工業(yè)鉑熱電阻檢定不確定度評定

[摘要]工業(yè)鉑熱電阻測量的可靠性關(guān)系著產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量,本文基于工業(yè)鉑熱電阻的測溫原理和檢定標(biāo)準(zhǔn)，分析了工業(yè)鉑熱電阻檢定的不確定度來源，并計算了各種不確定度分量對測量檢定結(jié)果的貢獻(xiàn)比值，能夠為提高工業(yè)鉑熱電阻的測量精度提供可靠的理論依據(jù)，具有較好的工程實(shí)用價值。
引言
　　溫度是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的基本參數(shù)之一，其測量的正確性和可靠性在保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率等方面都具有重要作用。常見的溫度測量儀器多種多樣,如氣體溫度計、電阻溫度計、溫差熱電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等等。工業(yè)鉑熱電阻(工業(yè)鉑熱溫度計,IPRT)是一種具有測量精確度高、機(jī)械性能和抗震性能好、通用性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)的工業(yè)測溫儀器，其測溫區(qū)間為-200C~+850℃，與電測儀表相配合能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測溫、記錄和控制，因此在各大行業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛。
　　1990年國際計量局頒布實(shí)施了ITS-90國際溫標(biāo)，國際溫標(biāo)的改進(jìn)對工業(yè)測溫產(chǎn)生了重要影響。為提高溫度測量的準(zhǔn)確度，近年來國內(nèi)外許多專業(yè)的計量機(jī)構(gòu)和檢測實(shí)驗室對工業(yè)鉑熱溫度計展開了大量的檢定工作。在進(jìn)行工業(yè)鉑熱電阻檢定時，與自測R。值得不確定度檢定相比，上級證書Rp值的不確定度檢定結(jié)果更小，檢定準(zhǔn)確度更高。文獻(xiàn)在工業(yè)鉑熱電阻不確定度檢定中表明:水三相點(diǎn)是定義標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計溫度的基點(diǎn)，進(jìn)行SPRT檢定時必須使用電測設(shè)備在水三相點(diǎn)中實(shí)測來取得此基準(zhǔn)點(diǎn)Rtp值,并以此實(shí)測值與Rt值的比值作為Wt,從而計算出實(shí)際溫度。工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果的不確定度與溫度測量的準(zhǔn)確性密切相關(guān)，因此如何減小IPRT檢定結(jié)果的不確定度具有重要價值。
在已有的基礎(chǔ)上，分析了工業(yè)鉑熱電阻的不確定度來源，并計算了各種不確定度分量對測量檢定結(jié)果的貢獻(xiàn)比值，案例分析結(jié)果表明，該方法能夠有效的提高溫度測量的精度，對工業(yè)生產(chǎn)的溫度測量具有重要的研究價值和指導(dǎo)意義。
1工業(yè)鉑熱電阻檢定簡介
　　工業(yè)鉑熱電阻主要由三個部分組成:鉑金屬感溫元件(可分為繞線元件和薄膜元件等兩大類)、骨架套管和引線，與相應(yīng)的電測儀器配合實(shí)現(xiàn)溫度測量記錄和控制等功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
 
為確保工業(yè)鉑熱電阻在實(shí)際測溫中的正確性，需要采用專門的IPRT檢定裝置對其進(jìn)行校驗和評價。IPRT檢定裝置主要由電測儀器、標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻(SPRT)、恒溫源等設(shè)備組成。恒溫源能夠為檢定裝置提供所需的穩(wěn)定溫度環(huán)境;電測儀器用于配合標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻實(shí)現(xiàn)溫度的正確測量;標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻SPRT是各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計和精密儀器檢定中的標(biāo)準(zhǔn)器，主要用于量值的傳遞和高精密測溫，在進(jìn)行工業(yè)鉑熱電阻的檢定時，SPRT的精確性和電測儀器的準(zhǔn)確性十分重要，按精度等級來分，可分為基準(zhǔn)、一等和二等，按測溫范圍不同，可分為高溫、中溫和低溫三種。我國常見的IPRT分度號為:Pt10、Pt100、Pt1000等等，即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0℃時的阻值分別為10Ω、100Ω、1000Ω等。根據(jù)JJG229-2010頒布的標(biāo)準(zhǔn)，我國的IPRT按測溫范圍和允許誤差等級可分為四個常見的不同等級，如表1所示。
 
