二等铂电阻温度计标准装置检定工业A级铂热电阻测量结果的不确定度评定(1)
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工业铂热电阻示值误差的测量不确定度评定摘要;JJG229-2010《工业铂、铜热电阻》检定规程、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定及表示》,在温度为25℃,相对湿度为60%的条件下,用二等标准铂电阻温度计、数字多用表、精密恒温油槽、精密恒温水槽等组成的智能化热工仪表检定系统对性能稳定的工业铂热电阻进行10次重复性测量,然后根据其示值误差的数学模型,通过对引起其不确定度的分量分析,进行标准不确定度的A类和B类评定,进而评定出汽车制动操纵力计示值误差测量结果不确定度。
关键词:不确定度1. 概述:工作用铂、铜热电阻检定工作由二等标准铂电阻温度计、数字多用表、精密恒温油槽、精密恒温水槽等组成的智能化热工仪表检定系统完成,在规定环境条件下,将一支被检 B级 Pt100 工业铂热电阻与标准铂电阻温度计同时插入精密恒温水槽和100℃的精密恒温油槽中,待温度稳定后通过测量标准和被检的值,由标准算出实际温度然后通过公式计算得出被检的实际值和。
1.数学模型检定点0℃,测量误差的数学模型:检定100℃,测量误差的数学模型:、——被检工业铂热电阻在0℃、100℃时的温度偏差。
℃、——被检工业铂热电阻在精密恒温水槽和精密恒温油槽中测得的偏离0℃、100℃时的差值。
℃、——标准铂电阻在精密恒温水槽和精密恒温油槽中测得的偏离0℃、100℃时的差值。
℃、——被检工业铂热电阻在0℃、100℃时的标称电阻值。
Ω、——被检工业铂热电阻在精密恒温水槽中测得的0℃和在精密恒温油槽中测得的100℃时的电阻值。
Ω、——被检工业铂热电阻在0℃、100℃时电阻值对温度的变化率。
Ω / ℃、——标准铂电阻在0℃、100℃时电阻比值。
、——标准铂电阻在0℃、100℃的精密恒温水槽和精密恒温油槽中的电阻比值。
、分别为标准铂电阻在0℃、100℃的电阻值,、分别为标准铂电阻在0℃、100℃的精密恒温水槽和精密恒温油槽中测得的电阻值。
为标准工业铂热电阻在水三相点瓶中的电阻值。
二等铂电阻温度计标准装置是一种用于测量温度的精密仪器,主要用于检定和校准工业铂电阻温度计。
二等标准铂电阻温度计是温度计量中的重要标准,其测量结果的准确性对于保障国家温度计量的一致性和准确性具有重要意义。
二等铂电阻温度计标准装置的主要组成部分包括:
1. 铂电阻温度计:作为测量温度的基准,铂电阻温度计具有高精度、稳定性好、线性度好等特点。
2. 温度控制器:用于控制恒温环境,保证铂电阻温度计在测量过程中不受环境温度影响。
3. 数据处理系统:用于采集铂电阻温度计的电阻值,并将其转换为温度值。
此外,数据处理系统还可对测量结果进行处理和分析,以评定测量不确定度。
4. 通信接口:用于与外部设备(如计算机、示波器等)进行数据交换。
5. 电源系统:为整个装置提供稳定的电源。
二等铂电阻温度计标准装置的工作原理:
当温度发生变化时,铂电阻的电阻值也会随之变化。
通过测量铂电阻的电阻值,可以间接地得知温度变化。
为了确保测量结果的准确性,二等铂电阻温度计标准装置采用了比较法进行测量。
即在已知温度条件下,将待测铂电阻与标准铂电阻进行比较,从而得出待测铂电阻的温度值。
在实际应用中,二等铂电阻温度计标准装置的测量不确定度主要来源于以下几个方面:
1. 标准铂电阻的不确定度:包括标准铂电阻自身的精度、稳定性等因素。
2. 环境温度的影响:环境温度的变化会影响铂电阻的电阻值,从而影响测量结果。
