標準鉑電阻使用方法在熱電阻檢定與溫度測量中的差異研究

陳桂生

（中國測試技術研究院，四川成都610021）

標準鉑電阻使用方法在熱電阻檢定與溫度測量中的差異研究

陳桂生

（中國測試技術研究院，四川成都610021）

就標準鉑電阻溫度計在熱電阻檢定與溫度測量中的使用方法問題，以國內現行規范和專家的論斷為討論背景，采用理論計算和數據結果對比分析的方法進行研究。通過以標稱電阻值（Rtp）為25Ω與100Ω的標準鉑電阻，不同允差等級的電測儀器，不同的溫度測量與工業熱電阻檢定方法，得到有意義的數據，辨別和證明國內規范及專家論據的一個誤區。對改善工業熱電阻檢定方法的科學性和提高檢定結果的準確性，具有較大的經濟和社會價值。

溫度計量；標準鉑電阻；熱電阻；檢定；誤差；不確定度

鉑電阻溫度計用于國際溫標的復現離不開國際溫標推薦的定義固定點。所有這些固定點都有給定的溫度值，這些值與熱力學溫度值最接近，固定點的相平衡溫度具有很高的復現性，尤其是水三相點的復現性可優于0.1mK（國家實驗室）。因此，最高準確度的溫度計的檢定和分度都離不開國際溫標定義的固定點和鉑電阻溫度計，這不僅需要花費高昂的設備成本，還得有高水平有經驗的專家按照復雜的操作程序，花費較長的時間完成檢定和分度工作。

1 國內現狀及專家論述

工業鉑熱電阻是各行業中大量使用的準確度較高的工業溫度計，大量專業計量技術機構、企事業單位的檢測實驗室都在開展該類溫度計的檢定工作。長期以來許多實驗室的工業熱電阻檢定裝置按規程規定配有水三相點保存裝置，檢定工業熱電阻時重測標準鉑電阻溫度計的Rtp值（即自行給標準賦值）[1-4]，以求提高標準鉑電阻溫度計測量檢定點溫度的準確性，達到減小標準器的測量誤差對工業熱電阻檢定結果的影響。

國內有關標準鉑電阻溫度計在溫度計量器具檢定及溫度測量中的主要認識有：“這就是標準鉑電阻要求同一電測設備測量Rt與Rtp來參與計算比值Wt能有效地減小電測設備帶入的系統影響的原因”[5]，“有些使用者在使用標準鉑電阻測量時，不進行該電測儀器的Rtp值測量，而使用證書上給出的Rtp值來計算Wt及溫度t，這樣將會產生很大的測量誤差，以致失去標準鉑電阻溫度計測溫準確的優點”[5]。其在工業鉑熱電阻檢定結果不確定度的實例分析中強調：“水三相點是定義標準鉑電阻溫度計溫度的基點，理論上是準確的。每次使用SPRT時亦必須使用電測設備在水三相點中實測來取得此基準點的Rtp值，并以此實測值與Rt值計算出比值Wt來計算實際溫度”[5]，這應該是國內專家對精密溫度測量和工業熱電阻檢定時標準鉑電阻溫度計使用方法最直接明確的論述。

另一專著對檢定分度熱電阻溫度計的方法論述是“對于準確度不高或工業用電阻溫度計，可用比較法檢定”[6]，在此沒有說到檢定時標準鉑電阻溫度計標準值的來源。在其標準電阻溫度計的正確使用一節強調“由ITS-90可知，W（T）=RT/Rtp。按此方法計算時，可減小電阻溫度計不穩定性帶來的影響，也能克服不同電測設備系統誤差的不同引起的部分影響。但是，如果在計算W（T）時選用的Rtp不是取于同一天測量RT前后的數據，而是選用時隔多日的測量值，或是來源于該溫度計檢定證書上給出的Rtp，則難以減少電阻溫度計不穩定帶來的影響。另外，如果用來測量RT和Rtp的電測儀器不是同一臺儀器，也不能克服電測儀器系統誤差造成的部分影響。在上述不準確情況下計算得到的W（T）值，將會引起很大誤差。有時，會誤判一支合格的溫度計為不合格”[6]。遺憾的是這里只是強調每次使用標準鉑電阻溫度計要測量Rtp的重要性，沒有提到在完成不同溫度測量或量傳要求時標準鉑電阻溫度計使用方法的不同。實際情況需要進行深入細致的研究。

2 不同用途使用方法比較研究

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

表1 標準鉑電阻溫度計的參考函數值

電測儀器用數字多用表，儀器基本量程為0～100Ω，量程測量范圍0～200Ω，工作電流1mA。各等級測量儀器允許誤差見表2。

表2 儀器等級及允許誤差

2.1 標準鉑電阻溫度計測量溫度

標準鉑電阻溫度計Rtp用標稱電阻值，其他參數用參考函數值，分析用不同級別電測儀器（允差見表2）在不同測量方法下產生的測量誤差大小。以常用的0℃、100℃兩點為例分析測量誤差值[3，6]，即：

式中：Δts——標準鉑電阻溫度計在0℃、100℃時的測量誤差值，℃；

為使分析簡單明了，計算時暫不考慮標準鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復現的不確定度及其他影響量。

2.1.1 標準鉑電阻Rtp值用上級證書值

表3 0℃、100℃點電測儀器測量標準鉑電阻帶來的誤差

把表1、表3數據代入式（1）可計算得到用不同等級測量儀器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差，計算結果列于表4。

