低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度方法研究

1、第41卷第1期2015年1月中國測試低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度方法研究陳桂生，付志勇，趙晶，朱育紅，楊銳（中國測試技術(shù)研究院，四川成都610021）摘要：依據(jù)JJG 2292010工業(yè)鉑、銅熱電阻規(guī)定的技術(shù)條件, 分別用標稱電阻值R tp 為25和100的二等標準鉑電阻溫度計作標準，在電測儀器不同允差水平下，對Pt100鉑熱電阻檢定結(jié)果的不確定度進行評定。研究結(jié)果表明：檢定工業(yè)鉑熱電阻時，電測儀器的非線性誤差和標準鉑電阻溫度計的正確選擇對檢定結(jié)果不確定度的影響很大。電測儀器與標準溫度計的優(yōu)化選用，既可減小檢定結(jié)果的不確定度，提高檢定結(jié)果的可信度，又可降低標準裝置的設(shè)備成本。關(guān)鍵詞：工

2、業(yè)鉑熱電阻；檢定；標準鉑電阻；電測儀器；不確定度文獻標志碼：A文章編號：1674-5124（2015）01-0024-05Research on improving method of the credibility of industrialplatinum resistance verification results at a low costCHEN Guisheng ，F(xiàn)U Zhiyong ，ZHAO Jing ，ZHU Yuhong ，YANG Rui （National Institute of Measurement and Testing Techology ，Chengdu

3、 610021，China ）Abstract:Based on the technical conditions prescribed by verification regulation JJG 2292010.Evaluation has been taken on the uncertainty of verification results Pt100platinum thermal resistance ，when second class standard platinum resistance thermometer as measuring standards which R

4、tp nominal resistance values were used for 25，100and instruments at different levels of tolerance. The results show that ：When the verification industrial platinum RTD ，the correct choice of electrical measuring instruments nonlinearity error and standard platinum resistance thermometer ，exert a gre

5、at influence on the uncertainty of verification results. The optimization selection of Electrical measuring instrument with a standard thermometer ，greatly reduce uncertainty of verification results and improve the reliability of verification results ，at the same time reduces the cost on the equipme

6、nt of standard device.Keywords:industry platinum resistance ；verification ；standard platinum resistance ；electrical measuring instruments ；uncertainty0引言JJG 229工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程從1987年修訂版1、1998年修訂版2到現(xiàn)行的2010年版3，各版本中都強調(diào)檢定裝置配備水三相點瓶及保存設(shè)備的重要性，其目的都是提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果收稿日期：2014-08-16；收到修改稿日期：2014-10-09作者簡介：陳桂生（1953-），男

7、，山東東明縣人，研究員，主要的準確性和可信度，為各行業(yè)領(lǐng)域的溫度測量提供準確量值。文獻4的研究數(shù)據(jù)證明，在工業(yè)鉑熱電阻檢定時，標準鉑電阻溫度計用上級證書R tp 值的檢定結(jié)果*不確定度小于用自測R tp 值的檢定結(jié)果不確定度，即從事溫度計量技術(shù)研究。前者檢定結(jié)果更準確可靠。工業(yè)鉑熱電阻是中低溫高準確度溫度測量的首選溫度傳感器，提高和確保本文在文獻4它的量值準確性具有重要的實際意義。第41卷第1期陳桂生等：低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度方法研究222u （）=姨c （R ）+c （R *）+c （R tp ）+1u 2u 3u c t2c 2（W S +2（r R ，R *）c 1u （R

8、 ）c 2u （R *）+4u t ）25研究成果的基礎(chǔ)上，在不增加裝置設(shè)備成本的情況下進一步減小檢定結(jié)果不確定度，具有較大的研究價值。1研究方法與數(shù)學(xué)模型（3）檢定工業(yè)鉑熱電阻是在0和100點附近的恒溫槽中用比較法3進行，被檢鉑熱電阻的技術(shù)參數(shù)見表1。表1溫度點/式中，0點R i ，R 的相關(guān)系數(shù)：iSu （R R （d W t /d t ）i ）tp t =0r （R i ，R ）u （R i ）（d R /d t ）t =0*i*（4）Pt100標稱值及靈敏系數(shù)熱電阻值/·d R /dt /（-1）100點R i ，R *i 的相關(guān)系數(shù)：Su （R ）R （d W t /d t