3. 测量方法的不确定度:包括测量设备的分辨率、测量次数、数据处理方法等因素。
4. 操作人员的影响:操作人员的技术水平、经验等因素也会对测量结果产生影响。
收稿日期:2020 06 12作者简介:罗利平(1983-)ꎬ女ꎬ陕西汉中人ꎬ工程师ꎬ从事仪器仪表检定校准和相关的技术工作ꎮdoi:10.3969/j.issn.1005-2798.2020.10.016工业铂热电阻测量结果的不确定度评定罗利平(山西潞安检测检验中心有限责任公司ꎬ山西长治㊀046204)摘㊀要:工业铂热电阻是化工㊁煤炭等行业的重要测温元件ꎬ它是利用铂丝的电阻值随温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的ꎮ文章介绍了依据JJG229-2010«工业铂㊁铜热电阻»检定规程对常用的B级Pt100铂热电阻的测量结果进行的不确定度的详细计算和分析过程ꎬ旨在研究和讨论影响测量结果的主要因素和应采取的方法和措施ꎬ以保证测量结果的持续可信ꎮ关键词:标准铂电阻温度计ꎻ铂热电阻ꎻ不确定度ꎻ测量结果中图分类号:TH811㊀㊀㊀文献标识码:B㊀㊀㊀文章编号:1005 2798(2020)10 0044 031㊀概㊀述1.1㊀被测对象选用一支B级铂热电阻Pt100作为此次评定的对象ꎬ按照JJG229-2010«工业铂㊁铜热电阻»检定规程规定的检定温度点为0ħ和100ħꎬ对B级Pt100铂热电阻进行误差的测量ꎬ其允许偏差:0ħ:ʃ0.15ħꎻ100ħ:ʃ0.35ħꎮ1.2㊀测量标准1.2.1㊀二等标准铂电阻温度计二等标准铂电阻温度计证书给出的参数见表1ꎮ表1㊀标准铂电阻证书给出的参数tWstdWst/dt0ħ0.99996010.003987831ħ-1100ħ1.39269920.003867399ħ-1Rtp=25.7480Ω1.2.2㊀电测设备KEITHLEY2010数字多用表ꎬ测量范围(0~1000)Ωꎮ表2㊀数字多用表年变化量量程年变化量100.00000Ωʃ(90.0ˑ10-6ˑ读数+10.0ˑ10-6ˑ量程)1.0000000kΩʃ(80.0ˑ10-6ˑ读数+2.0ˑ10-6ˑ量程)1.3㊀测量方法按照检定规程中的方法进行比较测量ꎮ将标准铂电阻温度计(以下简称标准铂电阻)和被检铂热电阻温度计(以下简称被检铂电阻)同时插入恒温槽中ꎬ将标准铂电阻与被检铂电阻的引线接入接线台与数字多用表㊁扫描/控制器连接ꎬ待温度稳定后采集数字多用表的标准铂电阻与被检铂电阻的电阻值ꎬ用标准铂电阻计算出恒温槽的实际温度后通过公式最终得出被检铂电阻的实际值温度值和测量误差ꎮ2㊀测量模型0ħ时ꎬ测量误差的数学模型:әt0=Ri-R0(dR/dt)t=0-Wsi-Ws0(dWst/dt)t=0=әti-әt∗i(1)100ħ时ꎬ测量误差的数学模型:әt0=Rh-R0(dR/dt)t=100-Wsi-Ws100(dWst/dt)t=100=әth-әt∗h(2)从以上数学模型中得到ꎬ0ħ时的需要输入的量有:RiꎬR∗iꎬR∗tp和Ws0ꎻ100ħ时的需要输入的量有:RhꎬR∗hꎬR∗tp和Ws100ꎮ其中(dR/dt)t=0ꎬ(dWst/dt)t=0ꎬ(dR/dt)t=100ꎬ(dWst/dt)t=100为电阻随温度的变化率ꎬ一般该值引用自规程的附录表ꎬ该不确定度很小ꎬ忽略不计ꎮ3㊀输入量әtiꎬәth的标准不确定度u(әti)和u(әth)的评定㊀㊀该不确定度分量主要由被检铂电阻测量结果的重复性ꎬ电测设备ꎬ恒温槽插孔之间的温差以及测量电流引起的自热四个方面引入ꎮ3.1㊀测量结果的重复性所引入的不确定度u(Ri1)和u(Ri2)ꎬ采用A类方法评定以B级铂热电阻分别在制冷恒温槽和恒温油槽对其0ħ和100ħ进行重复10