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计量标准技术报告二等铂电阻温度计

计量标准技术报告

二等铂电阻温度计标准装置

乐鹏

云南水富云天化有限公司

年月日

一、建立计量标准的目的…………………………………（3）

二、计量标准的工作原理及其组成………………………（3）

三、计量标准器及主要配套设备…………………………（4）

四、计量标准的主要技术指标……………………………（5）

五、环境条件………………………………………………（5）

六、计量标准的量值溯源和传递框图……………………（6）

七、计量标准的重复性考核………………………………（7）

八、计量标准的稳定性考核………………………………（8）

九、检定或校准结果的测量不确定度评定………………（9）

十、检定或校准结果的验证………………………………（13）

十一、结论………………………………………………（14）

十二、附加说明…………………………………………（14）

一、建立计量标准的目的

通过建立二等铂电阻温度计标准装置，满足公司测量管理体系的要求，并自行开展公司内部工作用工业热电阻的检定。

二、计量标准的工作原理及其组成

用比较法将二等标准铂电阻温度计与铂热电阻同时插入冰点槽或恒温槽中，待温度稳定后通过测量标准与被检铂电阻的阻值，然后通过公式计算得出被检铂热电阻温度计在温度t时的实际值电阻值Rt和误差值Et。

其组成有恒温水槽，二合一恒温槽，热工仪表检定系统控制器，三线电阻转换器。

三、计量标准器及主要配套设备

计

量

标

准

器

名称

型号

测量范围

不确定度

或准确度等级

或最大允许误差

制造厂及

出厂编号

检定或

校准机构

检定周

期或复

校间隔

二等铂电阻温度计

WZPB

（0～419.527）℃

二等

云南仪表厂

0864

云南省计量测试技术研究院

二年

数字万用表

34420A

（0～1000）Ω

（0.0060RD+0.0002FS）

HPAgilent

MY42001102

云南省计量测试技术研究院

一年

主要配套设备

恒温水槽

LT-0

（0～95）℃

垂直温差＜0.02℃

水平温差＜0.01℃

北京尼蒙计量技术开发公司99025

云南省计量测试技术研究院

一年

二合一恒温槽

PR541-N60

（-60～300）℃

垂直温差＜0.02℃

水平温差＜0.01℃

泰安磐然测控科技0530103093

云南省计量测试技术研究院

一年

热工仪表检定系统控制器

WD-R-2

泰安磐然测控科技有限公司2013416

冰点恒温槽

LC-1

上海工业自动化仪表研究所9957

四、计量标准的主要技术指标

1.二等铂电阻温度计：

二等。

2.数字万用表：

71/2位。

3.扫描开关寄生热电势小于0.4μV。

五、环境条件

序号

项目

要求

实际情况

结论

1

温度

（20±2）℃

（18～20）℃

符合要求

2

湿度

<80%RH

55%RH～70%RH

符合要求

3

4

5

6

六、计量标准的量值溯源和传递框图

上一级计量器具

本级计量器具

下一级计量器具

七、计量标准的重复性试验

使用该装置在正常工作的情况下，对Pt100的热电阻在0℃重复测量10次，数据如下：

单位：

（Ω）

序号

测量值Xi

U＝Xi－

U2

1

100.0417

-9×10

８１×10

2

100.0417

-9×10

８１×10

3

100.0427

+１×10

-4

１×10

4

100.0427

+1×10

-4

１×10

5

100.0427

+1×10

１×10

6

100.0427

+１×10

１×10

7

100.0429

+３×10

９×10

8

100.0429

+3×10

９×10

9

100.0431

+5×10

２５×10

10

100.0431

+5×10

２５×10

求和

1000.426

２３４×10

求平均值

100.0426

s＝

＝

＝5.10×10

（Ω）

化为温度为0.0013℃。

八、计量标准的稳定性考核

选择一支示值较稳定的型号为Pt100的工业用铂热电阻为被测对象，用比较法测得其连续4个月的R0和R100，结果如下：

时间

R0（Ω）

E0（℃）

2014年2月

100.0198

0.051

2014年3月

100.0214

0.055

2014年4月

100.0201

0.052

2014年5月

100.0223

0.057

极差

0.006

由上表可知，该热电阻4个月的极差为：

0℃：

0.006℃。

九、检定或校准结果的测量不确定度评定

1概述

1.1测量依据：

JJG229—2010《工业铂铜热电阻检定规程》。

1.2环境条件：

温度（20±2）℃，相对湿度不大于80%。

1.3测量标准：

二等标准铂电阻温度计

1.4被测对象：

铂热电阻，测量范围0℃、100℃。

1.5测量过程：

用比较法将二等标准铂电阻温度计与铂热电阻同时插入冰点槽或恒温槽中，待温度稳定后通过测量标准与被检铂电阻的阻值，然后通过公式计算得出被检的实际值Rt。

2冰点（0℃）

2.1数学模型，方差与传播系数：

根据规程，被检的R（0℃）值计算公式为:

dRdRRi*-R*（0℃）

R（0℃）=Ri-（—）·ti=Ri-（—）t=0·——————

dtt=0dtdR*

（—）

dtt=0

Ri*-R*（0℃）

=Ri-0.00391R’（0℃）×————————

0.00399R*（0℃）

Ri*-R*（0℃）

=Ri-0.391×——————

0.1

=Ri-0.391[Ri*-R*（0℃）]……………………………………………

（1）

式中：

R（0℃）—被检热电阻在0℃的电阻值；Ω

Ri—被检热电阻在0℃附近的测量得值；Ω

R*（0℃）—标准器在0℃的电阻值，通常从实测的水三相点值计得；Ω

Ri*—标准器在0℃附近测得值：

Ω

（1）上式两边除以被检热电阻在0℃的变化率并全微分变为：

R0*-Ri*

dtR0=d（Ri/0.391）+d（———————）

0.00399×25

=dtRi-dtR0*+dtRi*

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续1）

将微小变量用不确定度来代替，合成后可得方差

u2tR0=u2tRi+u2tR0*+u2tRi*………………………………………………………

（2）

此时传播系数C1=1，C2=1，C3=1

2.2标准不确定度分量的分析计算：

2.2.1utRi项分量：

该项分量是被检二电阻在0℃点温度ti上测量的不确定度。

包括有：

a）冰点器温场均匀性，不应大于0.01℃,则半区间为0。

005℃。

均匀分布，故

0.005

u1.1=———=0.003（℃）

其估计的相对不确定度为20%，既自由度v1.1为12，属B类分量

b）由电测仪表测量被检热电阻所带入的分量

本装置配用电测仪表为71/2位数字表34420A，在对100Ω左右测量时仍用1000Ω档，此时数字表准确度为：

（0.0060RD+0.0002FS）

对工业铂电阻Pt100来说，电测仪表带入的误差为：

δ被=100×60×10-6+1000×2×10-6

=±0.008（Ω）

化为温度：

±0.008

————=±0.02（℃）

0.391

该误差分布服从均匀分布，即

0.02

u1.2=———=0.011（℃）

估计相对不确定度为10%，即v1.1=50，属B类分量

c）对被检作多次检定时的重复性

在校准自动检定装置时以一稳定的A级被检铂电阻作试样检三次,用极差法考核其重复性,经实验最大差为4mΩ以内。

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续2）

通道间偏差以阻值计时应答与2mΩ，故连同通道间差异同向叠计在内时重复性为6mΩ约0.015℃,

0.015

u1.3=———=0.009（℃）

1.64

v1.3=1.8，属A类分量

d）被检热电阻自热效应的影响

以半区间估计为2mΩ计约5mK。

这种影响普遍存在，可视为两点分布。

故

5

u1.4=———=5（mK）

1

估计的相对不确定度为30%，即v1.4=5，属B类分量

2.2.2utR0*项分量：

标准器以实测的Rtp*值进行计算，故该误差分量以二等铂电阻温度计检定规程中规定在检定过程中Rtp的允许变化不超过5mK来计入。

半区间为2.5mK,呈正态分布，即

2.5

u2=——=0.97（mK）

自由度v2为∞，B类分量

2.2.3utRi*项分量：

该分量是使用标准时测量过程中引入的，包括：

a）电测仪表测量标准器R标i*时引入的。

标准铂电阻与被检热电阻用同一电测仪表，使用的是100Ω档，此时数表的准确度

A=60×10-6×读数×2×10-6×量范