9、 ）h tp t =100r （R h ，R ）u （R h ）（d R /d t ）t =100*i（5）0100100138.511.1測量標準測量標準使用R tp 標稱值為25和100的二等標準鉑電阻溫度計5，為了分析簡便，參考函數(shù)取值見表2。表2溫度點/標準鉑電阻溫度計的參考函數(shù)值電阻比值（W t S ）比值變化率（d W t S /dt ）影響測量結(jié)果的不確定度來源還有：測量重復(fù)性、恒溫槽的溫場、多路開關(guān)的寄生電勢、被檢測量為了便于分析比較，取檢定條件電流引起的自熱等。與文獻4相同。22.1使用R tp 標稱值為25的標準鉑電阻溫度計01000點的標準不確定度評定被檢熱電阻測量重復(fù)性

10、u （R ia ）、插孔間溫差引（t i 1）、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢引入的u （t i 2）、被檢入的u儀器測量R i 、R *（R ）i 引入的標準不確定度u i 、u （R *i ）不確定度區(qū)間半寬為允差，電測儀器允差見表3，靈敏系數(shù)與相關(guān)系數(shù)0點各分量的靈敏系數(shù)：c 1i =鄣f 2.56，c 2i =鄣f -10.03，i 鄣R ic 3i =鄣f 10.03，c 4i =鄣f 251tp 鄣W 0合成標準不確定度不確定度分量匯總見表4，表中數(shù)據(jù)代入式（3）得到t 0在不同測量條件下的合成標準不確定度u （）。c t 0合成標準不確定度u （）：c t 0u （）=12.39mK 電測Ea

11、 時：c t 0電測Eb 時：u （）=15.45mK c t 0電測Ec 時：u （）=21.37mK c t 0電測Ed 時：u （）=32.83mK c t 02.2100點的標準不確定度評定被檢鉑電阻的測量重復(fù)性u （R h a ）、溫場均勻性1.2測量儀器測量儀器仍用數(shù)字多用表的四線電阻測量分辨力0.1m ，工作電流功能，量程范圍0200，1mA ，儀器等級0.01級，考慮儀器的非線性及預(yù)熱、6校零、短時漂移的不同可能帶來的示值誤差差異3，見表3。表3誤差水平儀器示值誤差允差m Ea Eb Ec Ed±（0.01%讀數(shù)0.5）±（0.01%讀數(shù)1.0）±

12、（0.01%讀數(shù)2.0）±（0.01%讀數(shù)4.0）1.3數(shù)學(xué)模型0、100點被檢熱電阻測量誤差數(shù)學(xué)模型的全微分4為d R *d R i d （t 0）=-+St =0R tp （d W t /d t ）t =0d W S R *0i d R tp+2R tp （d W t /d t ）t =0（d W t /d t ）t =0（1）*d R d R h hd （t 100）=-+t =100R tp （d W t /d t ）t =100R *d W S h d R tp 100+2R tp （d W t /d t ）t =100（d W t /d t ）t =100（2）根據(jù)不確定

13、度傳播率，合成標準不確定度4，7u （）的形式為c t26中國測試2015年1月表4槽孔溫差多路開關(guān)被檢自熱標準電測Ea 電測Eb 電測Ec 電測Ed0測量的不確定度匯總（R tp ：25）i a u （t i 1）u （t i 2）u （t i 3）u （R tp ）u （R i ）u （R i *）u （R i ）u （R i *）u （R i ）u （R i *）u （R i ）u （R i *）4.08mK 5.98mK 2.95mK 0.54m 6.06m 1.73m 6.35m 2.02m 6.93m 2.60m 8.08m 3.75m 表5槽孔溫差多路開關(guān)被檢自熱標準電阻比標準電

