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铂热电阻允差检验规则的探讨

一、修订背景



    JJG229-1998《工业铂、铜热电阻》检定规程(以下简称“旧规程”)颁布已有10多年,期间相关的国际建议和IEC标准相继出版,包括国际建议OIML R84:2003《铂、铜、镍热电阻(工业和商业使用)》和国际电工委员会标准IEC60751:2008《工业铂热电阻及其感温元件》。我国等同采用IEC60751:2008的国家标准也即将颁布实施。为此,国家质检总局下达了《工业铂、铜热电阻》检定规程的修订任务。经多方努力,JJG229-2010《工业铂、铜热电阻》检定规程(以下简称“新规程”)于2010年9月6日经国家质检总局批准颁布并自2011年3月6日开始实施。

    



二、修订中采用相关标准的情况



    与新规程有关的国家标准正在制定和审批中,该标准等同采用IEC60751:2008(英文版和法文版)。

    与新规程有关的国际建议OIML R84:2003(英文版)由OIML技术委员会的电阻温度计分委会TC11/SC1制定。该版本由国际法定计量委员会于2002年通过,并于2004年呈送国际法定计量会议以正式承认。由于OIML与ISO、IEC等机构之间建立了合作协议,以避免出现相互矛盾的地方,因此在采用时亦应遵循此原则。鉴于OIML R84:2003(英文版)与之相协调的IEC60751:1997已修改为2008版,因此,在采用OIML R84:2003时,如与IEC60751:2008有矛盾的地方,采取倾向于IEC60751:2008的办法是合理的。因此,此次修订没有采用OIML R84:2003的以下主要内容:

    1.适用范围

    按我国行业标准生产的α为0.00385的铂热电阻的测量范围以及电阻-温度关系与现行的国际建议、IEC标准是一致的,而按行业标准生产的α为0.00428的铜热电阻的测量范围以及电阻-温度关系与国际建议中的不一致;OIML R84:2003中涉及的镍热电阻、α为1.391的铂热电阻和α为1.426的铜热电阻,国内均无行业标准、生产企业和产品。为适应国情,在新规程的范围一章中没有采用国际建议。

    2.允差检定方法

    检定方法在OIML R84:2003附录A之9.4条中予以叙述。附录A是各种热电阻的相对电阻分度表(Wt-t)。按OIML R84:2003之4.2条要求,是通过R(t)查(Wt-t)表得到t。如果查表时将R(0℃)视为名义值,则附录A的表格就成为通用分度表,解决了Pt500、Pt1000等没有分度表的问题,而且与IEC标准也不产生矛盾。但是OIML R84:2003之9.4条的试验方法却使上述愿望成为泡影,甚至成为不能执行的标准。因为这儿的相对电阻是通过实际测得的R(0℃)和R(t)得到的,处理方法与标准电阻温度计的类似。这样将造成每支工业热电阻需单独分度,失去了工业热电阻的通用性和互换性,造成与二次仪表配合的困难,最终将造成使用热电阻测量温度的混乱。因此,在允差检定中也没有采用该国际建议。

    3.检定用设备

    OIML R84:2003中要求:扩展不确定度不超过0.04℃或允差的10%,满足两者中较大者即可。该规定并不合理,0.04℃的不确定度对于AA级热电阻显然是不够的,允差的10%又嫌太大。因此,新规程要求,检定时用的标准器、电测仪器以及配套设备引入的扩展不确定度换算成温度值应不大于被检热电阻最大允差绝对值的1/4。

    4.检定点和WI100的计算

    根据OIML R84:2003的要求,最后需要计算WI100。但是又没有允差的要求,因此该项工作无意义。而且检定点是80℃~250℃,直接计算得到的是WtI,要换算到WI100也不能简单地内插,增加了检定工作的难度。规程修订时只引用了WI100的定义,并将其引申通过计算给出了一系列与Δt0相关的要求,作为是否进行上限温度检定的依据。

    



三、修订的主要内容



    新规程在适用范围方面更具体明确;为了与IEC60751:2008(等同采用的国家标准)保持一致,在允差等级的表述方面作了相应的修改;允差检定的方法及不进行上限温度检定的判断方法更科学合理;同时增加了测量结果的不确定度评估,为合理选择标准器和出厂检定、委托验收的合格判断提供了分析依据。新规程具体修订的内容如下:

    1.范围

    只适用于按我国国家标准或行业标准制造的工业铂、铜热电阻,即电阻温度系数α为0.003851℃-1的铂热电阻和α为0.00428℃-1的铜热电阻。其他电阻温度系数的工业热电阻可以参照新规程的检定方法对被测温度点进行校准。

    2.增加了定义与术语

    对正确理解规程和误差处理有帮助。如热电阻、标称电阻值R0、工业热电阻电阻比值WtI、标准铂电阻电阻比值WtS和电阻温度系数。

    3.温度/电阻表(分度表)

    根据OIML R84:2003,相同的电阻温度系数具有同一张Wt-t分度表。由于Wt=Rt/R0,因此新规程只给出R0=100Ω的分度表,其他标称电阻值R0的分度表只要将该表的电阻值乘以就可以方便地推算出。分度表中的电阻值是按热电阻的电阻温度函数关系计算,并修约到小数点后第二位得到的。对于允差等级高于AA级的铂热电阻,分度表中的电阻值应修约到小数点后第三位。

    4.计量特性与通用技术要求

    在检定项目方面与OIML R84:2003一致:允差、稳定性、外观和绝缘电阻。其中,允差等级采用IEC60751:2008的分等方法,增加了热电阻的AA级和C级,并将线绕元件和膜式元件分别列出;稳定性:在OIML R84:2003和IEC60751:2008中是型式评价(型式试验)的试验项目,由于我国目前须进行型式评价的计量器具目录中没有将工业热电阻列入其中,新规程将稳定性列入首次检定的项目中,并只对用户有要求时才进行该项检定,检定方法与IEC60751:2008保持一致;明确了两线制热电阻的引线电阻的处理规定,检定时应考虑从感温元件连接点到热电阻端子间内引线的电阻值,若制造商提供引线的电阻值,则测量结果应扣除引线电阻值。否则引线电阻应包括在感温元件内。

    5.检定用设备

    新规程要求在选择检定用的标准器、电测仪器以及配套设备时,以不确定度评定结果符合要求为准。经分析,电测仪器的不确定度评定结果在不确定度分量中占有主要分量,如果用选择的电测设备在水三相点中重测Rtp,就可以大大削弱电测仪器在不确定度中的分量。鉴于目前使用单位多数不配备和不习惯使用水三相点瓶,因此,必须提高电测仪器的准确度以保证测量不确定度的要求。经不确定度评估,A级及以上等级的铂热电阻如果不重测Rtp应配备0.005级及以上等级的数字多用表,与旧规程对电测仪器的配置要求不同,应予以注意。

    配套设备中增加冰点槽作为0℃检定点的温度源,是为保证有尽可能小的不确定度,并按OIML R84:2003的要求作了详细的描述和规定,新规程也不排除使用符合要求的0℃恒温槽。

    6.检定的环境条件

    维持旧规程的要求,也与OIML R84:2003保持一致,为了确保电测仪器的准确度,增加了对其所处环境的要求。

    7.外观与绝缘电阻的检定

    维持旧规程的要求,与OIML R84:2003的要求和试验方法一致,与IEC60751:2008也没有矛盾。绝缘电阻的检定主要是常温绝缘电阻,首次检定时如委托者有要求可以进行高温绝缘电阻的检定。

    8.允差的检定

    (1)选择0℃和100℃作为检定点,与OIML R84:2003以及IEC60751:2008基本一致。在权衡了检定结果的可靠、检定成本的降低和减少对样品的伤害3个因素后,选择这两点作为检定点,同时要求计算电阻温度系数α(等效于OIML R84:2003中的WI100),核对其符合性。核对α的符合性对降低判断风险是必须的,根据是在热电阻的内插公式中0℃和100℃检定合格,如α偏离,温度范围的上限不一定合格,得看α和R0的偏离程度。Δα的要求在旧规程中就有,只是旧规程按上限温度为850℃、Δt0=0给出的。新规程考虑了ΔR0≤ΔR0max以及不同上限温度的实际情况经计算得到Δα的符合性范围。新规程中为方便检定给出了可供判断的图表。

    (2)检定方法采用比较法,其中电阻值的测量规定为四线制的测量方法,对两线制和三线制的热电阻的测量分别作了要求和规定。

    (3)测量误差的计算,可按直接比较法给出计算式,由于要求计算α,必须将在实际测量点(略偏离0℃和100℃)得到的电阻值换算到0℃和100℃时的电阻值。新规程的计算公式沿用了旧规程的计算方法,但是在参考温度的计算元素中不采用旧规程的参考函数值(Wr和dWr/dt),而是采用标准铂电阻检定证书的结果Wt和dWt/dt(即新规程的WtS和dWtS/dt),在热电阻温度的计算元素中换算因子dR/dt的修约间隔由旧规程10-3改为10-4,有利于减小不确定度。

