短型廉金屬熱電偶校準方法研究及不確定度評定

摘要:本文探討了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統的短型廉金屬熱電偶的校準方法.分析了校準項目,校準用設備,標準器選擇和數據處理的具體要求,并通過(guò)一個(gè)K型熱電偶的校準案例，描述了校準過(guò)程,給出了校準結果,最后進(jìn)行了校準的不確定度來(lái)源分析和評定。
0引言
　　工作用廉金屬熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中重要的溫度測量工具,其具有造價(jià)低,溫度范圍寬,測量精度高,測量穩定性好,量值易測、易傳輸監控等優(yōu)秀使用特性,得到廣泛應用。
　　為適應不同生產(chǎn)條件的溫度測量需求，在石油工業(yè)中短型廉金屬熱電偶(長(cháng)度小于750mm)也得到了廣泛使用,但各類(lèi)國家、地方及行業(yè)計量檢定規程并未對該短型熱電偶的檢定方法和要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)規定,為保證該類(lèi)熱電偶的溫度測量性能滿(mǎn)足量值溯源要求和實(shí)際生產(chǎn)需求,我們參考了國家JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》和JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑/鉑銠13-鉑短型熱電偶檢定規程》的相關(guān)要求,結合生產(chǎn)工藝對溫度測量的具體要求,根據國家計量法和計量校準規范編寫(xiě)規定要求研究了滿(mǎn)足我單位短型熱電偶校準要求的校準測試方法。
　　本文即描述了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統，分度號為K型的短型熱電偶的校準方法,并進(jìn)行了不確定度評定,供具有同類(lèi)需求的工作單位參考。
1短型廉金屬熱電偶
1.1熱電偶簡(jiǎn)介
　　熱電偶是溫度測量?jì)x表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動(dòng)勢信號,通過(guò)二次儀表轉換成被測介質(zhì)的溫度。
　　熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時(shí),回兩端之間就存在熱電動(dòng)勢,這就是所謂的塞貝克效應。
　　常見(jiàn)的工作用廉金屬熱電偶可以分為四類(lèi)，分別是:K型鎳鉻-鎳硅熱電偶、N型鎳鉻-鎳硅熱電偶、E型鎳鉻-銅鎳熱電偶J型鐵-銅鎳熱電偶,簡(jiǎn)稱(chēng)K、N、E、J型熱電偶。
1.2短型廉金屬熱電偶
　　根據國家計量檢定規程JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》的規定,總長(cháng)度大于350mm,小于750mm的廉金屬熱電偶可以接上補償導線(xiàn)至總長(cháng)度大于750mm后整體檢定,JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑/鉑銠13-鉑短型熱電偶檢定規程》規定規程適用于長(cháng)度在200mm~700mm的兩類(lèi)貴金屬熱電偶的檢定,最終確定本校準方法適用于長(cháng)度為200mm~350mm的廉金屬熱電偶的校準。
 
2校準方法
2.1校準設備和標準器
　　短型廉金屬熱電偶校準基于一般廉金屬熱電偶:二等標準鉑銠10-鉑熱電偶2支,熱電偶檢定系統1套,配冷端恒溫箱、短型熱電偶檢定爐，相應型號的冷端補償導線(xiàn)(長(cháng)度大于600mm),鋼卷尺和游標卡尺等。
　　與一般熱電偶檢定主要不同點(diǎn)為檢定爐的要求。由于短型廉金屬熱電偶長(cháng)度僅為200mm~350mm,不能使用一般熱電偶檢定規程的長(cháng)度為600mm臥式熱電偶檢定爐,參考短型貴金屬熱電偶檢定規程的要求為廉金屬熱電偶的校準配置長(cháng)度300mm，內徑40mm的短型臥式檢定爐，且保證其有效溫場(chǎng)區間達到300~1100%。
2.2校準項目和要求
2.2.1外觀(guān)檢查
　　短型熱電偶的外觀(guān)檢查參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》的要求,新制熱電偶的電極應平直、無(wú)裂痕、直徑應均勻,使用中的熱電偶不應有嚴重的腐蝕和明顯的縮徑等缺陷。
2.2.2溫度測量值
　　校準溫度點(diǎn)的選擇,根據被校準熱電偶的測溫量程參考JJG351-1996<《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》的檢定點(diǎn)要求進(jìn)行選擇,溫度偏差校準過(guò)程、接線(xiàn)和測量讀數方法均參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》的檢定要求進(jìn)行。
2.3數據處理
　　由于短型熱電偶的測量,校準設備,使用環(huán)境要求均較低,短型熱電偶的測量正確性與同分度號、同等級的一般熱電偶相比偏低,校準后給出校準數據、修正值、最大溫度偏差點(diǎn)的不確定度和校準數據有效期。
3校準案例
3.1校準過(guò)程
3.1.1被校準熱電偶檢查和參數
　　分度號:K型;熱電偶實(shí)際長(cháng)度:210mm;熱電偶直徑:1.0mm;溫度范圍:300C~1100℃;制造廠(chǎng)家:無(wú);編號:無(wú)。
　　熱電偶絲外觀(guān)檢查符合要求。
3.1.2校準用標準儀器的檢查和設備調試
　　本次校準基于CST4001全自動(dòng)溫度自動(dòng)檢定系統，該系統由計算機、控制柜、臥式檢定爐、冷端恒溫箱等部分組成,可實(shí)現熱電偶自動(dòng)檢定和數據采集功能。
配置了一臺長(cháng)度300mm,內徑40mm的短型臥式檢定爐，其有效溫場(chǎng)為300~1200℃。
　　為保證校準結果的可靠性,我們參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》中臥式檢定爐的溫場(chǎng)測試方法對該套校準設備進(jìn)行了溫場(chǎng)測試,測試結果顯示該檢定爐幾何中心-30mm~30mm軸向溫差最大值為0.40℃,-15mm~15mm徑向溫差最大值為0.22℃,其溫場(chǎng)均勻性符合廉金屬熱電偶檢定規程中對檢定設備的要求。標準鉑電阻采用北京康斯特生產(chǎn)的編號S12-1-08一等標準熱電偶。
3.1.3校準
　　將被校準熱電偶和標準熱電偶綁好后放置在檢定爐內,由于使用的檢定爐長(cháng)度僅為300mm,根據測試結果其有效溫場(chǎng)區間長(cháng)度為幾何中心附近土30mm之內,在放置熱電偶時(shí)要確保熱電偶測溫末端的放置位置正確。
補償導線(xiàn)的連接
　　由于被校準的熱電偶長(cháng)度僅為210mm,必須適用冷端補償導線(xiàn)進(jìn)行延長(cháng)，連接補償導線(xiàn)后與標準鉑電阻末端一同放置在專(zhuān)用冷端恒溫箱內，以確保冷端溫場(chǎng)穩定性。
　　選取400℃,600℃和800℃三個(gè)校準點(diǎn),為便于進(jìn)行不確定度評定,每個(gè)校準點(diǎn)重復測量6次，系統設置好后自動(dòng)控溫和數據采集。
3.2校準結果
　　數據采集經(jīng)整理如下:
　　環(huán)境溫度:29.6℃,相對濕度:54.9%RH。
 
