低成本提高工业铂热电阻检定结果可信度方法研究

1、第41卷第1期2015年1月中国测试低成本提高工业铂热电阻检定结果可信度方法研究陈桂生，付志勇，赵晶，朱育红，杨锐（中国测试技术研究院，四川成都610021）摘要：依据JJG 2292010工业铂、铜热电阻规定的技术条件, 分别用标称电阻值R tp 为25和100的二等标准铂电阻温度计作标准，在电测仪器不同允差水平下，对Pt100铂热电阻检定结果的不确定度进行评定。研究结果表明：检定工业铂热电阻时，电测仪器的非线性误差和标准铂电阻温度计的正确选择对检定结果不确定度的影响很大。电测仪器与标准温度计的优化选用，既可减小检定结果的不确定度，提高检定结果的可信度，又可降低标准装置的设备成本。关键词：工

2、业铂热电阻；检定；标准铂电阻；电测仪器；不确定度文献标志码：A文章编号：1674-5124（2015）01-0024-05Research on improving method of the credibility of industrialplatinum resistance verification results at a low costCHEN Guisheng ，FU 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工业铂、铜热电阻检定规程从1987年修订版1、1998年修订版2到现行的2010年版3，各版本中都强调检定装置配备水三相点瓶及保存设备的重要性，其目的都是提高工业铂热电阻检定结果收稿日期：2014-08-16；收到修改稿日期：2014-10-09作者简介：陈桂生（1953-），男

7、，山东东明县人，研究员，主要的准确性和可信度，为各行业领域的温度测量提供准确量值。文献4的研究数据证明，在工业铂热电阻检定时，标准铂电阻温度计用上级证书R tp 值的检定结果*不确定度小于用自测R tp 值的检定结果不确定度，即从事温度计量技术研究。前者检定结果更准确可靠。工业铂热电阻是中低温高准确度温度测量的首选温度传感器，提高和确保本文在文献4它的量值准确性具有重要的实际意义。第41卷第1期陈桂生等：低成本提高工业铂热电阻检定结果可信度方法研究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研究成果的基础上，在不增加装置设备成本的情况下进一步减小检定结果不确定度，具有较大的研究价值。1研究方法与数学模型（3）检定工业铂热电阻是在0和100点附近的恒温槽中用比较法3进行，被检铂热电阻的技术参数见表1。表1温度点/式中，0点R i ，R 的相关系数：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标称值及灵敏系数热电阻值/·d R /dt /（-1）100点R i ，R *i 的相关系数：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测量标准测量标准使用R tp 标称值为25和100的二等标准铂电阻温度计5，为了分析简便，参考函数取值见表2。表2温度点/标准铂电阻温度计的参考函数值电阻比值（W t S ）比值变化率（d W t S /dt ）影响测量结果的不确定度来源还有：测量重复性、恒温槽的温场、多路开关的寄生电势、被检测量为了便于分析比较，取检定条件电流引起的自热等。与文献4相同。22.1使用R tp 标称值为25的标准铂电阻温度计01000点的标准不确定度评定被检热电阻测量重复性

10、u （R ia ）、插孔间温差引（t i 1）、转换开关寄生电势引入的u （t i 2）、被检入的u仪器测量R i 、R *（R ）i 引入的标准不确定度u i 、u （R *i ）不确定度区间半宽为允差，电测仪器允差见表3，灵敏系数与相关系数0点各分量的灵敏系数：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合成标准不确定度不确定度分量汇总见表4，表中数据代入式（3）得到t 0在不同测量条件下的合成标准不确定度u （）。c t 0合成标准不确定度u （）：c t 0u （）=12.39mK 电测Ea