    9.稳定性检定的上限温度持续时间按IEC60751:2008的要求定为672h。

    10.增加了温度允差对应的R0和R100电阻值的合格判断,按合格范围列表,方便使用。

    11.在合格判断的原则方面

    新规程沿用了旧规程的判断原则,即在标准装置符合规程要求的条件下,比较结果不超过允差的判断为合格,反之为不合格。同时考虑到与新规程相关的、正在编写的国家标准将等同采用IEC60751:2008。新规程在允差的合格判断中针对此特殊情况,引入了不确定度因素,规定了制造商的合格判断原则和验收方的不合格判断原则。

    12.数据处理中的修约误差

    数据处理中以修约误差不大于允差的1/10~1/20为原则,规定了允差检定时电阻值和Δα的修约间隔:A级及以下等级热电阻的R0′和R′100计算结果修约至1mΩ,AA级及以上等级修约至0.1mΩ;AA级和A级Δα的取值修约至10-7,B级、C级和铜热电阻修约至10-6。

    13.增加了不确定度评估

    评定方法和不确定度来源的分析,经过试验验证是合理的,也便于检定人员在建立检定装置时分析其符合性。

    



四、规程重点解读



    1.关于允差指标

    新规程在允差指标的规定中有较大的变化,增加了AA级和C级,规定了相应的有效温度范围,明确允差等级与有效温度范围是不可分割的;允许制造厂制造现行等级范围以外的热电阻,建议以B级的分数和倍数形式连同有效温度范围一起标注在产品上;热电阻在600℃~850℃温度范围的允差由制造厂自行标注;允许制造厂生产有效温度范围偏大和偏小的热电阻,但必须标注在产品上。总之,检定应按制造厂标注的技术指标进行检定和作出合格或不合格的结论,不存在降级处理的结论。

    2.为什么要检查α的符合性?不管热电阻的有效温度范围如何,允差检定时不检定上限温度,只检定0℃和100℃。另要求计算α,检查α的符合性作为不检定上限温度的依据。

    下面以铂热电阻为例叙述其原理:

    铂热电阻的电阻/温度关系由Callendar方程描述,在0℃~850℃时有:该方程对于实际制作的铂热电阻是有偏差的,主要是α和R0的偏差,α的偏差对应的主要是A发生了变化,高次项系数B的作用较小。

    当α为标称值(即Δα=0),而R0偏离标称值时,达到最大允差ΔR0max。按铂热电阻的温度特性,该铂热电阻在100℃时的电阻值也将变为R′100=WI100(R0+R0max),与分度表的偏差为WI100·ΔR0max。说明R0的变化对标称温度特性曲线而言并非平移,将这电阻值偏差换算成温度,为。以AA级为例,100℃的温度偏差为±0.143℃,而100℃允差为±0.27℃。同理,温度为t时的电阻值为R′t=WIt(R0+ΔR0max),与分度表的偏差为WIt·ΔR0max,换算成温度为。AA级上限温度为250℃,温度偏差即为±0.210℃,而250℃的允差为±0.525℃,如图1所示。从图1中可以看出,允差变化的速率远大于因R0有偏差带来的温度偏差的变化速率。经计算,AA级温度偏差的变化率最大为(4.34~4.58)×10-4,而允差变化的速率为0.17×10-4。因此,制造商只要严格控制丝材的α,在Δα=0的情况下,0℃合格,其他温度点上也合格。如果Δα不为0,当Δα大于0时,温度偏差线将上翘;反之,当Δα小于0时,温度偏差线将下滑。

    









<CTSM>    图1  AA级铂电阻R0偏离为最大允差时,实际偏差线与允差线的比较(零对称的正偏差部分)</CTSM>

    如何合理控制Δα是制造商必须研究的,也是计量检定机构需要认真对待的问题。新规程在允差检定时选择0℃和100℃作为检定点,并合理控制α的偏离作为不检定上限温度值有利于节约能源和降低检定成本。控制α的偏离程度是在分析热电阻的Callendar方程基础上得到的。如果制造厂在产品定型前严格按标准进行定型试验并合格,就说明热电阻的温度特性在有效温度范围内是遵循Callendar方程的。反之,没有进行过定型试验或不能证明经过此试验的应进行上限温度的试验,尤其是由膜式元件制成的热电阻。

