昌暉儀表作為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)主要生產(chǎn)工廠，通過試驗(yàn)得到標(biāo)準(zhǔn)鈾電阻溫度計(jì)在不同溫度下的自熱效應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)的“二電流法”測(cè)量方法，通過與零功率修正方法進(jìn)行比較，分析標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的自熱效應(yīng)引入的不確定度，給出自熱效應(yīng)評(píng)價(jià)方法以及零功率修正的意義。該研究成果對(duì)量值傳遞可靠性及對(duì)實(shí)驗(yàn)室建標(biāo)具有重要指導(dǎo)價(jià)值。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)工藝的提高，對(duì)溫度測(cè)量的要求越來越高。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)是一種重要的測(cè)溫元件，具有響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍大等優(yōu)點(diǎn)。鉑電阻溫度計(jì)在測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，該熱量大部分被電阻體吸收而使其自身溫度高于被測(cè)溫度，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差，這種現(xiàn)象稱為熱電阻的自熱效應(yīng)。自熱效應(yīng)造成的誤差則由自熱效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的散熱系數(shù)決定。在高精密測(cè)溫中，主要考慮電阻型溫度計(jì)的自熱效應(yīng)。由自熱效應(yīng)引起的溫度差一般比較小，可以用牛頓散熱定律表示為P=k×(t-tω)，公式中，P為鉑電阻的焦耳熱功率；t為鉑電阻自身實(shí)際溫度；tω為傳感器外部環(huán)境溫度；k是散熱系數(shù)，其單位為mW/℃。
因封裝在石英管內(nèi)的鉑電阻自身溫度不易直接測(cè)量，所以采用間接測(cè)量法，一般使用二電流法。保持外界環(huán)境溫度tω不變，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)通以不同電流，在改變電流并經(jīng)過一段時(shí)間待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量其阻值Rt，當(dāng)電流增加時(shí)，焦耳熱功率
P=I2×Rt，也隨之增加，從而傳感器的自身溫度t有微小上升，導(dǎo)致其穩(wěn)態(tài)阻值Rt也將有微小增加。
從國(guó)家規(guī)程中可以得知，鉑電阻溫度電阻值相當(dāng)接近于溫度的平方函數(shù)：Wt=1+At+Bt2， 在t=tω附近展開，保留到一階項(xiàng)，得Rt=R0(1+Atω+Btω2)+R0(A+Btω)(t-tω)， 由式P=k×(t-tω)得t-tω=P/k，代入公式Rt=R0(1+Atω+Btω2)+R0(A+Btω)(t-tω)，得
可見，與Rt與I2Rt成線性關(guān)系。設(shè)直線斜率為m，則
實(shí)驗(yàn)時(shí)，電測(cè)儀表采用精度在6ｘ10-6以上的1590電橋或者1595A型電橋，該電橋具有低電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)、電流換向等功能。待測(cè)的鉑電阻溫度計(jì)采用四線制接線法，從而可以精確測(cè)量電阻，反應(yīng)電阻值的微小變化。
1、測(cè)量基本方法
鉬電阻測(cè)量屬于微信號(hào)采集，本節(jié)從鉑電阻測(cè)量的一些關(guān)鍵技術(shù)，如四線制接線法、低電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)及電流換向等方面，對(duì)高精度溫度采集進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
①四線制接法
針對(duì)高精度測(cè)溫系統(tǒng)，應(yīng)該考慮從電測(cè)部分接點(diǎn)到傳感器接線端子間引線的電阻值。為了消除引線電阻帶來的誤差，可采用如圖1所示的四線制接線法，其中I+、I-端是為了給熱電阻提供恒定的電流，U+、U-是用來監(jiān)測(cè)熱電阻的電壓變化，電流回路和電壓測(cè)量回路獨(dú)立分開，電壓測(cè)量端測(cè)得電壓可以和電流供給端的引線電阻可以抵消，可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，提高了溫度檢測(cè)的精度。需要注意的是，電流值不宜選取過大，過大造成較大的自熱效應(yīng)；也不宜過小，否則會(huì)造成測(cè)溫信號(hào)不穩(wěn)定，因此一般選用1mA或者0.1mA測(cè)試電流。圖2為電測(cè)儀表電流換向內(nèi)部測(cè)量原理圖。
