短型廉金屬熱電偶測量不確定度評定

摘要:短型廉金屬熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其主要應用在設備控溫和溫度場(chǎng)的測量，熱電偶在使用一段時(shí)間后，電極污染和老化造成自身分度值表漂移，其示值誤差往往在使用過(guò)程中超過(guò)其相應的最大允許誤差，所以要定期對短型偶進(jìn)行校準。通過(guò)對短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度分析和評定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準方法中影響較大的因素，通過(guò)改進(jìn)測量設備和校準方法提高減小測量不確定度。評定所得的擴展不確定度可以作為日常使用的依據。
       短型廉金屬熱電偶是一類(lèi)電極長(cháng)度約為300～500mm的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長(cháng)度約為300～500mm的廉金屬鎧裝熱電偶的統稱(chēng)，工作用廉金屬熱電偶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)短型偶)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其主要應用在設備的控溫和溫度場(chǎng)的測量。短型偶的構成主要是兩種不同材質(zhì)的合金材料，一般使用在高溫、氧化、還原、化學(xué)污染等環(huán)境［1］，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，電極的污染和老化造成自身分度值表的漂移，所以要定期對短型偶進(jìn)行校準。
       通過(guò)對短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度分析和評定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準方法中影響較大的因素，通過(guò)改進(jìn)測量設備和校準方法提高減小測量不確定度。評定所得的擴展不確定度可以作為日常使用的依據。
1測量條件
1.1適用范圍
       測量范圍為－40～1000℃［2］，電極長(cháng)度約為300～500mm［3］的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長(cháng)度約為300～500mm［4］的廉金屬鎧裝熱電偶的示值偏差的校準。
1.2環(huán)境條件
       電測設備及其他配套設備工作的環(huán)境溫度和相對濕度應符合相應規定的要求;恒溫設備工作的環(huán)境應無(wú)影響校準的氣流擾動(dòng)和外電磁場(chǎng)的干擾。故環(huán)境溫度一般為(23±5)℃，環(huán)境濕度一不大于75%ＲH。
1.3測量標準和配套設備
       測量所使用的測量標準和配套設備如表1所示［5］。

2測量方法
2.1評定方法
       采用雙極比較法，在管式爐中放置金屬均溫塊(杯狀)，如圖1所示。測量標準使用二等標準鉑銠10－鉑熱電偶，被校熱電偶為一支長(cháng)度為300mm的2級N型可拆卸式短型偶。將兩者插入均溫塊中，通過(guò)比較測量標準和被校熱電偶的熱電動(dòng)勢值，測得該支短型偶在某個(gè)校準溫度點(diǎn)上的示值偏差［6］。不確定度分析評定過(guò)程以1000℃為例。

2.2測量模型
       校準短型熱電偶在某溫度點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢值采用式(1)計算:
Δe被(t)=`e被(t)+［e標證(t)－`e標(t)］·S被(t)/S標(t)+e補－e分(1)
       式中:Δ`e被(t)為被校熱電偶示值偏差的熱電動(dòng)勢值，mV;e被(t)為被校熱電偶在某校準溫度點(diǎn)附近測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值，mV;e標證(t)為標準熱電偶證書(shū)上某校準溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢值，mV;`e標(t)為 標準熱電偶在某校準溫度點(diǎn)附近測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值，mV;S標(t)為標準熱電偶在某校準溫度點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢，mV/℃;S被(t)為被校熱電偶在某校準溫度點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢，mV/℃;e補補償導線(xiàn)修正值，mV;e分為被校熱電偶分度表上查得的某校準溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢值，mV。
2.3合成方差和靈敏系數

3標準不確定度分量的評定
        輸入量`e被(t)引入的標準不確定度u(`e被)，其來(lái)源有:被測熱電偶的重復性測量引入，電測設備測量誤差引入，爐內均熱塊徑向溫場(chǎng)不均勻性引入，爐溫波動(dòng)性引入，轉換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢引入，參考端溫度不等于0℃引入，熱電偶測量端熱量損失引入。
輸入量e標證(t)引入的標準不確定度u(e標證)，其來(lái)源有:標準熱電偶分度計算e標證引入。
輸入量`e標(t)引入的標準不確定度u(`e標)，其來(lái)源有:標準熱電偶年不穩定性引入。
輸入量e補引入的標準不確定度u(e補)，其來(lái)源有:補償導線(xiàn)示值偏差引入［7］。
3.1標準不確定度u(`e被)的評定
3.1.1被校熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u(`e被1)
       用一支二等標準熱電偶對被校熱電偶在1000℃進(jìn)行測量，測得5組，每組10個(gè)重復性測量數據，計算每組試驗標準偏差Si，用A類(lèi)方法進(jìn)行評定［8］，合并樣本標準偏差Sp為

