jì)的影響

精密鉑電阻溫度計(jì)校準(zhǔn)和使用時(shí)可能置于不同的恒溫容器中，雖然測(cè)量時(shí)采用1 mA電流，但放在金屬容器中和恒溫介質(zhì)中所帶來(lái)的自熱影響顯然是不同的。

將6支精密鉑電阻溫度計(jì)分別置于金屬固定點(diǎn)和恒溫槽中，測(cè)其自熱效應(yīng)，見表1。

實(shí)驗(yàn)證明，自熱效應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)及流動(dòng)狀況等因素有關(guān)，在高溫或流動(dòng)介質(zhì)中，散熱系數(shù)相對(duì)較大，它們的分散性最大差異為0.8 mK，在定點(diǎn)爐和流動(dòng)介質(zhì)中的自熱效應(yīng)差異為4.0 mK。因此，溫度計(jì)在校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格約定在1 mA條件下進(jìn)行，使用者也必須遵守在1 mA條件下測(cè)量，且應(yīng)合理考慮自熱的分散性[6]。

表1 自熱效應(yīng)

6 結(jié)語(yǔ)

校準(zhǔn)精密鉑電阻溫度計(jì)應(yīng)采用定點(diǎn)法、比較法相結(jié)合的原則。對(duì)于計(jì)量性能不如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精密級(jí)而言，采用熔化點(diǎn)溫坪替代凝固點(diǎn)溫坪是可行的。當(dāng)采用比較法時(shí)，應(yīng)選用符合要求的裝置，可采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。自熱效應(yīng)在精密鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量中不容忽視，可在不確定度分量中作為分量予以考慮。

[1] 全國(guó)溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 160-2007[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[2] 全國(guó)溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1178-2007[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[3] 邱萍，瞿詠梅，張哲，等. 用鋅凝固點(diǎn)和水沸點(diǎn)檢定二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的擴(kuò)展不確定度評(píng)定[J]. 現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試，2000，3：47-49+46.

[4] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司. 1990年國(guó)際溫標(biāo)宣貫手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

[5] 鎖凱聲. 中溫標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量誤差的計(jì)算方法[J]. 計(jì)量技術(shù)，1997，12：31-34+19.

[6] 張潔天，賈宏博，任磊. 鉑電阻溫度傳感器的自熱效應(yīng)[J]. 傳感器技術(shù)，2002，9：13-14+17.

Study of precision platinum resistance thermometer calibration method

Yao Lifang，Chen Yu，Zheng Wei，Zhu Jialiang
（Shanghai Institute of Measuring and Testing）

In this article, we introduce the performance characteristic of precision platinum resistance thermometer and how to calibrate it within 0 to 660.323 degree centigrade. We put forward that the precision platinum resistance thermometer whose upper limit temperature is higher than 450℃ can be annealed at ceiling temperature in instruction manual. When we calibrate precision platinum resistance thermometer with fi xed point method, we can use melting point instead of freezing point. And we focus on the feasibility of calibrating precision platinum resistance thermometer with comparison method instead of fixed point method and using simpli fi ed formula to get the calibration results. Meanwhile, we point out the thermal effect in fl uence on calibration.

precision platinum resistance thermometer；comparison method； fi xed point；method calibration；temperature scale