次的测量ꎮ44检定0ħ时其测得的热电阻分别为:100.5711㊁100.5718㊁100.5711㊁100.5717㊁100.5716㊁100.5702㊁100.5711㊁100.5712㊁100.5713㊁100.5725(Ω)ꎮ该样本的实验标准偏差采用贝塞尔公式进行计算ꎬ得s=5.7ˑ10-4Ωꎮ实际测量取6次测量的平均值做为测量结果ꎬ故u(Ri1)=2.33ˑ10-4Ωꎮ转换成温度:u(әti1)=0.60mKꎮ同理检定100ħ时所得的试验标准偏差s=13.50ˑ10-4Ωꎮ实际测量取6次测量的平均值做为测量结果ꎬ故u(Ri1)=5.51ˑ10-4Ωꎮ转换成温度:u(әti1)=1.45mKꎮ3.2㊀由电测设备引入的标准不确定度u(әti2)和u(әth2)ꎬ采用B类方法评定在测量中采用的电测设备是数字多用表ꎬ它的测量误差是主要的不确定度来源ꎬ在进行0ħ检定时ꎬ不确定度的区间按表2进行计算ꎬ则区间为ʃ0.0100Ωꎬ区间半宽0.0100Ωꎬ在该区间内可认为均匀分布取k为3ꎮ则u(Ri3)=5.77ˑ10-3Ωꎮ换算成温度:u(әti3)=14.76mKꎮ在进行100ħ检定时ꎬ对不确定度区间半宽按上述同样得方法计算ꎬ则区间半宽为0.0131Ωꎬ在该区间内可认为均匀分布取k为3ꎮ则u(Rh3)=7.55ˑ10-3Ωꎮ换算成温度:u(әth3)=19.91mKꎮ3.3㊀插孔之间的温差引入的标准不确定度u(әti3)和u(әth3)ꎬ采用B类评定按规程中的方法对温度计检定时ꎬ在0ħ由于插入标准和被检温度计同时插入后管口用脱脂棉塞紧ꎬ其热损失极少ꎬ可认为插孔之间的温差很小ꎬ忽略不计ꎬ故u(әti2)=0mKꎮ按规程的要求ꎬ在进行100ħ检定时恒温油槽插孔之间的温场均匀性不应超过0.01ħꎬ检定点附近的温度波动度不应超过ʃ0.02ħ/10minꎬ因标准和被检温度计在进行数据采集传输的过程中有约0.01ħ的迟滞ꎮ按均匀分布考虑取k为3ꎮ因此:u(әth2)=8.16mKꎮ3.4㊀自热引入的标准不确定度u(әti4)和u(әth4)ꎬ采用B类方法评定数字多用表供被检热电阻感温元件的测量电流不超过1mAꎬ对的影响约为2mΩꎮ按均匀分布考虑取k为3ꎮ则u(Ri4)=u(Rh4)=1.15ˑ10-3Ωꎮ换算成温度:u(әti4)=2.95mKꎬu(әth4)=3.04mKꎮ3.5㊀u(әti)和u(әth)的计算以上4个不确定度之间相互独立ꎬ因此合成不确定度按公式(3)计算:u=ðNi=1u2i(3)得:u(әti)=15.06mKꎬu(әth)=21.78mKꎮ4㊀输入量әt∗i㊁әt∗h的标准不确定度u(әt∗i)和u(әt∗h)的评定㊀㊀该不确定度分量主要由标准铂电阻的复现性㊁电测设备㊁测量电流引起的自热㊁标准铂电阻的周期稳定性这四个方面引入ꎮ4.1㊀标准铂电阻的复现引入的标准不确定度u(әt∗i1)和u(әt∗h1)ꎬ采用B类方法评定依据检定规程的要求ꎬ复现水三相点温度U99=5.0mKꎬk=2.58ꎻ复现水沸点附近温度U99=3.4mKꎬk=2.58ꎮ因此ꎬu(әt∗i1)=1.94mKꎻu(әt∗h1)=1.32mKꎮ4.2㊀电测设备数字多用表引入的标准不确定度u(әt∗i2)和u(әt∗h2)ꎬ采用B类方法评定由公式Wst=R∗tR∗tp可知ꎬ标准铂电阻在水三相点处的电阻值R∗tp直接引用自检定证书给出的数据ꎬ而R∗i是标准铂电阻在恒温槽中通过数字多用表测量得到的电阻值ꎬ测量误差之间无关联ꎮ则dWst采用方差合成的办法得到:(dWst)2=(dR∗tR∗tp)2+(R∗t dR∗tpR∗tp2)2=[1R∗tp(R∗tp的年变化量)]2+[WstR∗tp әttp (dWstdt)t=tp]2(4)式中:әttp为检定周期内Rtp的稳定性ꎬ规程规定әttp在一年内的稳定性应不超过10mKꎮ按以上公式得到的是Wst测量的最大允许误差ꎬ在该区间按均匀分布考虑取k=3ꎮ则0ħ时:u(әt∗i2)=0.0001312+(0.999968ˑ0.01ˑ0.00398854)2)0.003988543=19.82mK100ħ时ꎬu(әt∗i2)=0.0001672+(1.392727ˑ0.01ˑ0.00386816)2)0.003868163=26.19mK4.3㊀测量电流引起热电阻自热带来的标准不确定度u(әt∗i3)和u(әt∗h3)ꎬ采用B类方法评定按规程要求标准铂电阻在进行0ħ检定点检定时其引起的自热不应超过4mKꎬ按均匀分布考虑ꎬk为3ꎮ则u(әt∗i3)=2.31mKꎮ542020年10月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀罗利平:工业铂热电阻测量结果的不确定度评定㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第29卷第10期在进行100ħ检定时ꎬ由于在标准热电阻处在高温介质流动的恒温槽中ꎬ自热的影响较小可忽略不计ꎮ则u(әt∗h3)=0.00mKꎮ4.4㊀标准铂电阻温度计Ws0和Ws100引入的标准不确定度u(әt∗i4)和u(әt∗h4)ꎬ采用B类方法评定由于Ws0和Ws100是上一级计量机构对标准铂电阻检定后在检定证书中给出ꎬ它所引入的温度的不确定度以周期稳定性评估ꎬ其值分别是10mK和14mKꎬ按均匀分布考虑取k=3ꎮ则u(әt∗i4)=5.77mKꎬu(әt∗h4)=8.08mKꎮ4.5㊀u(әt∗i)和u(әt∗h)的计算由于上述4个不确定度之间相互独立ꎬ因此按公式(3)进行合成:得:u(әt∗i)=20.77mKꎬu(әt∗h1)=27.33mKꎮ5㊀合成不确定度将以上评定的各标准不确定度分量进行汇总ꎬ汇总结果见表3㊁表4ꎮ表3㊀0ħ时标准不确定度分量汇总标准不确定度u(xi)不确定度来源标准不确定度值/mK灵敏系数ci不确定度分量|ci|u(xi)u(әti)115.06u(әti1)测量重复性0.60u(әti2)电测设备误差14.76u(әti3)插孔间温差0.00u(әti4)自热影响2.95u(әt∗i)-120.77u(әt∗i1)标准铂电阻复现性1.94u(әt∗i2)电测设备误差19.72u(әt∗i3)自热影响2.31u(әt∗i4)周期稳定性5.77表4㊀100ħ时标准不确定度分量汇总标准不确定度u(xi)不确定度来源标准不确定度值/mK灵敏系数ci不确定度分量|ci|u(xi)u(әti)121.78u(әti1)测量重复性1.45u(әti2)电测设备误差19.91u(әti3)插孔间温差8.16u(әti4)自热影响3.04u(әt∗i)-127.33u(әt∗i1)标准铂电阻复现性1.32u(әt∗i2)电测设备误差26.19u(әt∗i3)自热影响0.00u(әt∗i4)周期稳定性8.08由于各不确定度分量之间相互独立ꎮ因此ꎬ不确定度按公式(3)合成为:检定0ħ时:uc(әt0)=25.65mKꎻ检定100ħ时:uc(әt100)=34.95mKꎮ6㊀扩展不确定度取包含因子k=2ꎬ检定0ħ时:k=2ꎬ则U=kˑ25.66=51mKꎻ检定100ħ时k=2ꎬ则U=kˑ34.96=70mKꎮ7㊀测量不确定度评估的说明从上述的不确定度评估中可以看出ꎬ所选的检定设备在检定B级以下铂热电阻时可以满足检定结果的扩展不确定度(k=2)不大于被检热电阻允许误差绝对值的1/4ꎮ8㊀结㊀语此次主要对工业铂热电阻的