而标准器为了排除不同电测带入的系统误差和标准器因应力等引起Rtp值的变化，要求用同一电测测量其Rtp值和Rt值，以比值Wt=Rt/Rtp来计算实际温度，此时如以电测仪器的准确度分别计算Rtp、Rt项的贡献是不对的，这两项值相关。

推导如下：

Wt=Rt/Rtp全微分得

1Rt

dWt=——dRt-———dRtp……………………………………（3）

RtpRtp2

对微小变量dRt，dRtp的计算，可以电测仪器的指示及Rt，Rtp值计入，式（3）变为：

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续3）

δWt=（Rt×60×10-6+100×2×10-6）/Rtp-Wt（Rtp×60×10-6+100×2×10-6）/Rtp

=Wt×60×10-6+（100×2×10-6）/Rtp-Wt×100×2×10-6/Rtp-Wt×60×10-6

=（1-Wt）×100×60×10-6/Rtp…………………………………………（4）

所以用比值W计算时，电测仪器对标准铂电阻测值引入的极差（以SPRT的典型值计，也可套用某支具体SPRT值）为：

δW（0℃）=（1-0.9999601）×100×60×10-6/25

=9.58×10-9

9.58×10-9

换算成温度：

δt=——————=2.4×10-6（℃）。

此值为半区间，服从均匀分布，即：

3.989×10-3

2.4×10-6℃

u3.1=——————=0.0001（mK）

估计的相对不确定度为10%，即v3.1=50，属B类分量

b）标准铂电阻温度计的自然影响

按二等SPRT检定规程，它的自然允许值不应大于4mK。

按均匀分布，以半区间计入

4

u3.2=————=1.2（mK）

2×

估计的相对不确定度为20%，即v3.2=12，属B类分量

c）标准铂电阻温度计计算温度的计算误差

根据ITS—90，其内插公式的非唯一性为1mk，可按两点分布对待且可靠程度很高，故

u3.3=1/2×1=0.5（mK）,v3.3为∞，B类

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续4）

2.3冰点的标准不确定度分量览表

序号

来源

类

别

灵敏

系数

标准不确定度（mK）

分布

自由度

1

2

3

4

u1.1

u1.2

u1.3=s单u1.4

温场均匀性

电测测量被检引入的分量

检定重复性

被检自热影响

B

B

A

B

1

3

11

9

5

均匀

均匀

t

两点

12

50

1.8

5

5

u2

标准器不确定度

B

1

0.97

正态

∞

6

7

8

u3.1

u3.2

u3.3

电测测量标准引入的分量

标准器自热

公式计算

B

B

B

-1

0.1

1.2

0.5

均匀

均匀

两点

50

12

∞

2.4冰点的合成标准不确定度,有效自由度与包含因子:

uc冰2=32+112+92+52+0.972+0.0012+1.22+0.52

=506.3

uc冰=22.5（mK）

　　　　　22.54

veff=———————————————————————

3422.5494540.00141.24

——+——+——+——+———+——

12501.855012

=39.8

2.5冰点的检得结果扩展不确定度

取veff=40，t0.95（40）=2.02

U95=2.02×22.5=45.5（mK）取0.046℃

3.100℃点

3.1数学模型、方差与灵敏系数

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续5）

3.100℃点

3.1数学模型、方差与灵敏系数

根据规程，被检工业铂电阻的R100的值计算公式为:

根据规程，被检工业铂电阻的R100的值计算公式为:

Rb*-R100*

R（100℃）=Rb-0.379•—————

（dR/dt）100*

Rb-0.379•—————…………………………………………（5）

（dR/dt）100*

式（5）中：

R（100℃）—被检定电阻在100℃的电阻值；Ω

Rb—被检定电阻在100℃附近的测量得值；Ω

Rb*—标准器的测得值；Ω

W100*—标准器证书上的W100比值：

Rtp*—检定时用系统所配电测仪器实测得便准器的水三相点值：

Ω

实际上，标准器全为用比值计算温度，分度表也只有比值的变化率（dW/at*）,式（5）还需变形，因为（dW/dt*）=（dW*/dt）•Rtp*，所以：

Rb*W100*Rtp*

R（100℃）=Rb-0.379•[—————-—————]

（dR/dt）100*（dR/dt）100*

Rb*W100*Rtp*

=Rb-0.379•[——————-——————]

0.00387•Rtp*0.00387•Rtp*

Wb*W100*Rtp*

=Rb-0.379•[—————-————]

0.003870.00387

=Rb-97.93Wb*+97.93W100*…………………………………………（6）

式（6）中：

Wb*—标准器在tb点测得的阻值Rb*与同一点测试测得的水三相点值此Rtp*之比。

其余同式（5）。

式（6）为本分析的数学模型

dR100=dRb-97.93dWb*+97.93dW100*

将变量以分量不确定度代之并合成可得方差计算公式：

u2c（100℃）=uRb2+（-97.93uwb*）2+（97.93uW100*）2………………………………

（2）

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续6）

可见灵敏度系数C1=1，C2=-97.93，C3=97.93

3.2标准不确定度分量的分析计算;

3.2.1Rb项：

本项为检定时该装置测量被检热电阻所引入得不确定度来源，它包括有：

3.2.1.1温场均匀性影响：

恒温水槽水平均匀性为0.01℃。

以标准器所在孔位为基点，半区间等概率分布计入，则有

0.01

u1.1=—————=0.003（℃）

2×

相对不确定度为20%，即有v1.1=12，属B类

3.2.1.2温场的变化波动影响：

3.2.1utRi项分量：

热电阻自校装置的恒温特性为0.04℃/10min，以测量时间为5分钟变化计为

0.02℃,以标准器值为基点在被检项上有半区间，均匀分布的不确定：

0.01

u1.1=———=0.006（℃）

相对不确定度为20%，即有v1.2=12，属B类

3.1.3电测仪表测被检热电阻所带入的分量

在100℃附近被检工业铂热电阻Pt100的阻值为138.51Ω左右。

电测仪表用1kΩ档带入的极限误差为：

δb=138.51×100×10-6+1000×10×10-6

=0.02385（Ω）

即约为0.02385/0.379=±0.063（℃）

呈均匀分布，以半区间计入：

0.063

u1.3=———=0.036（℃）

相对不确定度20%，即v1.2=50，B类

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续7）

3.2.1.4检定的重复性

装置的重复性实验以三次等精度重复检定结果的最大差不大于12mΩ（单一通道），而各通道间偏差允许不大于2mΩ，按同向叠加即使用任一通道的重复性为14mΩ即0.037℃。

