陳桂生

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都610021）

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻使用方法在熱電阻檢定與溫度測(cè)量中的差異研究

陳桂生

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都610021）

就標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在熱電阻檢定與溫度測(cè)量中的使用方法問題，以國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范和專家的論斷為討論背景，采用理論計(jì)算和數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比分析的方法進(jìn)行研究。通過以標(biāo)稱電阻值（Rtp）為25Ω與100Ω的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，不同允差等級(jí)的電測(cè)儀器，不同的溫度測(cè)量與工業(yè)熱電阻檢定方法，得到有意義的數(shù)據(jù)，辨別和證明國(guó)內(nèi)規(guī)范及專家論據(jù)的一個(gè)誤區(qū)。對(duì)改善工業(yè)熱電阻檢定方法的科學(xué)性和提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

溫度計(jì)量；標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻；熱電阻；檢定；誤差；不確定度

鉑電阻溫度計(jì)用于國(guó)際溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)離不開國(guó)際溫標(biāo)推薦的定義固定點(diǎn)。所有這些固定點(diǎn)都有給定的溫度值，這些值與熱力學(xué)溫度值最接近，固定點(diǎn)的相平衡溫度具有很高的復(fù)現(xiàn)性，尤其是水三相點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)性可優(yōu)于0.1mK（國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）。因此，最高準(zhǔn)確度的溫度計(jì)的檢定和分度都離不開國(guó)際溫標(biāo)定義的固定點(diǎn)和鉑電阻溫度計(jì)，這不僅需要花費(fèi)高昂的設(shè)備成本，還得有高水平有經(jīng)驗(yàn)的專家按照復(fù)雜的操作程序，花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間完成檢定和分度工作。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及專家論述

工業(yè)鉑熱電阻是各行業(yè)中大量使用的準(zhǔn)確度較高的工業(yè)溫度計(jì)，大量專業(yè)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室都在開展該類溫度計(jì)的檢定工作。長(zhǎng)期以來許多實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)熱電阻檢定裝置按規(guī)程規(guī)定配有水三相點(diǎn)保存裝置，檢定工業(yè)熱電阻時(shí)重測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的Rtp值（即自行給標(biāo)準(zhǔn)賦值）[1-4]，以求提高標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量檢定點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確性，達(dá)到減小標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)量誤差對(duì)工業(yè)熱電阻檢定結(jié)果的影響。

國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在溫度計(jì)量器具檢定及溫度測(cè)量中的主要認(rèn)識(shí)有：“這就是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻要求同一電測(cè)設(shè)備測(cè)量Rt與Rtp來參與計(jì)算比值Wt能有效地減小電測(cè)設(shè)備帶入的系統(tǒng)影響的原因”[5]，“有些使用者在使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測(cè)量時(shí)，不進(jìn)行該電測(cè)儀器的Rtp值測(cè)量，而使用證書上給出的Rtp值來計(jì)算Wt及溫度t，這樣將會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，以致失去標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)”[5]。其在工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果不確定度的實(shí)例分析中強(qiáng)調(diào)：“水三相點(diǎn)是定義標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溫度的基點(diǎn)，理論上是準(zhǔn)確的。每次使用SPRT時(shí)亦必須使用電測(cè)設(shè)備在水三相點(diǎn)中實(shí)測(cè)來取得此基準(zhǔn)點(diǎn)的Rtp值，并以此實(shí)測(cè)值與Rt值計(jì)算出比值Wt來計(jì)算實(shí)際溫度”[5]，這應(yīng)該是國(guó)內(nèi)專家對(duì)精密溫度測(cè)量和工業(yè)熱電阻檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)使用方法最直接明確的論述。