11、 时：c t 0电测Eb 时：u （）=15.45mK c t 0电测Ec 时：u （）=21.37mK c t 0电测Ed 时：u （）=32.83mK c t 02.2100点的标准不确定度评定被检铂电阻的测量重复性u （R h a ）、温场均匀性1.2测量仪器测量仪器仍用数字多用表的四线电阻测量分辨力0.1m ，工作电流功能，量程范围0200，1mA ，仪器等级0.01级，考虑仪器的非线性及预热、6校零、短时漂移的不同可能带来的示值误差差异3，见表3。表3误差水平仪器示值误差允差m Ea Eb Ec Ed±（0.01%读数0.5）±（0.01%读数1.0）±

12、（0.01%读数2.0）±（0.01%读数4.0）1.3数学模型0、100点被检热电阻测量误差数学模型的全微分4为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）根据不确定

13、度传播率，合成标准不确定度4，7u （）的形式为c t26中国测试2015年1月表4槽孔温差多路开关被检自热标准电测Ea 电测Eb 电测Ec 电测Ed0测量的不确定度汇总（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槽孔温差多路开关被检自热标准电阻比标准电

14、测Ea 电测Eb 电测Ec 电测Ed100测量的不确定度汇总（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 和温度波动使标准和被检的迟滞引入的u （t h 1）、转S 换开关引入的u （t h 2）、被检自热引入的u （t h 3）、W 100S 引入的u （W 100）等与文献4相同，见表5。电测仪器引入的u （R h ）、u （R *计算方法同2.1，h ）见表5。100点各分量的灵

15、敏系数：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点R i 、R 的相关系数由式（5）计算得：r a 0.92，r b 0.84，r c 0.74，r d 0.61各不确定度分量汇总见表5，表中数据代入式（3）得到t 100在不同测量条件下的合成标准不*i确定度u （）。c t 100合成标准不确定度u （）：c t 100u （）=17.63mK 电测Ea 时：c t 100电测Eb 时：u （）=20.86mK c t 100电测Ec 时：u （）=26.58mK c

16、 t 100电测Ed 时：u （）=38.43mK c t 1002.3R tp 标称值为25的检定结果的扩展不确定度按包含概率约为95%，取包含因子k =2，扩展不7，9确定度U=ku（），计算得到同一等级电测仪器在c t不同非线性误差时检定结果的扩展不确定度，见表6。3使用R tp 标称值为100的标准铂电阻温度计3.10点的标准不确定度评定测量重复性u （R i a ）引入的u （t i a ）、冰点槽温差引入的u （t i 1）、被检自热引入的u （t i 3）与2.1相同，见表7。 第41卷第1期 陈桂生等：低成本提高工业铂热电阻检定结果可信度方法研究27表6电测R tp 为25时检

17、定结果不确定度比较不确定度检定结果不确定度/被检允差不确定度区间半宽为允差，电测仪器允差见表3，温度点/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灵敏系数与相关系数0点各分量的灵敏系数：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点R i 、R *（4）计算得：i 的相关系数由式r a 0.98，r b 0

18、.98，r c 0.98，r d 0.98可以忽略不计。d W S 0的不确定度很小，合成标准不确定度各不确定度分量汇总见表7，表中数据代入式（3）得到t 0在不同测量条件下的合成标准不确定度u （）。c t 0合成标准不确定度u （）:c t 0电测Ea 时：u （）=8.30mK c t 0电测Eb 时：u （）=8.36mK c t 0电测Ec 时：u （）=8.48mK c t 0电测Ed 时：u （）=8.74mK c t 03.2100点的标准不确定度评定S不确定度分量u （t h a ）、u （t h 1）、u （t h 3）、u （W 100）同2.2，见表8。u （t h 2

19、）转换开关寄生电势1V ，对于电阻测量的贡献±1m 。对标准铂电阻影响为W S t=2.52mK S转换开关寄生电势1V ，对于电阻测量的贡献±1m 。对标准铂电阻影响为W S t=0.001/100=2.51mK S（d W t d t ）t =0对被检热电阻影响为R =0.001=2.56mK t =0两项影响按均匀分布且相互独立，则有：22（2.51/姨+（2.56/姨u （t i 2）=姨=2.07mK标准铂电阻R tp 引入的标准不确定度u （R tp ）8按规程要求5，一等标准装置在水三相点处的取k =2；二等复现性与上一级之差不超过U =4mK ，标准R tp

