熱電偶檢定誤差及不確定度的分析

摘要:熱電偶是根據熱電效應制成的溫度測量元件，是一種廣泛應用在各個(gè)領(lǐng)域的溫度傳感器，它由兩種不同材料的熱電極構成，并將其兩端的溫度差，以電勢值的形式輸入給二次儀表———溫度顯示儀表，以完成溫度測量的全過(guò)程。因此，熱電偶就是測量?jì)x表的基礎元件，其示值的正確性，可靠性與否，將影響著(zhù)整個(gè)控溫的精度。因而熱電偶在檢定過(guò)程中，其標準裝置，檢定方法等，是否滿(mǎn)足檢定規程要求，將從根本上影響著(zhù)檢定結果的正確性和可靠性。
1概述
　　根據JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規程》要求，檢定方法有雙極比較法和同名極比較法，根據單位的情況采用雙極比較法。其檢定原理圖應按照圖1所示進(jìn)行。規程要求檢定時(shí)檢定標準與所有被檢熱電偶的參考端應全部直接插入1個(gè)0℃的冰點(diǎn)槽里，這樣經(jīng)過(guò)轉換開(kāi)關(guān)，由低電勢直流電位差計或其他等精度電測儀器測得的熱電勢值為E(t0)，即檢定爐的爐溫t，相對于0℃的熱電勢值，經(jīng)過(guò)標準熱電偶誤差修正后，就可以從熱電偶分度表中直接查得熱電偶所測實(shí)際溫度，或計算出被檢熱電偶的誤差值。2熱電偶的檢定方法及所用標準裝置通常熱電偶的檢定方法有雙極比較法、同名極比較法，一般使用的是同名極比較法，其檢定原理如圖1所示。
 
　　熱電偶在檢定前先清洗、退火、然后捆扎入爐。檢定在鋅(419．527℃)、鋁(660．323℃)、銅(1084．62℃)3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行，開(kāi)始測量時(shí)，其測量順序為由低溫到高溫逐點(diǎn)檢定，檢定爐爐溫偏離檢定點(diǎn)溫度不得超過(guò)±5℃，當爐溫升到設定檢定點(diǎn)后觀(guān)測到爐溫變化小于0．1℃/min(S型、Ｒ型熱電偶)時(shí)，開(kāi)始測量，其測量順序為:
 
　　測量時(shí)每只熱電偶的熱電動(dòng)勢測量次數不少于4次，整個(gè)測量過(guò)程爐內溫度變化低于0．5℃。測量讀數保留到小數點(diǎn)后4位(0．1μv)。由于檢定點(diǎn)是在鋅、鋁、銅3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行的，合格的熱電偶在鑒定證書(shū)中還須給出300℃～1300℃各整百度上的熱電勢值。計算式為:
 
　　式中:et溫度t時(shí)的熱電動(dòng)勢值，e1、e2、e3被檢定的熱電偶在3個(gè)固定點(diǎn)t1、t2、t3時(shí)的熱電動(dòng)勢值，φ1(t)，φ2(t)，φ3(t)，分別為t1，t2，t3溫度下的影響函數
 
3誤差來(lái)源、產(chǎn)生原因及計算分析
　　誤差來(lái)源主要以人、機、料、法、環(huán)5個(gè)方面分析。
1)一等標準鉑銠10－鉑熱電阻的不確定度評定為0．6℃，正態(tài)分布，取k=2．58。則:
 
2)一等標準熱電偶的年穩定性引入的標準不確定度u2。由檢定規程JJG75－1995得知，其在銅點(diǎn)的年穩定性不超過(guò)5μv，假設按均勻分布，K=3。其結果相當于0．24℃。
 
3) 測量重復性引入的標準不確定度u3。對分度號為S、編號為47－1S－11的熱電偶在短時(shí)間內測量8次，在銅點(diǎn)測量數據如下:
10． 5679，10．5676，10．5675，10．5668，10．5665，10．5663，10．5666，10．6569
實(shí)驗標準偏差Sn=0．049℃，則標準不確定度:
 
4)電測儀表讀數不正確引入的標準不確定度分量u4。2010型7位半數字多用表由使用說(shuō)明書(shū)得知在測量銅點(diǎn)熱電勢為10．575mv時(shí)的極限誤差為±(0．0037%讀數+0.0009%量程)，得允差e4=±1．29μv(S熱電偶在銅點(diǎn)時(shí))，相當于0．11℃，假設按均勻分布，k槡=3。其結果相當于0．06℃。
 
5)轉換開(kāi)關(guān)寄生電勢引入的不確定度分量u5。檢定規程規定，轉換開(kāi)關(guān)各路寄生電勢小于0．4μv，相當于0．03℃。假設按均勻分布k=。其結果相當于0．02℃。
 
6)檢定爐溫場(chǎng)不均勻性引入的不確定分量u6。檢定規程規定，管式檢定爐溫均勻溫場(chǎng)內溫度變化梯度0．4℃/10mm，半寬度e6=0．2℃。按均勻分布k=。
 
4被檢熱電偶總不確定度計算1)總不確定度由以上8項不確定度合成，上述8項不確定度彼此獨立，因此合成標準不確定度uc:
 
2) 拓展不確定度U=KUC=0．78℃(k取2)
　　被檢熱電偶在使用溫度上限允許基本誤差=1600℃×0.25%=4．0℃
5結語(yǔ)
　　鉑銠10———鉑熱電偶檢定裝置的總不確定度為0．78℃，小于被檢熱電偶的允許基本誤差4．0℃，達到了計量標準設備不確定度為被校準檢測設備不確定度的1/3～1/10點(diǎn)要求，滿(mǎn)足熱電偶檢定要求。從以上分析中可知，由于在熱電偶檢定中采取了許多消除或避免誤差產(chǎn)生的措施，使得被檢熱電偶的總不確定度為最低限度。因此，在檢定工作中，要嚴格遵守檢定規程，不斷學(xué)習，要從人員、裝置、方法、環(huán)境及被檢熱電偶特性等多方面做些更細致的工作，使測量不確定度減小到最低限度，以保證熱電偶的傳遞精度。為企業(yè)更好更快持續發(fā)展作出貢獻。