另一專著對(duì)檢定分度熱電阻溫度計(jì)的方法論述是“對(duì)于準(zhǔn)確度不高或工業(yè)用電阻溫度計(jì)，可用比較法檢定”[6]，在此沒有說到檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的來源。在其標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)的正確使用一節(jié)強(qiáng)調(diào)“由ITS-90可知，W（T）=RT/Rtp。按此方法計(jì)算時(shí)，可減小電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定性帶來的影響，也能克服不同電測(cè)設(shè)備系統(tǒng)誤差的不同引起的部分影響。但是，如果在計(jì)算W（T）時(shí)選用的Rtp不是取于同一天測(cè)量RT前后的數(shù)據(jù)，而是選用時(shí)隔多日的測(cè)量值，或是來源于該溫度計(jì)檢定證書上給出的Rtp，則難以減少電阻溫度計(jì)不穩(wěn)定帶來的影響。另外，如果用來測(cè)量RT和Rtp的電測(cè)儀器不是同一臺(tái)儀器，也不能克服電測(cè)儀器系統(tǒng)誤差造成的部分影響。在上述不準(zhǔn)確情況下計(jì)算得到的W（T）值，將會(huì)引起很大誤差。有時(shí)，會(huì)誤判一支合格的溫度計(jì)為不合格”[6]。遺憾的是這里只是強(qiáng)調(diào)每次使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)要測(cè)量Rtp的重要性，沒有提到在完成不同溫度測(cè)量或量傳要求時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)使用方法的不同。實(shí)際情況需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

2 不同用途使用方法比較研究

為了說明標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在不同用途和不同使用方法中所產(chǎn)生的差別，選用標(biāo)稱電阻值Rtp為25Ω與100Ω的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)器分別進(jìn)行討論，為方便分析直接選用參考值[7]（見表1）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的參考函數(shù)值

電測(cè)儀器用數(shù)字多用表，儀器基本量程為0～100Ω，量程測(cè)量范圍0～200Ω，工作電流1mA。各等級(jí)測(cè)量?jī)x器允許誤差見表2。

表2 儀器等級(jí)及允許誤差

2.1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)Rtp用標(biāo)稱電阻值，其他參數(shù)用參考函數(shù)值，分析用不同級(jí)別電測(cè)儀器（允差見表2）在不同測(cè)量方法下產(chǎn)生的測(cè)量誤差大小。以常用的0℃、100℃兩點(diǎn)為例分析測(cè)量誤差值[3，6]，即：

式中：Δts——標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在0℃、100℃時(shí)的測(cè)量誤差值，℃；

為使分析簡(jiǎn)單明了，計(jì)算時(shí)暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書Rtp值和自測(cè)Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值用上級(jí)證書值

表3 0℃、100℃點(diǎn)電測(cè)儀器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻帶來的誤差

把表1、表3數(shù)據(jù)代入式（1）可計(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量誤差，計(jì)算結(jié)果列于表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R tp值用上級(jí)證書值時(shí)的測(cè)量誤差

2.1.2 自測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值

不同等級(jí)電測(cè)儀器測(cè)量25，100Ω標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)水三相點(diǎn)Rtp值時(shí)帶來的誤差根據(jù)表2計(jì)算得到列于表5。

表5 電測(cè)儀器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻水三相點(diǎn)的誤差

把表1、表3、表5數(shù)據(jù)代入式（1）可計(jì)算得到不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量誤差，計(jì)算結(jié)果列于表6。

表6 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R tp值用自賦值時(shí)的測(cè)量誤差

2.2 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于工業(yè)熱電阻的檢定

以0，100℃兩個(gè)檢定點(diǎn)為例來分析用不同級(jí)別電測(cè)儀器（允差見表2）不同檢定方法產(chǎn)生的檢定結(jié)果誤差值大小[3]，即：

