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      鉑熱電阻允差檢驗規則的探討

      一、修訂背景



          JJG229-1998《工業鉑、銅熱電阻》檢定規程(以下簡稱“舊規程”)頒布已有10多年,期間相關的國際建議和IEC標準相繼出版,包括國際建議OIML R84:2003《鉑、銅、鎳熱電阻(工業和商業使用)》和國際電工委員會標準IEC60751:2008《工業鉑熱電阻及其感溫元件》。我國等同采用IEC60751:2008的國家標準也即將頒布實施。為此,國家質檢總局下達了《工業鉑、銅熱電阻》檢定規程的修訂任務。經多方努力,JJG229-2010《工業鉑、銅熱電阻》檢定規程(以下簡稱“新規程”)于2010年9月6日經國家質檢總局批準頒布并自2011年3月6日開始實施。

          



      二、修訂中采用相關標準的情況



          與新規程有關的國家標準正在制定和審批中,該標準等同采用IEC60751:2008(英文版和法文版)。

          與新規程有關的國際建議OIML R84:2003(英文版)由OIML技術委員會的電阻溫度計分委會TC11/SC1制定。該版本由國際法定計量委員會于2002年通過,并于2004年呈送國際法定計量會議以正式承認。由于OIML與ISO、IEC等機構之間建立了合作協議,以避免出現相互矛盾的地方,因此在采用時亦應遵循此原則。鑒于OIML R84:2003(英文版)與之相協調的IEC60751:1997已修改為2008版,因此,在采用OIML R84:2003時,如與IEC60751:2008有矛盾的地方,采取傾向于IEC60751:2008的辦法是合理的。因此,此次修訂沒有采用OIML R84:2003的以下主要內容:

          1.適用范圍

          按我國行業標準生產的α為0.00385的鉑熱電阻的測量范圍以及電阻-溫度關系與現行的國際建議、IEC標準是一致的,而按行業標準生產的α為0.00428的銅熱電阻的測量范圍以及電阻-溫度關系與國際建議中的不一致;OIML R84:2003中涉及的鎳熱電阻、α為1.391的鉑熱電阻和α為1.426的銅熱電阻,國內均無行業標準、生產企業和產品。為適應國情,在新規程的范圍一章中沒有采用國際建議。

          2.允差檢定方法

          檢定方法在OIML R84:2003附錄A之9.4條中予以敘述。附錄A是各種熱電阻的相對電阻分度表(Wt-t)。按OIML R84:2003之4.2條要求,是通過R(t)查(Wt-t)表得到t。如果查表時將R(0℃)視為名義值,則附錄A的表格就成為通用分度表,解決了Pt500、Pt1000等沒有分度表的問題,而且與IEC標準也不產生矛盾。但是OIML R84:2003之9.4條的試驗方法卻使上述愿望成為泡影,甚至成為不能執行的標準。因為這兒的相對電阻是通過實際測得的R(0℃)和R(t)得到的,處理方法與標準電阻溫度計的類似。這樣將造成每支工業熱電阻需單***分度,失去了工業熱電阻的通用性和互換性,造成與二次儀表配合的困難,***終將造成使用熱電阻測量溫度的混亂。因此,在允差檢定中也沒有采用該國際建議。

          3.檢定用設備

          OIML R84:2003中要求:擴展不確定度不超過0.04℃或允差的10%,滿足兩者中較大者即可。該規定并不合理,0.04℃的不確定度對于AA級熱電阻顯然是不夠的,允差的10%又嫌太大。因此,新規程要求,檢定時用的標準器、電測儀器以及配套設備引入的擴展不確定度換算成溫度值應不大于被檢熱電阻***大允差******值的1/4。

          4.檢定點和WI100的計算

          根據OIML R84:2003的要求,***后需要計算WI100。但是又沒有允差的要求,因此該項工作無意義。而且檢定點是80℃~250℃,直接計算得到的是WtI,要換算到WI100也不能簡單地內插,增加了檢定工作的難度。規程修訂時只引用了WI100的定義,并將其引申通過計算給出了一系列與Δt0相關的要求,作為是否進行上限溫度檢定的依據。

          



      三、修訂的主要內容



          新規程在適用范圍方面更具體明確;為了與IEC60751:2008(等同采用的國家標準)保持一致,在允差等級的表述方面作了相應的修改;允差檢定的方法及不進行上限溫度檢定的判斷方法更科學合理;同時增加了測量結果的不確定度評估,為合理選擇標準器和出廠檢定、委托驗收的合格判斷提供了分析依據。新規程具體修訂的內容如下:

          1.范圍

          只適用于按我國國家標準或行業標準制造的工業鉑、銅熱電阻,即電阻溫度系數α為0.003851℃-1的鉑熱電阻和α為0.00428℃-1的銅熱電阻。其他電阻溫度系數的工業熱電阻可以參照新規程的檢定方法對被測溫度點進行校準。

          2.增加了定義與術語

          對正確理解規程和誤差處理有幫助。如熱電阻、標稱電阻值R0、工業熱電阻電阻比值WtI、標準鉑電阻電阻比值WtS和電阻溫度系數。

          3.溫度/電阻表(分度表)

          根據OIML R84:2003,相同的電阻溫度系數具有同一張Wt-t分度表。由于Wt=Rt/R0,因此新規程只給出R0=100Ω的分度表,其他標稱電阻值R0的分度表只要將該表的電阻值乘以就可以方便地推算出。分度表中的電阻值是按熱電阻的電阻溫度函數關系計算,并修約到小數點后第二位得到的。對于允差等級高于AA級的鉑熱電阻,分度表中的電阻值應修約到小數點后第三位。

          4.計量特性與通用技術要求

          在檢定項目方面與OIML R84:2003一致:允差、穩定性、外觀和絕緣電阻。其中,允差等級采用IEC60751:2008的分等方法,增加了熱電阻的AA級和C級,并將線繞元件和膜式元件分別列出;穩定性:在OIML R84:2003和IEC60751:2008中是型式評價(型式試驗)的試驗項目,由于我國目前須進行型式評價的計量器具目錄中沒有將工業熱電阻列入其中,新規程將穩定性列入首次檢定的項目中,并只對用戶有要求時才進行該項檢定,檢定方法與IEC60751:2008保持一致;明確了兩線制熱電阻的引線電阻的處理規定,檢定時應考慮從感溫元件連接點到熱電阻端子間內引線的電阻值,若制造商提供引線的電阻值,則測量結果應扣除引線電阻值。否則引線電阻應包括在感溫元件內。

          5.檢定用設備

          新規程要求在選擇檢定用的標準器、電測儀器以及配套設備時,以不確定度評定結果符合要求為準。經分析,電測儀器的不確定度評定結果在不確定度分量中占有主要分量,如果用選擇的電測設備在水三相點中重測Rtp,就可以大大削弱電測儀器在不確定度中的分量。鑒于目前使用單位多數不配備和不習慣使用水三相點瓶,因此,須***提高電測儀器的準確度以保證測量不確定度的要求。經不確定度評估,A級及以上等級的鉑熱電阻如果不重測Rtp應配備0.005級及以上等級的數字多用表,與舊規程對電測儀器的配置要求不同,應予以注意。

          配套設備中增加冰點槽作為0℃檢定點的溫度源,是為保證有盡可能小的不確定度,并按OIML R84:2003的要求作了詳細的描述和規定,新規程也不排除使用符合要求的0℃恒溫槽。

          6.檢定的環境條件

          維持舊規程的要求,也與OIML R84:2003保持一致,為了確保電測儀器的準確度,增加了對其所處環境的要求。

          7.外觀與絕緣電阻的檢定

          維持舊規程的要求,與OIML R84:2003的要求和試驗方法一致,與IEC60751:2008也沒有矛盾。絕緣電阻的檢定主要是常溫絕緣電阻,首次檢定時如委托者有要求可以進行高溫絕緣電阻的檢定。

          8.允差的檢定

          (1)選擇0℃和100℃作為檢定點,與OIML R84:2003以及IEC60751:2008基本一致。在權衡了檢定結果的可靠、檢定成本的降低和減少對樣品的傷害3個因素后,選擇這兩點作為檢定點,同時要求計算電阻溫度系數α(等效于OIML R84:2003中的WI100),核對其符合性。核對α的符合性對降低判斷風險是須***的,根據是在熱電阻的內插公式中0℃和100℃檢定合格,如α偏離,溫度范圍的上限不一定合格,得看α和R0的偏離程度。Δα的要求在舊規程中就有,只是舊規程按上限溫度為850℃、Δt0=0給出的。新規程考慮了ΔR0≤ΔR0max以及不同上限溫度的實際情況經計算得到Δα的符合性范圍。新規程中為方便檢定給出了可供判斷的圖表。

