短型熱電偶校準方法及測量不確定度分析

[摘要]從分析短型熱電偶校準技術(shù)難點(diǎn)人手,梳理了近幾年來(lái)行業(yè)內短型熱電偶校準技術(shù)發(fā)展應用情況,研制的一套短型熱電偶校準裝置,開(kāi)展了短型熱電偶校準實(shí)驗和測量結果不確定度分析,供有短型熱電偶校準需求的單位參考。
引言
　　熱電偶是兩種不同材料的導體基于塞貝克效應制成的溫度計,是溫度測量領(lǐng)域中,應用最廣泛的感溫元件之一。
　　為了更好地開(kāi)展好工廠(chǎng)短型熱電偶校準工作,從分析短型熱電偶校準技術(shù)難點(diǎn)人手,梳理了近幾年來(lái)短型熱電偶校準技術(shù)的發(fā)展應用情況,依托工廠(chǎng)計量站與國防科技工業(yè)電學(xué)--級計量站共同研制的一套短型熱電偶校準裝置,開(kāi)展了短型熱電偶校準實(shí)驗和測量結果不確定度分析,供其他有共同需求的單位參考。
1短型熱電偶校準存在的技術(shù)難點(diǎn)
　　根據熱電偶測溫理論,熱電偶回路處于端溫分別為和t0的溫場(chǎng)中,其回路電動(dòng)勢EAB(t,t0)=E0,+△E,等式右邊第一項為均質(zhì)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢,第二項為熱電偶的不均質(zhì)性引起的誤差(寄生熱電勢),很顯然不均質(zhì)性和溫度梯度共同作用才會(huì )產(chǎn)生寄生電動(dòng)勢,因此,熱電偶在校準時(shí),應將熱電偶的感溫頭插人爐體最高溫度點(diǎn)處,并且要有足夠長(cháng)的溫坪。
　　選擇一個(gè)合適的標準熱源,是解決短型熱電偶校準的關(guān)鍵。
2短型熱電偶校準技術(shù)方法
2.1臥式檢定爐法
　　用臥式檢定爐校準短型熱電偶的原理和方法與長(cháng)型熱電偶的校準方法相似,可采用雙極比較法或同名極性分度法,校準原理圖見(jiàn)圖1。
 
　　由于爐體長(cháng)度較短,被校熱電偶的冷端受爐溫的影響很大,需加接補償導線(xiàn)才能提高校準結果可靠性,這種方法只能校準長(cháng)度在200mm~700mm范圍內的熱電偶,也是國內采用較多的校準方法。
2.2干體爐法
　　對于長(cháng)度小于200mm的短型熱電偶,國內還沒(méi)有定型的校準方法,也缺乏穩定可靠的國產(chǎn)校準裝置。中國計量科學(xué)研究院、中航工業(yè)304研究所等單位選用國外廠(chǎng)家生產(chǎn)的干體爐,采用雙極比較法開(kāi)展了短型熱電偶的校準研究,取得了令人滿(mǎn)意的校準結果。
3解決工廠(chǎng)短型熱電偶校準問(wèn)題的思路和方法
3.1問(wèn)題分析
　　工廠(chǎng)各型發(fā)動(dòng)機試車(chē)臺、部附件試驗臺上安裝使用的航空用熱電偶,長(cháng)度為(150~250)mm,屬于短型熱電偶。300℃以下時(shí),可放置在恒溫油槽中,用二等標準鉑電阻溫度計作比對校準。但校準時(shí)油槽介質(zhì)會(huì )對短型熱電偶產(chǎn)生污染,導致絕緣強度降低,熱電性能下降。300C以上時(shí),因短型熱電偶不能伸入到300mm檢定爐的溫場(chǎng)中心位置,不具備校準條件。
3.2解決思路和方法
　　依據問(wèn)題分析,參考JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》、JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑(鉑銠13-鉑)短型熱電偶檢定規程》技術(shù)要求,提出了采用干體爐法開(kāi)展短型熱電偶校準的思路。
(1) 短型熱電偶溫度校準及干體爐溫場(chǎng)保證
　　被測熱電偶較短,目前市面上的臥式檢定爐不.能滿(mǎn)足計量的需求,短型熱電偶只能在恒溫油槽進(jìn)行250℃以下溫度的校準。在短型熱電偶校準研制過(guò)程中,使用干體爐作為恒溫源,其恒溫溫場(chǎng)較短,處于干體爐底部位置,短型熱電偶的校準結果與被校準熱.電偶插入深度和位置有很大關(guān)系。
　　解決措施:溫度校準系統采用干體式計量爐、標準熱偶、標準鉑電阻配合使用,可解決短型熱電偶的校準問(wèn)題。
(2)自動(dòng)化校準系統的設計
　　短型熱電偶校準對人員要求較高,表現在準備工作時(shí)間較長(cháng),校準過(guò)程中等待溫度恒定時(shí)間長(cháng),判定是否滿(mǎn)足恒溫要求對經(jīng)驗要求較高,數據處理繁瑣復雜。
　　解決措施:編寫(xiě)自動(dòng)控制軟件,實(shí)現以下功能:允許在檢定時(shí)中途(意外)退出,檢定數據不丟失。能自.動(dòng)判斷被檢偶、阻開(kāi)路或損壞以及正負極。支持各種熱電偶同爐混檢。設有到溫延時(shí)檢定功能,延時(shí)時(shí)間可以自動(dòng)或手動(dòng)設置。時(shí)間可以任意增加或減少,這樣進(jìn)一步提高了熱電偶檢定數據的可靠性和準確性。
3.3試驗數據及效果分析
　　分別選取了1只長(cháng)度為160mmK分度1級鎧裝廉金屬熱電偶和1只長(cháng)度為200mms分度I級貴金屬熱電偶作為被測,在該系統中進(jìn)行了實(shí)驗。
　　當被測熱電偶插人深度大于計量干體爐(9173型)軸向均勻性、徑向均勻性技術(shù)指標保證深度(100mm)時(shí),測量結果受溫度梯度場(chǎng)、溫坪影響較小,校準情況較為滿(mǎn)意。
4測量結果不確定分析
4.1校準方法
　　采用雙極比較法,在干體爐中放置金屬均熱塊(柱.狀)。標準器使用-等標準鉑銠1鉑熱電偶,被校熱電偶為一支長(cháng)160mm,精度等級1級,K分度鎧裝短型熱電偶。兩者分別插入均熱塊相鄰孔位中,進(jìn)行比較測量,測量標準熱電偶和被校熱電偶的熱電動(dòng)勢值。
4.2測量模型
　　校準短型熱電偶在某溫度點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢值采用下式計算:
 