式中：Δt——被檢熱電阻在0，100℃點(diǎn)檢定結(jié)果的誤差值，℃；

Rt——被檢熱電阻在0，100℃點(diǎn)的測(cè)量值，Ω；

R——被檢熱電阻在0，100℃時(shí)的標(biāo)稱值，Ω；

（d R/d t）——被檢熱電阻的電阻對(duì)溫度的變化率，Ω/℃。

Pt100工業(yè)鉑熱電阻在兩個(gè)溫度點(diǎn)的技術(shù)參數(shù)及各級(jí)鉑熱電阻允許偏差見表7。

表7 Pt100技術(shù)參數(shù)及允許偏差

不同等級(jí)電測(cè)儀器測(cè)量Pt100工業(yè)鉑熱電阻時(shí)帶來的誤差根據(jù)表2、表7計(jì)算得到列于表8。

表8 電測(cè)儀器測(cè)量Pt100工業(yè)鉑熱電阻的誤差

同樣，為使分析簡(jiǎn)單明了，計(jì)算時(shí)暫不考慮標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻證書Rtp值和自測(cè)Rtp值時(shí)水三相點(diǎn)容器本身復(fù)現(xiàn)的不確定度及其他影響量。

2.2.1 檢定時(shí)用自測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值

把表1、表3、表5、表7、表8數(shù)據(jù)代入式（2）可計(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器時(shí)帶入檢定結(jié)果的誤差，計(jì)算結(jié)果列于表9。

表9 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R tp用自測(cè)值時(shí)帶入檢定結(jié)果的誤差

2.2.2 檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值用上級(jí)證書值

把表1、表3、表7、表8數(shù)據(jù)代入式（2）可計(jì)算得到用不同等級(jí)測(cè)量?jī)x器時(shí)帶入檢定結(jié)果的誤差，計(jì)算結(jié)果列于表10。

3 結(jié)果比較分析

為了更直觀地比較標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在不同用途、不同使用方法時(shí)和使用不同準(zhǔn)確度等級(jí)電測(cè)儀器對(duì)測(cè)量和檢定結(jié)果貢獻(xiàn)的誤差。把25Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻不同用法對(duì)0，100℃點(diǎn)結(jié)果的影響大小分別如圖1、圖2所示，把100Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻不同用法對(duì)0，100℃點(diǎn)結(jié)果的影響大小分別如圖3、圖4所示。

表10 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R tp用上級(jí)證書值時(shí)帶入檢定結(jié)果的誤差

從圖中色柱和前面表中數(shù)據(jù)可以看出：

1）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于溫度測(cè)量時(shí)，在分析所用電測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)下同時(shí)測(cè)量Rt和Rtp的方法比溫度計(jì)用上級(jí)證書上Rtp值的測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，前者的測(cè)量誤差比后者要小得多，尤其是在電測(cè)儀器的準(zhǔn)確度等級(jí)越低時(shí)差別更為明顯。

2）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于工業(yè)熱電阻檢定時(shí)，自測(cè)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Rtp值（自行給標(biāo)準(zhǔn)器賦值）的檢定結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻用上級(jí)證書Rtp值的檢定結(jié)果的誤差要大得多，這與論點(diǎn)[5-6]或規(guī)范依據(jù)[1-4]恰好相反。

從圖1、圖2（25Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻）可以看出兩種檢定方法檢定結(jié)果的誤差比值與文獻(xiàn)[8]兩種檢定方法檢定結(jié)果不確定度評(píng)估結(jié)果的比值基本一致。不同之處主要是本文只分析了關(guān)鍵影響量帶來的誤差，文獻(xiàn)[8]的不確定度包括全部影響量，在關(guān)鍵影響量變小時(shí)其他影響量在不確定度評(píng)定結(jié)果中的貢獻(xiàn)就會(huì)明顯地顯現(xiàn)出來。

圖1 25Ω標(biāo)準(zhǔn)不同用法對(duì)0℃結(jié)果影響

圖2 25Ω標(biāo)準(zhǔn)不同用法對(duì)100℃結(jié)果影響

圖3 100Ω標(biāo)準(zhǔn)不同用法對(duì)0℃結(jié)果影響

把圖3與圖1、圖4與圖2比較可以看出使用100Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻檢定Pt100型工業(yè)熱電阻比使用25Ω（Rtp）標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻效果更好，這與文獻(xiàn)[9]的不確定度評(píng)估結(jié)果也是一致的。