圖1 四線制測(cè)溫電阻接線法
圖2 電測(cè)儀表電流換向內(nèi)部測(cè)量原理圖
②轉(zhuǎn)換開關(guān)及電流換向
任何轉(zhuǎn)換開關(guān)都有接觸電勢(shì)的存在，接觸電勢(shì)對(duì)測(cè)量精度的影響視其性能好壞而定，一般工業(yè)級(jí)熱電阻測(cè)溫應(yīng)采用不超過1μV接觸電勢(shì)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)鉆電阻測(cè)溫的四端轉(zhuǎn)換開關(guān)雜散熱電勢(shì)不超過0.4μV。當(dāng)熱電勢(shì)值大小為1μV時(shí)，以0℃時(shí)的微分電勢(shì)0.39Ω/℃計(jì)算，帶來的影響為2.56mK；若熱電勢(shì)較大的轉(zhuǎn)換開關(guān)，則由熱電勢(shì)除以相應(yīng)溫度點(diǎn)的微分電勢(shì)得到其影響量。為了減小熱電勢(shì)帶來的影響，除選用低熱電勢(shì)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，還可以考慮采用電流換向的方式供給電源。其測(cè)量原理如圖3所示，采用電流換向法，平均值后所得的結(jié)果就消除了熱電勢(shì)的影響，但條件是兩次測(cè)量時(shí)t保持不變。假設(shè)E1為微小量熱電勢(shì)，E2為提供電流的電源，令I(lǐng)正為如圖所示電勢(shì)方向。
圖3 電流換向?qū)犭妱?shì)影響
由式上面三個(gè)公式可以看出，微小電勢(shì)E1被電流換向電路補(bǔ)償，通過多次測(cè)量及平均值計(jì)算，可以消除熱電勢(shì)的影響。
2、自熱效應(yīng)修正方法
自熱效應(yīng)的測(cè)量一般是在水三相點(diǎn)、錫或者鋅凝固點(diǎn)等溫度點(diǎn)溫度穩(wěn)定的情況下，測(cè)量電流加載在鉑電阻兩端形成溫升，進(jìn)而引起阻值變化的一種現(xiàn)象。這里，采用“二電流法”的方法消除熱電勢(shì)的影響。
鉑電阻在I0和及
I0兩種測(cè)量電流下的功率及其存在1/2等式關(guān)系為
;
;
因此，通過這個(gè)公式可以推算出零電流情況下的電阻值。
R0=2R1-R2
從表1中可以看到，兩只標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻編號(hào)分別為1#和2#的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻自熱效應(yīng)造成的誤差分別為2.2mK和2.0mK，均滿足規(guī)程不大于4mK要求。自熱效應(yīng)是電阻型溫度計(jì)特有的一種副效應(yīng)。在溫度測(cè)量中，為了獲得較高的準(zhǔn)確度，一般可以適當(dāng)增加工作電流；但注意電流不得過大，否則造成鉑電阻測(cè)溫不穩(wěn)以及不可接受的誤差。
3、零功率修正及測(cè)里結(jié)果分析
首先測(cè)量鋅點(diǎn)電阻值，修正至零功率值RZn自然冷卻后測(cè)量水三相點(diǎn)電阻值，修正至零功率值Rtp，根據(jù)WZn1=RZn/Rtp，求得WZn，然后測(cè)量錫點(diǎn)電阻值，修正至零功率值Rsn，自然冷卻后測(cè)量水三相點(diǎn)電阻值，修正至零功率值Rtp，根據(jù)Wsn1=Rsn/Rtp求得Wsn1。在不是同一天復(fù)現(xiàn)的溫坪上重復(fù)以上步驟，測(cè)得Rzn1，Rtp，Rsn，Rtp則由4次測(cè)量值取平均得到。根據(jù)能力驗(yàn)證作業(yè)指導(dǎo)書要求，將上述參數(shù)修正至零功率的計(jì)算結(jié)果如表2所示。
通過對(duì)比表1和表2，即自熱效應(yīng)引入的不確定誤差與零功率修正后的結(jié)果進(jìn)行比較，可得△Wzn|max=3.4mK及△Wsn|max=1.3mK。對(duì)于高精度溫度測(cè)量，如果測(cè)量電流較大，這時(shí)需要將自熱效應(yīng)產(chǎn)生的不確定度誤差納入考慮范圍。
通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在不同溫度點(diǎn)的自熱效應(yīng)研究，根據(jù)二電流法試驗(yàn)方法進(jìn)行零功率修正，可以發(fā)現(xiàn)自熱效應(yīng)引入到不同標(biāo)準(zhǔn)裝置不同溫度點(diǎn)引入的不確定度誤差大小。該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)量值傳遞及建標(biāo)復(fù)查等工作具有重要指導(dǎo)意義，該方法也可對(duì)自熱效應(yīng)引入的不可預(yù)知的不確定誤差進(jìn)行修正，由此得到更真實(shí)的測(cè)量溫度。
作者：方院生、王琦、丁誠(chéng)、王文龍、唐曦凌、馬勇