14、測Ea 電測Eb 電測Ec 電測Ed100測量的不確定度匯總（R tp ：25）h a u （t h 1）u （t h 2）u （t h 3）u （W 100）u （R tp ）u （R h ）u （R h *）u （R h ）u （R h *）u （R h ）u （R h *）u （R h ）u （R h *）S 和溫度波動使標準和被檢的遲滯引入的u （t h 1）、轉(zhuǎn)S 換開關(guān)引入的u （t h 2）、被檢自熱引入的u （t h 3）、W 100S 引入的u （W 100）等與文獻4相同，見表5。電測儀器引入的u （R h ）、u （R *計算方法同2.1，h ）見表5。100點各分量的靈

15、敏系數(shù)：c 1h =鄣f 2.64，c 2h =鄣f *-10.34，鄣R h 鄣R hc 3h =鄣f 14.4，c 4h =鄣f S 259鄣R tp 鄣W 100100點R i 、R 的相關(guān)系數(shù)由式（5）計算得：r a 0.92，r b 0.84，r c 0.74，r d 0.61各不確定度分量匯總見表5，表中數(shù)據(jù)代入式（3）得到t 100在不同測量條件下的合成標準不*i確定度u （）。c t 100合成標準不確定度u （）：c t 100u （）=17.63mK 電測Ea 時：c t 100電測Eb 時：u （）=20.86mK c t 100電測Ec 時：u （）=26.58mK c

16、 t 100電測Ed 時：u （）=38.43mK c t 1002.3R tp 標稱值為25的檢定結(jié)果的擴展不確定度按包含概率約為95%，取包含因子k =2，擴展不7，9確定度U=ku（），計算得到同一等級電測儀器在c t不同非線性誤差時檢定結(jié)果的擴展不確定度，見表6。3使用R tp 標稱值為100的標準鉑電阻溫度計3.10點的標準不確定度評定測量重復(fù)性u （R i a ）引入的u （t i a ）、冰點槽溫差引入的u （t i 1）、被檢自熱引入的u （t i 3）與2.1相同，見表7。 第41卷第1期 陳桂生等：低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度方法研究27表6電測R tp 為25時檢

17、定結(jié)果不確定度比較不確定度檢定結(jié)果不確定度/被檢允差不確定度區(qū)間半寬為允差，電測儀器允差見表3，溫度點/U （k =2）/mK2535311/6.443536677U /AA1/41/7.71/3.21/8.31/2.31/5.11/1.51/3.5U /A1/61/101/4.81/3.51/6.61/2.31/4.5Ea Eb Ec Ed靈敏系數(shù)與相關(guān)系數(shù)0點各分量的靈敏系數(shù)：c 1i =鄣f 2.56，c 2i =鄣f -2.51，i 鄣R ic 3i =鄣f 2.51，c 4i =鄣f 251tp 鄣W 00點R i 、R *（4）計算得：i 的相關(guān)系數(shù)由式r a 0.98，r b 0

18、.98，r c 0.98，r d 0.98可以忽略不計。d W S 0的不確定度很小，合成標準不確定度各不確定度分量匯總見表7，表中數(shù)據(jù)代入式（3）得到t 0在不同測量條件下的合成標準不確定度u （）。c t 0合成標準不確定度u （）:c t 0電測Ea 時：u （）=8.30mK c t 0電測Eb 時：u （）=8.36mK c t 0電測Ec 時：u （）=8.48mK c t 0電測Ed 時：u （）=8.74mK c t 03.2100點的標準不確定度評定S不確定度分量u （t h a ）、u （t h 1）、u （t h 3）、u （W 100）同2.2，見表8。u （t h 2