4.4標準不確定度分量的評定
　　以校準溫度點(diǎn)為400℃為例。
4.4.1被校熱電偶輸入量`e`被引入的標準不確定度分量
　　輸人量`e被的標準不確定度u(`e被),其來(lái)源有被校熱電偶的測量重復性引人,電測設備測量誤差引人,爐內均熱塊徑向溫場(chǎng)的不均勻性引人,爐溫的波動(dòng)性引人,轉換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢引人,參考端溫度不等于0℃引入,熱電偶測量端熱量損失引入。
4.4.2被校熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u1,A類(lèi)方法評定。
　　用一支一等標準熱電偶對被校熱電偶在400℃進(jìn)行測量,測得5組,每組10個(gè)重復性測量數據,用A類(lèi)方法進(jìn)行評定,合并樣本標準偏差Sp1為:
 
4.4.3電測設備測量被校熱電偶的測量誤差引入的標準不確定度分量u2,B類(lèi)方法評定。
　　電測設備為6^1/2位數字多用表,其測量值的誤差按一年內的精度±(50×10^-6×測量值+35×10^-6×量程）計算對應校準點(diǎn)度數16.5mV,量程為(0~100)mV,讀數誤差為±4325μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為2.16μV,則標準不確定度分量
u2=216/√3=1.25μV
4.4.4均溫塊徑向溫場(chǎng)不均勻引入的標準不確定度分量u3,,B類(lèi)方法評定。
　　校準時(shí),由于爐內放置的均溫塊徑向溫場(chǎng)不均勻性,最大差值為0.5℃,換算成熱電勢值為20μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為10μV,則標準不確定度分量
U3=10/√3=5.77μV
4.4.5爐溫波動(dòng)性引入的標準不確定度分量u4,B類(lèi)方法評定。
　　由經(jīng)驗可知,讀數時(shí),標準偶測得溫場(chǎng)實(shí)際變化不超過(guò)3.0μV,以微分熱電勢9.567μV/℃計算(相當于0.31℃),再以微分電勢42.24μV/℃計算,帶來(lái)的誤差為13.09uV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為6.55μV,則標準不確定度分量
U4=6.55√3=3.78μV
4.4.6轉換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢引入的標準不確定度分量u5,B類(lèi)方法評定。.
　　根據掃描開(kāi)關(guān)的說(shuō)明書(shū)可知,各路之間最大寄生電勢不大于0.5μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為0.5μV,則標準不確定度分量
U5=0.5N√3=0.29μV
4.4.7參考端溫度不等于0℃引入的標準不確定度分量u6,B類(lèi)方法評定。
　　經(jīng)過(guò)測量參考端不等于0℃,誤差為±0.1℃,換算成熱電勢值為±394μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為3.94μV,則標準不確定度分量
u6=3.94/√3=2.27μV
4.4.8熱電偶測量端熱量損失引入的標準不確定度分量u7,B類(lèi)方法評定。
　　根據經(jīng)驗測量端熱量損失對熱電偶示值的影響
　　不超過(guò)1.6℃,換算成熱電勢值為67.58μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為3379μV,則標準不確定度分量
U7=33.79/√3=19.51μV
由于各輸人量彼此之間相互獨立,則:
 
4.4.9標準熱電偶分度計算e_標證引入的標準不確定度分量u(e_標證),B類(lèi)方法評定。
　　根據證書(shū)值計算得出,標準熱電偶在400℃校準溫度點(diǎn)標準不確定度為
u(e標證)=3.63μV
4.4.10標準熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u(`e標),A類(lèi)方法評定。.
　　標準熱電偶測得5組,每組10個(gè)重復性測量數據,用A類(lèi)方法進(jìn)行評定,合并樣本標準偏差Sp2為:
 
　　實(shí)際測量以4次測量值的平均值作為測量結果,
故u(`e補)=sp2/√4=040μV
4.4.11補償導線(xiàn)示值誤差引入的標準不確定度分量u(`e補),B類(lèi)方法評定。
　　經(jīng)過(guò)測量,K型補償導線(xiàn)在50℃時(shí),誤差±0.5℃,換算成熱電勢值為20.62μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為20.62μV,則標準不確定度分量
u(e補)=20.62/√3=11.91μV
合成標準不確定度
　　各輸人量之間相互獨立,則合成標準不確定度為:
 
5結束語(yǔ)
　　通過(guò)上述實(shí)驗數據分析,采用干體爐法開(kāi)展短型熱電偶校準工作,選配的系統裝置技術(shù)指標滿(mǎn)足預期要求。通過(guò)對測量結果不確定度評定,可明確影響測量結果不確定度的主要因素包括三個(gè)方面:溫場(chǎng)穩定性及波動(dòng)性,冷端補償情況和測量重復性。