    3.检定设备的配置中为什么要求配备水三相点作为重测Rtp用?因为重测Rtp的主要目的是为了减小标准铂电阻温度计测量的不确定度。在温度偏差测量的不确定度评定中,以0℃的偏差测量为例,其测量的数学模型为Δti*=Δti-Δti*。其中,由电测仪器测量标准铂电阻温度计得到输入量中的主要不确定度来自。Ri*和Rtp*的测量误差对WiS的影响有两种情况,设电测仪器的最大允差为±(a%读数+b)。(1)如果Ri*和Rtp*均用检定装置中的电测仪器测量得到(即重测Rtp*),则两者的结果是相关的,经计算有;(2)如果Rtp*用标准铂电阻温度计证书中的结果,则Ri*和Rtp*的测量结果是不相关的,经计算有。显然,第一种情况(重测Rtp*)具有更小的不确定度。

    4.三线制热电阻的计算。新旧规程的计算公式是一样的:Rt=2Ra-Rb,旧规程认为两次接线测量时,恒温槽的温度不变或变化可以忽略不计。合理的方法应该是每次接线测量后将其修正至约定值,然后进行比较。以0℃测量为例,计算公式如下:

    R′0=2(Ra-Δta*·dR/dt)-(Rb-Δtb*·dR/dt)=2Ra-Rb-(Δta*+Δt)·dR/dt=(2Ra-Rb)-Δta*·dR/dt-Δt·dR/dt

    其中,Δt=Δta*-Δtb*为标准铂电阻温度计两次测量恒温槽的温差。如果没有温差,即旧规程的后修正方法。如果有温差应按上述公式计算,即新规程要求的修正后计算。也可以将上述公式理解为,按旧规程计算后再进行恒温槽两次测量温差的修正。

    5.新规程沿用了旧规程的合格判断原则,即在标准装置符合规程要求的条件下,允差检定的测量结果不超过允差的判断为合格,反之为不合格。同时在制造商的合格判断和验收方的不合格判断原则中引入了不确定度元素。如有4支铂热电阻,制造商和验收方的测量结果和扩展不确定度均一致,温度偏差分别为-0.05℃、0.35℃、0.45℃和0.55℃,不确定度均为U=0.10℃,k=2。如图2所示,根据新规程的判断原则,作为制造商只有No.001可判定为合格,作为验收方只有No.004判定为不合格可作退货处理。

    









<CTSM>    图2  制造商和验收方的合格判断举例</CTSM>

    



五、检定中应注意的问题



    1.在电测仪器的选取上更具灵活性,对于准确度要求只要保证测量扩展不确定度满足要求即可,其中还要注意电阻测量时的测量电流不能过大,保证尽可能小的自热影响。

    2.检定时热电阻应有足够的插入深度,尤其是不可拆卸的热电阻。合适的插入深度,是在热平衡后继续增加插入深度1cm,在重新达到热平衡后电阻值的变化不应超过允差的5%。

    3.检定时必须有足够的热平衡时间,待测量数据稳定后方可读数。

    4.0℃的允差检定应尽可能使用纯水制作的冰点槽,按新规程要求正确制作和使用。

    5.电阻的测量回路中应采用电流换向。由于接触电势与连接导线、端子的材料和温度有关,接触电势的随机性将影响电阻的测量结果。在电阻测量回路中采用换向开关能有效削弱接触电势的影响,减小测量不确定度。

    6.数据处理应按新规程要求,注意修约间隔以确保计算的准确和合理的不确定度。

    



六、允差检定的要点总结



    允差检定是新规程的重点,离不开电阻的测量和温度偏差的计算。首先,电阻测量应在(0±0.2)℃和(100±2)℃的恒温状态下,采用四线制的方式测量电阻,测量回路中电流应换向以消除接触电势的影响;其次,温度偏差的计算应熟悉各种换算公式和转换因子以及Δα允许范围的计算,数据处理中应注意修约间隔。以下为热电阻允差检定的要点总结,以流程图的形式帮助理解和记忆,也有助于建立自动检定系统的编程。其中,虚框中的Ri*和Ri为0℃检定时的测量值,Rh*和Rh为100℃检定时的测量值,其余为计算或换算公式和流程,具体如图3所示。

    











来源:      时间:2012/10/5 16:22:49
 
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