不确定度进行了评定ꎬ从上述的评定结果可看出:评定的温度点为0ħ和100ħꎬ这两个温度点基本覆盖了规程对被检铂热电阻的测量范围ꎮ在0ħ时允差为ʃ0.30ħꎬ评定的扩展不确定度为0.05ħꎬ在100ħ时允差为ʃ0.80ħꎬ评定的扩展不确定度为0.07ħꎬ由上述数据可得其扩展不确定度都不大于被检热电阻允许误差绝对值的1/4ꎬ满足规程对于计量器具控制的选用要求ꎬ测量结果可信ꎮ在此次评定中发现不确定度数值较大的分量来自于电测设备ꎬ也就是说电测设备是此次不确定度评定的主要来源ꎬ因此在检定铂电阻的过程中要密切关注电测设备ꎬ首先应保证电测设备在工作时始终处在符合其环境条件要求的工作场所ꎬ一般应保证温度在(20ʃ2)ħꎬ相对湿度在(45~75)%RH范围内ꎬ周围无振动无电磁干扰ꎮ其次按照电测设备说明书的要求对其进行定期保养和维护ꎬ使用时认真填写运行使用记录ꎬ及时发现运行过程中的影响准确度的隐患ꎮ要定期对电测设备进行溯源校准和期间核查ꎬ频繁使用时更要加大期间核查的频次ꎮ为保证检定结果的可信度ꎬ除了对电测设备进行必要关注外ꎬ标准温度计属精密测量仪器ꎬ在放置和拿取的过程中应轻拿轻放ꎮ另外在放置标准铂电阻和被检铂电阻时还要保证它们在恒温槽中有足够的深度ꎬ使其热损失尽可能小ꎮ注意到以上几个因素并在日常检定工作中认真执行就能保证测量结果的准确可靠ꎮ[责任编辑:常丽芳]642020年10月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀罗利平:工业铂热电阻测量结果的不确定度评定㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第29卷第10期。
工业铂电阻检定或校准结果的测量不确定度评定摘要:本文分别通过二等标准铂电阻温度计复现性、标准铂电阻温度计不稳定性、电测设备引入的标准不确定度、制冷恒温槽和油槽不均匀性、测量重复性等分别分析了工业铂电阻的不确定度。
1、测量方法二等标准铂电阻温度计标准装置用比较法分别检定工业铂热电阻/铜热电阻温度计在0℃/100℃或300℃温度点上的电阻值Ri(t℃),查表计算得出分度偏差,从而判定其合格与否。
2、输出模型R(t)=Ri-(dR/dt)×Δt式中:Ri ——被检热电阻在温度ti时的电阻值(Ω);dR/dt——温度ti时电阻变化率(Ω/℃)。
Δt ——Δt=3、不确定度来源3.1 二等标准铂电阻温度计复现性引入的标准不确定度u13.2 标准铂电阻温度计不稳定引入的标准不确定度u23.3 电测设备引入的标准不确定度u33.4 制冷恒温槽和油槽不均匀温场引入的标准不确定度u43.5 测量重复性引入的标准不确定度u54、标准不确定度的评定4.1二等标准铂电阻温度计复现性引入的标准不确定度u1二等标准铂电阻温度计的传递标准,其符合正态分布。
二等标准铂电阻温度计在0℃时的不确定度为U=4mK,k=2;100℃时的不确定度为U=8.0mK,k=2。
则:0℃:u1=2.0mK;100℃:u1=4.0mK4.2二等标准铂电阻温度计不稳定引入的标准不确定度u2二等标准铂电阻温度计的稳定性在0℃时为10mK,100℃时为14mK,由于检定周期是两年,不确定度区间半宽按一半计算,按均匀分布。
则:0℃:u2=2.89mK ;100℃:u2=4.04mK4.3电测设备引入的标准不确定度u3数字多用表2000型,测量电阻档100Ω,测量精度为:Δ=±(0.008%×读数+0.001%×量程);4.3.1标准器电测设备引入的不确定度分量二等标准铂电阻温度计阻值分别为R(0℃)=25Ω、R(100℃)=35Ω,分别代入得出0℃、100℃测量精度为:±0.0030Ω、±0.0038Ω。