3.1.2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u(`e被2)
       B類(lèi)方法評定，電測設備為6位半數字多用表，其測量值的誤差按一年內的最大允許誤差±(50×10<sup>－6</sup>×測量值+35×10<sup>－6</sup>×量程)計算，對應校準點(diǎn)讀數取36.256mV［9］，量程為0～100mV，讀數誤差為±5.313μV。
按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為5.31μV，則標準不確定度分量:
u(`e被2)=3.07μV
3.1.3檢定爐內均溫塊徑向溫場(chǎng)不均勻引入的標準不確定度分量u(`e被3)
        B類(lèi)方法評定，校準時(shí)檢定爐配置杯狀均溫塊使用。根據實(shí)驗可知，均溫塊同一截面任意兩點(diǎn)的溫差絕對值不大于0.5℃，換算成熱電勢值為19.30μV［10］。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為9.65μV，則標準不確定度分量
u(`e被3)=5.57μV
3.1.4爐溫波動(dòng)性引入的標準不確定度分量u(`e被4)
        B類(lèi)方法評定，由經(jīng)驗可知，讀數時(shí)標準熱電偶測得溫場(chǎng)實(shí)際變化不超過(guò)±3.0μV，以微分電勢11.54μV/℃計算(相當于±0.26℃)，再以微分電勢38.61μV/℃計算，給被測熱電偶帶來(lái)的誤差為±10.04μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為10.04μV，則標準不確定度分量:
u(`e被4)=5.80μV
3.1.5轉換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢引入的標準不確定度分量u(`e被5)
       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:
u(`e被5)=0.29μV
3.1.6參考端溫差引入的標準不確定度分量u(`e被6)
       B類(lèi)方法評定，根據零度恒溫器的證書(shū)可知，溫度精度(0±0.1)℃，造成熱電偶參考端和銅導線(xiàn)的接點(diǎn)溫差為±0.1℃，換算成熱電勢值為±2.62μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為2.62μV，則標準不確定度分量:
u(`e被6)=1.51μV
3.1.7補償導線(xiàn)示值偏差引入的標準不確定度分量u(`e被7)
        B類(lèi)方法評定，根據實(shí)驗校準溫度點(diǎn)為1000℃時(shí)，根據實(shí)驗數據所得，測量端熱量損失對熱電偶示值的影響為1.08℃，換算成熱電勢值為41.70μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為20.85μV，則標準不確定度分量:
u(`e被7)=12.04μV
3.1.8合成標準不確定度u(`e)
u(`e被)=［u(`e被1)<sup>2</sup>+u(`e被2)²+u²(`e被3)+u<sup>2</sup>(`e被4)+u²(`e被5)+u<sup>2</sup>(`e被6)+u²(`e被7)］<sup>1/2</sup>u(`e被)=14.97μV
3.2標準不確定度u(e標證)的評定
        B類(lèi)方法評定，根據證書(shū)值計算，二等標準鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃校準溫度點(diǎn)的標準不確定度為:
u(e標證)=4.52μV
3.3標準不確定度u(`e標)的評定
       B類(lèi)方法評定，根據JJG75—1995，使用中的二等標準鉑銠10-鉑熱電偶的年穩定性不大于±10μV。按照正態(tài)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:
u(`e標)=3.33μV
3.4標準不確定度u(e補)的評定
B類(lèi)方法評定，補償導線(xiàn)的示值偏差校準結果的擴展不確定度為U=0.25℃，k=2，則標準不確定度分量:
u(e補)=0.125℃(相當于3.47μV)。
4評定結果
4.1合成標準不確定度
       各輸入量之間相互獨立，則合成標準不確定度為:

4.2擴展不確定度
U=k·uc
U(1000℃)=48.52μV，k=2(相當于1.26℃)。
4.3擴展不確定度的表示
       根據以上不確定度分析評定過(guò)程，評定出2級N型短型偶其他各校準溫度點(diǎn)的擴展不確定度。采用CMC范圍表示［11］，如表2所示。

5結論
       由評定結果可知，短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度各個(gè)分量中較大的有三個(gè)，分別為:標準熱電偶分度引入;標準熱電偶年穩定性引入;熱電偶測量端熱量損失引入。其中由于計量檢定系統表的規定，“標準熱電偶分度引入”這一因素無(wú)法避免，只能按照技術(shù)法規的要求選擇相應的標準器。“標準熱電偶年穩定性引入”這一因素，可以通過(guò)縮短送檢周期和定期對標準熱電偶進(jìn)行期間核查以減小這一分量。各個(gè)分量中，以“熱電偶測量端熱量損失引入”這一因素引入的不確定度分量最大。這一分量也是短型偶校準的難題，要減小這一分量的引入，需要在硬件設備上進(jìn)行研究?？稍诒ＷC恒溫性能的基礎之上將短型檢定爐的尺寸減小，或在短型偶的爐外部分做絕熱或恒溫處理，以盡可能的減小熱損失的影響。