3）不可把同時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)Rt和Rtp可大大減小溫度測(cè)量結(jié)果的誤差的方法推廣應(yīng)用于工業(yè)熱電阻的檢定，因?yàn)樵撟龇〞?huì)浪費(fèi)大量的設(shè)備投入經(jīng)費(fèi)，而且使檢定結(jié)果的誤差增大。

圖4 100Ω標(biāo)準(zhǔn)不同用法對(duì)100℃結(jié)果影響

4）在同樣的電測(cè)儀器技術(shù)指標(biāo)下，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于溫度測(cè)量與熱電阻的檢定分度時(shí)，同樣方法所得結(jié)果誤差大小截然不同，應(yīng)引起我們?cè)谑褂煤图夹g(shù)規(guī)范制修訂時(shí)的注意。要區(qū)別這兩者的誤差或不確定度差別的大小，這要看具體方法和條件，不能簡(jiǎn)單地一概而論。

4 結(jié)束語

由前面的分析比較結(jié)果可以看出能否保證測(cè)量或檢定結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，重要的是要看所用方法的正確性和科學(xué)合理性，不同水平的測(cè)量和檢定分度應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▉硗瓿伞?/p>

[1]JJG 229—1987工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1987.

[2]JJG 229—1998工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[3]JJG 229—2010工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2010.

[4]JJF 1098—2003熱電偶、熱電阻自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003.

[5]沈正宇.溫度測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006：38，86.

[6]崔志尚.溫度計(jì)量與測(cè)試[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998：72-78.

[7]JJG 160—2007標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[8]陳桂生，付志勇，朱育紅，等.工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結(jié)果的可信度研究[J].中國(guó)測(cè)試，2014，40（6）：17-21.

[9]陳桂生，付志勇，趙晶，等.低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度的方法研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（1）：24-28.

Study on the difference of standard platinum resistance used in thermal resistance verification and tem perature measurement

CHEN Guisheng
（National Institute of Measurement and Testing Techology，Chengdu 610021，China）

The paper involves the study on the usage of standard platinum resistance thermometers in thermal resistance verification and temperature measurement by comparatively analyzing the theoretical calculation with the data results based on the existing specifications and the experts’conclusions in China.By nominal resistance value（Rtp）for 25Ωand 100Ωstandard platinum resistance，different tolerance levels of electricalmeasuring instruments were employed to measure the temperature and verify the industrial thermal resistance by means of different methods and standard platinum resistances with the nominal resistance value（Rtp）of 25Ωand 100Ω.The meaningful data obtained has identified and proved one misunderstanding in domestic specifications and experts’arguments.The study has great economic and social value in promoting the scientific verification method of industrial thermal resistances and enhancing the accuracy of the detection results.

temperature metrology；standard platinum resistance thermometer；thermal resistance；verification；error；uncertainty

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）06-0022-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.005

0 引言

鉑電阻溫度計(jì)具有測(cè)溫準(zhǔn)確度高、靈敏度好、穩(wěn)定可靠，在氧化環(huán)境中或高溫下使用時(shí)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)于準(zhǔn)確度要求高的溫度測(cè)量，鉑電阻溫度計(jì)總是最優(yōu)先選用的溫度計(jì)。鉑電阻溫度計(jì)可用于國(guó)際溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)，并作為各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器具通過逐級(jí)傳遞方式傳遞溫度量值，直至用于檢定和分度工業(yè)溫度傳感器。

2015-02-15；

2015-03-21

陳桂生（1953-），男，山東東明縣人，研究員，主要從事溫度計(jì)量技術(shù)研究。