表4 標準鉑電阻R tp值用上級證書值時的測量誤差

2.1.2 自測標準鉑電阻Rtp值

不同等級電測儀器測量25，100Ω標準鉑電阻溫度計水三相點Rtp值時帶來的誤差根據表2計算得到列于表5。

表5 電測儀器測量標準鉑電阻水三相點的誤差

把表1、表3、表5數據代入式（1）可計算得到不同等級測量儀器測量標準鉑電阻溫度計的測量誤差，計算結果列于表6。

表6 標準鉑電阻R tp值用自賦值時的測量誤差

2.2 標準鉑電阻溫度計用于工業熱電阻的檢定

以0，100℃兩個檢定點為例來分析用不同級別電測儀器（允差見表2）不同檢定方法產生的檢定結果誤差值大小[3]，即：

式中：Δt——被檢熱電阻在0，100℃點檢定結果的誤差值，℃；

Rt——被檢熱電阻在0，100℃點的測量值，Ω；

R——被檢熱電阻在0，100℃時的標稱值，Ω；

（d R/d t）——被檢熱電阻的電阻對溫度的變化率，Ω/℃。

Pt100工業鉑熱電阻在兩個溫度點的技術參數及各級鉑熱電阻允許偏差見表7。

表7 Pt100技術參數及允許偏差

不同等級電測儀器測量Pt100工業鉑熱電阻時帶來的誤差根據表2、表7計算得到列于表8。

表8 電測儀器測量Pt100工業鉑熱電阻的誤差

同樣，為使分析簡單明了，計算時暫不考慮標準鉑電阻證書Rtp值和自測Rtp值時水三相點容器本身復現的不確定度及其他影響量。

2.2.1 檢定時用自測標準鉑電阻Rtp值

把表1、表3、表5、表7、表8數據代入式（2）可計算得到用不同等級測量儀器時帶入檢定結果的誤差，計算結果列于表9。

表9 標準鉑電阻R tp用自測值時帶入檢定結果的誤差

2.2.2 檢定時標準鉑電阻Rtp值用上級證書值

把表1、表3、表7、表8數據代入式（2）可計算得到用不同等級測量儀器時帶入檢定結果的誤差，計算結果列于表10。

3 結果比較分析

為了更直觀地比較標準鉑電阻溫度計在不同用途、不同使用方法時和使用不同準確度等級電測儀器對測量和檢定結果貢獻的誤差。把25Ω（Rtp）標準鉑電阻不同用法對0，100℃點結果的影響大小分別如圖1、圖2所示，把100Ω（Rtp）標準鉑電阻不同用法對0，100℃點結果的影響大小分別如圖3、圖4所示。

表10 標準鉑電阻R tp用上級證書值時帶入檢定結果的誤差

從圖中色柱和前面表中數據可以看出：

1）標準鉑電阻溫度計用于溫度測量時，在分析所用電測儀器技術指標下同時測量Rt和Rtp的方法比溫度計用上級證書上Rtp值的測量方法的測量結果更準確，前者的測量誤差比后者要小得多，尤其是在電測儀器的準確度等級越低時差別更為明顯。

2）標準鉑電阻溫度計用于工業熱電阻檢定時，自測標準鉑電阻Rtp值（自行給標準器賦值）的檢定結果比標準鉑電阻用上級證書Rtp值的檢定結果的誤差要大得多，這與論點[5-6]或規范依據[1-4]恰好相反。

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

圖1 25Ω標準不同用法對0℃結果影響

圖2 25Ω標準不同用法對100℃結果影響

圖3 100Ω標準不同用法對0℃結果影響

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

3）不可把同時測量標準鉑電阻溫度計Rt和Rtp可大大減小溫度測量結果的誤差的方法推廣應用于工業熱電阻的檢定，因為該做法會浪費大量的設備投入經費，而且使檢定結果的誤差增大。

圖4 100Ω標準不同用法對100℃結果影響

4）在同樣的電測儀器技術指標下，標準鉑電阻溫度計用于溫度測量與熱電阻的檢定分度時，同樣方法所得結果誤差大小截然不同，應引起我們在使用和技術規范制修訂時的注意。要區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，不能簡單地一概而論。

4 結束語

由前面的分析比較結果可以看出能否保證測量或檢定結果的準確可靠，重要的是要看所用方法的正確性和科學合理性，不同水平的測量和檢定分度應采用適當的方法來完成。

[1]JJG 229—1987工業鉑、銅熱電阻[S].北京：中國計量出版社，1987.

[2]JJG 229—1998工業鉑、銅熱電阻[S].北京：中國計量出版社，1998.

[3]JJG 229—2010工業鉑、銅熱電阻[S].北京：中國質檢出版社，2010.

[4]JJF 1098—2003熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范[S].北京：中國計量出版社，2003.

[5]沈正宇.溫度測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2006：38，86.

[6]崔志尚.溫度計量與測試[M].北京：中國計量出版社，1998：72-78.

[7]JJG 160—2007標準鉑電阻溫度計[S].北京：中國計量出版社，2007.

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

[9]陳桂生，付志勇，趙晶，等.低成本提高工業鉑熱電阻檢定結果可信度的方法研究[J].中國測試，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：1674-5124（2015）06-0022-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.005

0 引言

鉑電阻溫度計具有測溫準確度高、靈敏度好、穩定可靠，在氧化環境中或高溫下使用時化學性質穩定等優點。因此，對于準確度要求高的溫度測量，鉑電阻溫度計總是最優先選用的溫度計。鉑電阻溫度計可用于國際溫標的復現，并作為各級標準器具通過逐級傳遞方式傳遞溫度量值，直至用于檢定和分度工業溫度傳感器。

2015-02-15；

2015-03-21

陳桂生（1953-），男，山東東明縣人，研究員，主要從事溫度計量技術研究。