根据JJF1059-1999，使用三次间极差法计算单次实验标准差时极差系数为1.64，自由度为1.8，服从t分布：

0.037

u1.4=s单=———=0.023（℃）

1.64

v1.4=1.8，属A类分量

3.2.1.5被检热电阻自热影响

在沸点由于温度较高，根据实验观察，外部热效应影响较少，但被检的阻值较大，内部热效应有一定程度的增大，故仍可按0℃点计算：

u1.5=5（mK）,v1.5=5，两点分布，B类

3.2.2Wb*项：

该项是检定时对标准器在检定点tb上的测量所包括的各不确定度来源，它包括有：

3.2.2.1电测仪表测标准器值时带进的，对标准器测量仍为本100Ω档，根据本分析式（4）：

1-Wt

δWt=———×4×10-3

Rtp

此处即

1-Wt

δWt=———×4×10-3

Rtp

1-1.39265

=—————×4×10-3

25

=±6.28×10-5

以半区间计入，均匀分布处理，即

6.28×10-5

u2.1=————=3.627×10-5

相对不确定度10%，即v2.1=50，B类

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续8）

3.2.2.2标准器Rtp*变化所带入的

标准器在热过程中Rtp值会发生变化。

检定工业热电阻过程并不要求每次测量完后即检水三相点值。

所以该变化的影响将直接带入计算结果中。

该变化量以合格的标准器在检定过程中Rtp的允许变化量5Mk计，换算成W值即1.995×10-5以半区间计并认为属均匀分布，则：

1.995×10-5

u2.2=————=5.7576×10-6

２×

估计的相对不确定度20%，即v2.2=12，B类

3.2.2.3标准器的自热影响在tb点外部温度较高，且直接插于强迫对流的介质中时可忽略不计。

3.2.2.4标准器的计算公式不确定度同0℃的，但按100℃附近的dw/dt换算成比值，即

u2.3=3.868×10-3×0.5×10-3=1.934×10-6，v2.3为∞，两点分布，B类

3.2.3W100*项：

该项分量为标准器在100℃的检得结果不确定度。

根据我国中温量传系统颁布数据，二等标准器W100的扩展不确定度为6mk（p=0.99），正态分布，换算成比值W100时，即2.321×10-5，得

2.321×10-5

u3=—————=8.995×10-6，v3为∞，B类　

　　　2.58

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续9）

序号

来源

类

别

灵敏

系数

标准不确定度

（℃）

分布

自由度

1

2

3

4

5

u1.1

u1.2

u1.3u1.4=s单

u1.5

温场均匀性

电测变化波动

电测测被检

重复性

被检自热影响

B

B

B

A

B

1

0.003

0.006

0.036

0.023

0.005

均匀

均匀

均匀

t

两点

12

12

50

1.8

5

6

7

8

u2.1

u2.2

u2.3

电测测标准

标准器Ptp变化

温标内插公式

B

B

B

-97.93

3.627×10-5

5.758×10-6

1.934×10-6

均匀

均匀

两点

50

12

∞

9

u3

标准器不确定度

B

97.93

8.995×10-6

正态

∞

3.4合成标准不确定度,有效自由度与包含因子:

　uc（100℃）2=0.0032+0.0062+0.0362+0.0232+0.0052+97.932

×[（3.627×10-5）2+（5.758×10-6）2+（1.934×10-6）2+（8.995×10-6）2]

=1.909×10-3

uc（100℃）=0.044（℃）

九、检定或校准结果的测量不确定度评定（续10）

0.0444

veff=————————————————————————————————————

0.00340.00640.02340.0054（97.93×3.627×10-5）4（97.93×5.758×10-5）4

———+———+———+———+——————————+——————————

12121.855012

=24.07

3.5100℃点的检得结果扩展不确定度

取veff=20，t0.95（20）=2.09

U95=2.09×0.044=0.092℃

4结论

装置在0℃点的检定结果扩展不确定度为U95=0.05（℃）。

工业铂电阻A（B）

0.051

级的允差在0℃为0.15℃，En=———≈——，能满足开展检定工业热电阻对0

℃点的要求。

0.15（0.30）3（6）

在100℃点的检定结果扩展不确定度为U95=0.09（℃），A级在100℃的允差为0.32℃，

0.091

En=———≈——，能满足开展检定的要求。

0.323.5

十、检定或校准结果的验证

采用传递比较法：

选一支稳定性好的热电阻温度计，在此装置上测得一组数据，再送自贡市计量测试研究所测得一组数据，其测量结果如下表：

单位：

（℃）

检定点

0

100

本装置检定结果

-0.18

+0.20

自贡测试所检定结