2測量不確定度的判定及應(yīng)用
2.1測量不確定度簡介
測量不確定度是指由于測量存在誤差，對被測量值不能肯定的程度，是表征測量結(jié)果可信賴程度的重要參數(shù)。一般而言，不確定度越小，測量結(jié)果與實(shí)際值越接近，準(zhǔn)確度越高，實(shí)際應(yīng)用價值也越大;反之，測量不確定度越大，表明測量結(jié)果與實(shí)際值相差越大，可信度越低。
測量不確定度包括標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。標(biāo)準(zhǔn)不確定包括A類和B類兩種評定方法，A類評定方法是一種通過對樣本觀測值進(jìn)行統(tǒng)計分析來評定不確定度的方法，B類評定是除A類評定方法以外的其他評定方法。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度是將多個標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量按照-定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合成而得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。擴(kuò)展不確定度也稱范圍不確定度，確定測量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測量之值分布的大部分可望含于此區(qū)間，由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的倍數(shù)表示。
測量不確定度的來源主要是測量儀器、測量方法和環(huán)境、以及測量人員的主觀性等。測量不確定度評定的主要步驟如圖2所示。
 
2.2測量不確定度的判定原則
測量不確定度的判定是指實(shí)際測量中對測量結(jié)果是否符合規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求的判定，將實(shí)際測量值與被測件的標(biāo)稱值進(jìn)行對比分析，當(dāng)實(shí)際測量值與
標(biāo)稱值之差在技術(shù)指標(biāo)要求的允許誤差范圍之內(nèi)時，則視為合格，反之則為不合格。IPRT檢定時測量真值分布在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，并且該區(qū)間范圍內(nèi)不同點(diǎn)的分布概率也不相同，測量結(jié)果的可能分布區(qū)間如圖3所示。
 
如圖3所示，X表示被測件的標(biāo)稱值，區(qū)間范圍[X-ζ，X+ζ]表示測量真值所允許的誤差范圍;X表示測量結(jié)果，△表示擴(kuò)展不確定度。因此，被測件的測量共有8種不同的情況，如表2所示。
 
由圖3和表2可以看出I和V完全處于誤差允許范圍內(nèi)，應(yīng)判定為合格，同理IV和M全部在誤差允許范圍外，應(yīng)判定為不合格。然而，對于II、I、V、VI而言，其部分分布在誤差允許范圍內(nèi)，-部分分布在誤差允許范圍外，無論將其視為合格，或者不合格，都存在“誤判合格”或“誤判不合格”的風(fēng)險，其誤判風(fēng)險的大小與擴(kuò)展不確定度△密切相關(guān)。目前通常采用測量不確定度比λ來評判誤判風(fēng)險的大小，如式(1)所示:
 
顯然，λ值越小，誤判風(fēng)險也就越小，實(shí)際檢測中當(dāng)λ≤0.25~0.1,(p=95%，k=2)時則判定為合格，對于精確度要求不高的產(chǎn)品檢測中，λ值不大于1/3即判定為合格。
3檢定裝置的不確定度評定
3.1數(shù)學(xué)模型
溫度為0℃時，被檢定工業(yè)鉑熱電阻的測量誤差數(shù)學(xué)模型如式(2)所示:
 
其中，Ri、R*i和R*ip為輸人量。
溫度為100℃時，被檢定工業(yè)鉑熱電阻的測量誤差數(shù)學(xué)模型如式(3)所示:
 
式(2)和式(3)中，R*ip。可通過查閱檢定證書獲得，或通過在水三相點(diǎn)瓶重新測量而獲得;R0、R100、(dR/d)t=0、(dR/D)t=100均為常數(shù);Wo^s、W100^s、dRt^s;'/dt)t=0和(dRt^s/dt)t=100均可通過查閱檢定證書而得到，由于其值很小，可忽略不計。
3.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
工業(yè)鉑熱電阻的主要不確定度來源包括:檢定結(jié)果的重復(fù)性、SPRT復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性、SPRT自熱影響、電測儀器影響SPRT、電測儀器影響IPRT、恒溫源溫度的影響、恒溫源的均勻性、以及IPRT的自熱影響等等。
　　采用三支不同的Pt100進(jìn)行多次重復(fù)性測試，以s(x)表示測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其在0℃和100℃時的電阻值測量結(jié)果如表3和表4所示。
 
　　由表3和表4可以計算出各不確定度來源的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，如表5所示。
3.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
　　由3.2節(jié)可計算輸人量△ti、△th的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如式(4)所示。
 
 
3.4擴(kuò)展不確定度評定
取置信概率p=95%，k==2，并對擴(kuò)展不確定度保留兩位有效數(shù)字，則檢定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度如式(7)所示。
 
通過以上三種檢定結(jié)果的不確定度計算和評定可以分析比較各種不確定度分量對總不確定度的貢獻(xiàn)比例，對進(jìn)一步提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度具有較強(qiáng)參考價值。
4結(jié)論
IPRT的基本理論和檢定方法,分析了工業(yè)鉑熱電阻測量檢定中不確定度的來源，計算了各種不確定度分量對檢定結(jié)果不確定度的貢獻(xiàn)比例，并給出了具體的參考實(shí)例，為進(jìn)一步減小和控制檢定不確定度提供了可靠的參考價值。