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对电导率仪温度系数示值误差的新认识
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2015-12-09

为了实现温度补偿,一般要求电导率仪具有温度补偿功能和温度传感器或手动温度输入功能。2008年开始实施的JJG376-2007《电导率仪检定规程》加入了对温度系数示值误差、温度测量示值误差的检测。

一、产生温度系数示值误差的原因

在前期工作中,我们研究了温度补偿与电导池常数之间的关系,并揭示国内电导率仪温度补偿存在两种原理和方法,通过结合实验数据指出两种原理的分歧根源在于“温度每变化1℃,电导率变化2%”中是指谁的2%。在此基础之上,通过大量电导率计量检定实践,我们发现,引起电导率温度系数示值误差的原因主要有以下几种:

1.补偿原理错误

如前所述,2%应针对25℃时的电导值,若认为是指任意温度下的电导率值,则补偿方法错误,用JJG376-2007算出的温度系数示值误差将超差。

2.数值重复性差

有些仪器由于电导池常数值不稳,导致温度补偿前后电导率值都不稳,最后导致温度系数示值误差。

3.分辨力引起的误差

以(0~200)μS/cm为例,该范围仪器分辨力一般为0.1μS/cm。假设输入的标准信号为50μS/cm,则温度由25℃调节到35℃时,理论得到的补偿结果应为41.66μS/cm(其中6为无限循环小数)。但由于仪器分辨力的限制,根据四舍五入原则,仪器给出的结果为41.7μS/cm,这样根据JJG376-2007公式计算得到的温度系数示值误差为-0.01%。

在排除以上3种因素干扰的情况下,对于具有数字温度显示功能的电导率仪,例如上海精科的DDS308A或国外EUTECH生产的con5,很少发现有温度系数示值误差存在的情况。但是对于只具有温度刻度盘的仪器,如DDS-307,存在温度系数示值误差是很常见的事。这种现象让我们不得不对电导率仪温度系数示值误差的本质进行重新思考和进一步研究。

二、温度系数示值误差的本质

由于电导率温度补偿只是一个数学转换的过程,不涉及其他传感器。一方面在计算机技术高度发达的今天,只要输入的温度值是准确的,则数学计算得到的补偿结果也是准确的,并不会存在计算误差;另一方面,由于温度补偿系数是手动设置或出厂时已设置了的默认值,它并不是通过某个传感器测量出来的,即使与溶液实际的温度补偿系数有误差,也与本文讨论的温度系数示值误差是两个完全不同的概念。所以,温度补偿系数是不应该存在误差的。

那么JJG376-2007中所指的温度系数示值误差是由什么引起的呢?根据电导率仪计量实践,数字温度显示功能的电导率仪几乎不存在温度系数示值误差,而温度刻度盘的仪器经常存在温度系数示值误差,则该误差应该是由温度刻度盘的温度误差引起的。

由于温度刻度盘是利用电阻与所表示的温度的线性关系,通过调整旋钮到一均匀分布的刻度盘来调整得到不同的温度示值,所以刻度盘内刻度分布是否足够均匀,刻度值与所表示的温度值是否准确一一对应,都最终影响着电导率温度补偿结果。由于旋钮需经常拧动进行调整,很容易发生内部接触不良或错位,从而导致温度示值与所要表示的温度值的偏差(为了与温度传感器的温度测量示值误差区分开来,我们称之为刻度盘温度示值误差)。温度值的不准确,将直接导致温度补偿结果的偏差,根据规程公式,将产生温度系数示值误差。

三、温度系数示值误差与刻度盘温度示值误差的关系

根据前面分析,电导率仪温度补偿误差并不是由于仪器温度系数示值误差引起,而是由于刻度盘温度示值误差引起。

假设该刻度盘温度示值误差为δT,其引起的温度补偿误差,根据JJG376-2007公式,与由温度系数示值误差δα引起的补偿误差等效:

缺插图!

式中:kTk0——温度TT0时的电导率值;α——温度补偿系数,ΔT=T-T0;一般取α=2.00%/℃,T0=25℃。根据JJG376-2007,取ΔT=±10℃,则根据JJG376-2007中温度系数示值误差的指标和式(3),得到结果如表1所示。

缺插图!

<CTSM>表1温度系数示值误差与刻度盘温度示值误差的关系</CTSM>

四、刻度盘温度示值误差与传感器温度测量示值误差的区别

表1同时给出了JJG376-2007中温度测量示值误差的指标。从表1中可以看出,很多等级的温度测量示值误差指标与计算得到的刻度盘温度示值误差相同,即说明两者具有一定的关联性。两者关系如下:

1.两者表示的意义相同

JJG376-2007中温度测量示值误差是指温度传感器指示的温度与实际温度的偏差,而刻度盘温度示值误差是刻度盘温度示值与所要表示的温度值的偏差,即都可以表示为示值与实际值的差。

2.两者的表征方法不同

传感器温度测量示值误差的表征根据规程方法操作简便快捷,而刻度盘温度示值误差的表征却缺乏可行性。由于刻度盘温度调节器是电导率仪主机的一部分,无法单独取出进行直接表征,所以只能利用电导率温度补偿的结果,在排除前面描述3种情况下,间接评估刻度盘温度示值误差。

3.两者的指标特征不同

指标的差别不止在于表1中大小的差别,更在于变化趋势的差别。以0.5级电导率仪为例,JJG376-2007中规定传感器温度测量示值误差不超过±0.4℃,虽然JJG376-2007是在15℃、25℃和35℃等3个温度点进行测量,但该指标明显适用于整个测量范围内的任意温度。相比之下,刻度盘温度示值误差指标却随着温度示值的不同而发生变化。

因为式(3)也可以表示为

缺插图!

仍然以0.5级电导率为例,它要求δT/ΔT不大于0.04(也可表达为4%)。当ΔT=10℃时,δT不超过0.4℃;当ΔT=20℃时,δT不超过0.8℃。即ΔT越大,所允许的δT越大,而不变的是δT占ΔT的比例。

这与刻度盘温度调节器特征相符。刻度盘温度调节器可看做一个滑动变阻器,其电阻与长度(刻度位置)成正比,而电阻与温度成正比。温度与电阻之间的比例系数应该是某个特定值,但可能由于制作工艺的缺陷,该系数与标准值发生偏差。根据式(4),可计算出不同级别电导率仪对该系数发生偏差的指标,对仪器生产商在选择刻度盘温度调节器时具有重要的参考意义。

五、结论

本文在电导率检定实践基础上,在排除几类引入温度系数示值误差的特殊情况后,提出温度补偿属于数学换算过程,不涉及传感器,不会存在误差的情况。所以温度系数示值误差的本质是由于刻度盘温度调节器所指示的温度与实际温度的偏差所引起的电导率温度补偿误差。产生刻度盘温度示值误差的原因包括刻度盘刻度不均匀、接触不良或错位、温度/电阻系数(刻度间隔)存在偏差等,由于刻度盘温度示值误差不能直接表征,可以从温度补偿结果进行间接评估。虽然刻度盘温度示值误差与传感器温度测量示值误差意义相同,但是其指标特征不同。本文观点不同于温度系数示值误差的传统观点,对于进一步理解电导率温度补偿原理有参考意义。

作者单位【北京市计量检测科学研究院】


【关键词】电导率仪,温度补偿,温度系数示值误差,国家标准物质网,北京世纪奥科 

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