20、 在周期内变化不超过U =10mK ，取k =2。u （R tp ）=姨22.15m +2=估计相对不确定度为10%，则其自由度tp =50。表7槽孔温差多路开关被检自热标准电测Ea 电测Eb 电测Ec 电测Ed0测量的不确定度汇总（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槽孔温差多路开关被检自热标准电阻比标准电测Ea 电测Eb 电测Ec 电测Ed中国测试100测量的不确定度汇总（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对被检热电阻影响为R =0.001=2.64mK t =100两项影响按均匀分布且相互独立，则有：22（2.52/姨+（2.64/姨u （t h 2）=姨=2.11mK估计相对不确定度为20%，则

22、其自由度h 2=12。表9电测R tp 为100时检定结果不确定度比较不确定度检定结果不确定度/被检允差温度点/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电测仪器允差见表3，不确定度区间半宽为允差，*h各分量的灵敏系数：c 1h 2.64，c 2h -2.59，c 3h 3.60，c 4h 259*h*h两种标准（R tp 值）检定结果不确定度比较不确定度U （k =2）/mK标准R tp ：100标准R tp ：25前者比后者减小

23、/%电测温度点/Ea Eb Ec EdR i 、R *（5）计算得：i 的相关系数由式将表中数据代入各不确定度分量汇总见表8，）得到t 100在不同测量条件下的合成标准不确式（3）。定度u （c t 100合成标准不确定度u （）：c t 100u （）=14.46mK 电测Ea 时：c t 100电测Eb 时：u （）=14.50mK c t 100电测Ec 时：u （）=14.60mK c t 100表11电测Ed 时：u （）=14.81mK c t 1003.3R tp 标称值为100的检定结果的扩展不确定度按包含概率约为95%，取包含因子k =2，扩展不7，9），计算得到用同一等级电

24、测仪器确定度U=ku（c t不同检定方法检定结果不确定度比较不同检定方法检定结果不确定度的比证书（25）/自测（25）证书（100）/证书（25）证书（100/自测（25）不确定度U （k =2）/mK电测等级温度/自测R tp （25）*证书R tp （25）证书R tp （100）0.01级3，4本文Eb010050703142172962%60%55%69%34%41%（下转第36页）36 中国测试 5 6 7 8 2015 年 1 月 安相璧， 陈成法. 汽车检测诊断技术M. 2 版. 北京： 北京 2009： 179-181. 理工大学出版社， 刘跃明 . 汽车制动性能平板式试验台原

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26、参考文献 1 2 3 严伯昌 多轴物流半挂商用汽车的制动系统及其趋势 J 汽车应用， 2008， 23 （1 ） ： 22-23. 贾晖 . 多轴汽车制动性能检测可行方法的探讨 J. 汽车 维护与修理， 2007 （11 ） ： 58. Pusa a， lepp H Capability of roll brake test by the test trailJ. Investigation of the Measurement， 2003 （17 ） ： 12-14. 4 查小净. 汽车制动性能检测方法的比较与关联性研究D. 上海： 华东交通大学， 2010. 9 张天罡. 滚筒反力式制动试

27、验台检测系统的研究J. 机械 电子工程， 2008 （4 ） ： 24-26. 10 Richad W. Radlinske. Enhancing the roller brake testerJ. 2004 （2 ） ： 44 SAE Paper， ! （ 上接第 28 页 ） 在不同非线性误差时检定结果的扩展不确定度， 见 表 9。 4 研究结果的数据比较分析 从表 6 和表 9 的数据可以看出： 使用 Rtp 为 25 的标准铂电阻检定 Pt100 工业热电阻时， 电测仪器的 非线性误差变化对检定结果不确定度的大小有较大 影响； 使用 Rtp 为 100 的标准铂电阻检定 Pt100 工 业热电阻时， 电测仪器的非线性误差