          (2)檢定方法采用比較法,其中電阻值的測量規定為四線制的測量方法,對兩線制和三線制的熱電阻的測量分別作了要求和規定。

          (3)測量誤差的計算,可按直接比較法給出計算式,由于要求計算α,須***將在實際測量點(略偏離0℃和100℃)得到的電阻值換算到0℃和100℃時的電阻值。新規程的計算公式沿用了舊規程的計算方法,但是在參考溫度的計算元素中不采用舊規程的參考函數值(Wr和dWr/dt),而是采用標準鉑電阻檢定證書的結果Wt和dWt/dt(即新規程的WtS和dWtS/dt),在熱電阻溫度的計算元素中換算因子dR/dt的修約間隔由舊規程10-3改為10-4,有利于減小不確定度。

          9.穩定性檢定的上限溫度持續時間按IEC60751:2008的要求定為672h。

          10.增加了溫度允差對應的R0和R100電阻值的合格判斷,按合格范圍列表,方便使用。

          11.在合格判斷的原則方面

          新規程沿用了舊規程的判斷原則,即在標準裝置符合規程要求的條件下,比較結果不超過允差的判斷為合格,反之為不合格。同時考慮到與新規程相關的、正在編寫的國家標準將等同采用IEC60751:2008。新規程在允差的合格判斷中針對此特殊情況,引入了不確定度因素,規定了制造商的合格判斷原則和驗收方的不合格判斷原則。

          12.數據處理中的修約誤差

          數據處理中以修約誤差不大于允差的1/10~1/20為原則,規定了允差檢定時電阻值和Δα的修約間隔:A級及以下等級熱電阻的R0′和R′100計算結果修約至1mΩ,AA級及以上等級修約至0.1mΩ;AA級和A級Δα的取值修約至10-7,B級、C級和銅熱電阻修約至10-6。

          13.增加了不確定度評估

          評定方法和不確定度來源的分析,經過試驗驗證是合理的,也便于檢定人員在建立檢定裝置時分析其符合性。

          



      四、規程要點解讀



          1.關于允差指標

          新規程在允差指標的規定中有較大的變化,增加了AA級和C級,規定了相應的有效溫度范圍,明確允差等級與有效溫度范圍是不可分割的;允許制造廠制造現行等級范圍以外的熱電阻,建議以B級的分數和倍數形式連同有效溫度范圍一起標注在產品上;熱電阻在600℃~850℃溫度范圍的允差由制造廠自行標注;允許制造廠生產有效溫度范圍偏大和偏小的熱電阻,但須***標注在產品上??傊?,檢定應按制造廠標注的技術指標進行檢定和作出合格或不合格的結論,不存在降級處理的結論。

          2.為什么要檢查α的符合性?不管熱電阻的有效溫度范圍如何,允差檢定時不檢定上限溫度,只檢定0℃和100℃。另要求計算α,檢查α的符合性作為不檢定上限溫度的依據。

          下面以鉑熱電阻為例敘述其原理:

          鉑熱電阻的電阻/溫度關系由Callendar方程描述,在0℃~850℃時有:該方程對于實際制作的鉑熱電阻是有偏差的,主要是α和R0的偏差,α的偏差對應的主要是A發生了變化,高次項系數B的作用較小。

          當α為標稱值(即Δα=0),而R0偏離標稱值時,達到***大允差ΔR0max。按鉑熱電阻的溫度特性,該鉑熱電阻在100℃時的電阻值也將變為R′100=WI100(R0+R0max),與分度表的偏差為WI100·ΔR0max。說明R0的變化對標稱溫度特性曲線而言并非平移,將這電阻值偏差換算成溫度,為。以AA級為例,100℃的溫度偏差為±0.143℃,而100℃允差為±0.27℃。同理,溫度為t時的電阻值為R′t=WIt(R0+ΔR0max),與分度表的偏差為WIt·ΔR0max,換算成溫度為。AA級上限溫度為250℃,溫度偏差即為±0.210℃,而250℃的允差為±0.525℃,如圖1所示。從圖1中可以看出,允差變化的速率遠大于因R0有偏差帶來的溫度偏差的變化速率。經計算,AA級溫度偏差的變化率***大為(4.34~4.58)×10-4,而允差變化的速率為0.17×10-4。因此,制造商只要嚴格控制絲材的α,在Δα=0的情況下,0℃合格,其他溫度點上也合格。如果Δα不為0,當Δα大于0時,溫度偏差線將上翹;反之,當Δα小于0時,溫度偏差線將下滑。

          









      <CTSM>    圖1  AA級鉑電阻R0偏離為***大允差時,實際偏差線與允差線的比較(零對稱的正偏差部分)</CTSM>

          如何合理控制Δα是制造商須***研究的,也是計量檢定機構需要認真對待的問題。新規程在允差檢定時選擇0℃和100℃作為檢定點,并合理控制α的偏離作為不檢定上限溫度值有利于節約能源和降低檢定成本??刂痞恋钠x程度是在分析熱電阻的Callendar方程基礎上得到的。如果制造廠在產品定型前嚴格按標準進行定型試驗并合格,就說明熱電阻的溫度特性在有效溫度范圍內是遵循Callendar方程的。反之,沒有進行過定型試驗或不能證明經過此試驗的應進行上限溫度的試驗,尤其是由膜式元件制成的熱電阻。