19、）轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢1V ，對于電阻測量的貢獻±1m 。對標準鉑電阻影響為W S t=2.52mK S轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢1V ，對于電阻測量的貢獻±1m 。對標準鉑電阻影響為W S t=0.001/100=2.51mK S（d W t d t ）t =0對被檢熱電阻影響為R =0.001=2.56mK t =0兩項影響按均勻分布且相互獨立，則有：22（2.51/姨+（2.56/姨u （t i 2）=姨=2.07mK標準鉑電阻R tp 引入的標準不確定度u （R tp ）8按規(guī)程要求5，一等標準裝置在水三相點處的取k =2；二等復(fù)現(xiàn)性與上一級之差不超過U =4mK ，標準R tp

20、 在周期內(nèi)變化不超過U =10mK ，取k =2。u （R tp ）=姨22.15m +2=估計相對不確定度為10%，則其自由度tp =50。表7槽孔溫差多路開關(guān)被檢自熱標準電測Ea 電測Eb 電測Ec 電測Ed0測量的不確定度匯總（R tp ：100）i a u （t i 1）u （t i 2）u （t i 3）u （R tp ）u （R i ）u （R ）u （R i ）u （R ）u （R i ）u （R ）u （R i ）u （R ）*i *i *i *i4.08mK 2.07mK 2.95mK 2.15m 6.06m 6.06m 6.35m 6.35m 6.93m 6.93m 8.0

21、8m 8.08m 28表8槽孔溫差多路開關(guān)被檢自熱標準電阻比標準電測Ea 電測Eb 電測Ec 電測Ed中國測試100測量的不確定度匯總（R tp ：100）2015年1月h a u （t h 1）u （t h 2）u （t h 3）Su （W 100）u （R tp ）u （R h ）u （R ）u （R h ）u （R ）u （R h ）u （R ）u （R h ）u （R ）*h *h *h *h對被檢熱電阻影響為R =0.001=2.64mK t =100兩項影響按均勻分布且相互獨立，則有：22（2.52/姨+（2.64/姨u （t h 2）=姨=2.11mK估計相對不確定度為20%，則

22、其自由度h 2=12。表9電測R tp 為100時檢定結(jié)果不確定度比較不確定度檢定結(jié)果不確定度/被檢允差溫度點/U （k =2）/mK17291/62917291830U /AA1/61/91/61/91/61/91/5.61/9U /A1/91/121/91/121/91/121/81/12 Ea Eb Ec Ed電測儀器允差見表3，不確定度區(qū)間半寬為允差，*h各分量的靈敏系數(shù)：c 1h 2.64，c 2h -2.59，c 3h 3.60，c 4h 259*h*h兩種標準（R tp 值）檢定結(jié)果不確定度比較不確定度U （k =2）/mK標準R tp ：100標準R tp ：25前者比后者減小

23、/%電測溫度點/Ea Eb Ec EdR i 、R *（5）計算得：i 的相關(guān)系數(shù)由式將表中數(shù)據(jù)代入各不確定度分量匯總見表8，）得到t 100在不同測量條件下的合成標準不確式（3）。定度u （c t 100合成標準不確定度u （）：c t 100u （）=14.46mK 電測Ea 時：c t 100電測Eb 時：u （）=14.50mK c t 100電測Ec 時：u （）=14.60mK c t 100表11電測Ed 時：u （）=14.81mK c t 1003.3R tp 標稱值為100的檢定結(jié)果的擴展不確定度按包含概率約為95%，取包含因子k =2，擴展不7，9），計算得到用同一等級電

24、測儀器確定度U=ku（c t不同檢定方法檢定結(jié)果不確定度比較不同檢定方法檢定結(jié)果不確定度的比證書（25）/自測（25）證書（100）/證書（25）證書（100/自測（25）不確定度U （k =2）/mK電測等級溫度/自測R tp （25）*證書R tp （25）證書R tp （100）0.01級3，4本文Eb010050703142172962%60%55%69%34%41%（下轉(zhuǎn)第36頁）36 中國測試 5 6 7 8 2015 年 1 月 安相璧， 陳成法. 汽車檢測診斷技術(shù)M. 2 版. 北京： 北京 2009： 179-181. 理工大學(xué)出版社， 劉躍明 . 汽車制動性能平板式試驗臺原

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