          3.檢定設備的配置中為什么要求配備水三相點作為重測Rtp用?因為重測Rtp的主要目的是為了減小標準鉑電阻溫度計測量的不確定度。在溫度偏差測量的不確定度評定中,以0℃的偏差測量為例,其測量的數學模型為Δti*=Δti-Δti*。其中,由電測儀器測量標準鉑電阻溫度計得到輸入量中的主要不確定度來自。Ri*和Rtp*的測量誤差對WiS的影響有兩種情況,設電測儀器的***大允差為±(a%讀數+b)。(1)如果Ri*和Rtp*均用檢定裝置中的電測儀器測量得到(即重測Rtp*),則兩者的結果是相關的,經計算有;(2)如果Rtp*用標準鉑電阻溫度計證書中的結果,則Ri*和Rtp*的測量結果是不相關的,經計算有。顯然,第一種情況(重測Rtp*)具有更小的不確定度。

          4.三線制熱電阻的計算。新舊規程的計算公式是一樣的:Rt=2Ra-Rb,舊規程認為兩次接線測量時,恒溫槽的溫度不變或變化可以忽略不計。合理的方法應該是每次接線測量后將其修正至約定值,然后進行比較。以0℃測量為例,計算公式如下:

          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*為標準鉑電阻溫度計兩次測量恒溫槽的溫差。如果沒有溫差,即舊規程的后修正方法。如果有溫差應按上述公式計算,即新規程要求的修正后計算。也可以將上述公式理解為,按舊規程計算后再進行恒溫槽兩次測量溫差的修正。

          5.新規程沿用了舊規程的合格判斷原則,即在標準裝置符合規程要求的條件下,允差檢定的測量結果不超過允差的判斷為合格,反之為不合格。同時在制造商的合格判斷和驗收方的不合格判斷原則中引入了不確定度元素。如有4支鉑熱電阻,制造商和驗收方的測量結果和擴展不確定度均一致,溫度偏差分別為-0.05℃、0.35℃、0.45℃和0.55℃,不確定度均為U=0.10℃,k=2。如圖2所示,根據新規程的判斷原則,作為制造商只有No.001可判定為合格,作為驗收方只有No.004判定為不合格可作退貨處理。

          









      <CTSM>    圖2  制造商和驗收方的合格判斷舉例</CTSM>

          



      五、檢定中應注意的問題



          1.在電測儀器的選取上更具靈活性,對于準確度要求只要保證測量擴展不確定度滿足要求即可,其中還要注意電阻測量時的測量電流不能過大,保證盡可能小的自熱影響。

          2.檢定時熱電阻應有足夠的插入深度,尤其是不可拆卸的熱電阻。合適的插入深度,是在熱平衡后繼續增加插入深度1cm,在重新達到熱平衡后電阻值的變化不應超過允差的5%。

          3.檢定時須***有足夠的熱平衡時間,待測量數據穩定后方可讀數。

          4.0℃的允差檢定應盡可能使用純水制作的冰點槽,按新規程要求正確制作和使用。

          5.電阻的測量回路中應采用電流換向。由于接觸電勢與連接導線、端子的材料和溫度有關,接觸電勢的隨機性將影響電阻的測量結果。在電阻測量回路中采用換向開關能有效削弱接觸電勢的影響,減小測量不確定度。

          6.數據處理應按新規程要求,注意修約間隔以確保計算的準確和合理的不確定度。

          



      六、允差檢定的要點總結



          允差檢定是新規程的要點,離不開電阻的測量和溫度偏差的計算。首先,電阻測量應在(0±0.2)℃和(100±2)℃的恒溫狀態下,采用四線制的方式測量電阻,測量回路中電流應換向以消除接觸電勢的影響;其次,溫度偏差的計算應熟悉各種換算公式和轉換因子以及Δα允許范圍的計算,數據處理中應注意修約間隔。以下為熱電阻允差檢定的要點總結,以流程圖的形式幫助理解和記憶,也有助于建立自動檢定系統的編程。其中,虛框中的Ri*和Ri為0℃檢定時的測量值,Rh*和Rh為100℃檢定時的測量值,其余為計算或換算公式和流程,具體如圖3所示。

          











      來源:      時間:2012/10/5 16:22:49
       
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