3.3不確定度評定
3.3.1測量模型
　　根據熱電偶的測溫原理，熱電偶在300℃以上熱電動(dòng)勢誤差的測量模型為:
 
式中:`e標、`e被--標準、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下,測得的熱電動(dòng)勢算數平均值;
e標-標準熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢值;
e分-被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢值;
S標S數一標準、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的微分熱電動(dòng)勢。
600℃時(shí)溫度系數的傳遞函數為:
 
3.3.2不確定度評定
　　通過(guò)分析,本次校準的不確定度包括三類(lèi):測量設備帶來(lái)的不確定度，標準帶來(lái)的不確定度，測量重復性帶來(lái)的不確定度:
(1)檢定爐的溫場(chǎng)均勻性帶來(lái)的不確定度ub1根據檢定爐溫場(chǎng)測試證書(shū),軸向溫差最大值為0.40℃，徑向溫差最大值為0.22℃,取均勻分布,得:
 
(2)檢定溫場(chǎng)系統的溫場(chǎng)波動(dòng)性帶來(lái)的不確定度Ub2
　　根據檢定規程要求和實(shí)際設定值,其溫場(chǎng)最大波動(dòng)值為±0.25℃,取均勻分布,計算得:
 
(3)測量設備多路掃描裝置帶來(lái)的不確定度ub3
　　根據檢定證書(shū),多路掃描裝置的測量不確定度為0.08μV,計算得;
ub3=0.08μVXC2x10^-3=0.001℃
(4)測量設備數字多用表帶來(lái)測量不確定型ub4
根據檢定證書(shū),數字多用表在100mV檔位時(shí)的相對測量不確定度為urel=1.4×10-5,k=2,計算得:
 
(5)測量過(guò)程中使用的補償導線(xiàn)帶來(lái)的不確定度ub5
　　根據規程中規定的熱電偶用補償導線(xiàn)的技術(shù)要求，用于檢定的熱電偶補償導線(xiàn)在100℃以?xún)茸畲笤试S誤差為±0.2℃,取均勻分布,計算得:
Ub5=0.2/√3=0.115℃
(6)冷端鉑電阻的測量誤差帶來(lái)的不確定度ub6
　　測量中使用四線(xiàn)制A級工業(yè)鉑熱電阻Pt100進(jìn)行冷端恒溫箱的溫度測量,其在最大允許誤差為±(0.150℃+0.0021t1),則其在30℃時(shí)的測量允許誤差為±0.21℃,取均勻分布,計算得:
ub6=0.21/√3=0.121℃
(7)標準帶來(lái)的不確定度:標準熱電偶帶來(lái)的不確定度ub7
　　規程規定一等標準熱電偶的穩定性為±0.5μV,取均勻分布,計算得:
Ub7=0.5xc2/√3=0.007℃
(8)測量重復性帶來(lái)的不確定度ua
　　根據測量數據,測量次數為6次,采用貝塞爾公式法計算測量重復性帶來(lái)的不確定度,單次測量的標準偏差為:
 
　　實(shí)際測量時(shí),取6次測量的平均值作為測量結果,計算得測量結果的不確定度分量為:
 
　　最終計算的，本次校準的測量擴展不確定度為U=0.7℃,k=2。
4結束語(yǔ)
　　根據不確定度評定結果,該設備計量性能符合校準要求。
　　分析測量結果和不確定度評定過(guò)程,得出影響測量結果精度的主要因素為三個(gè)方面:溫場(chǎng)穩定性及波動(dòng)性冷端補償和測量重復性。
　　由于短型熱電偶檢定爐的溫場(chǎng)特性較差,在檢定時(shí)要特別注意以下幾點(diǎn):.
1.正確進(jìn)行冷端補償,補償導線(xiàn)應保證足夠的長(cháng)度,確保延長(cháng)后總長(cháng)度大于750mm,補償導線(xiàn)與熱電偶絲的連接應緊密。
2.正確捆綁和放置被檢、標準熱電偶，由于短型熱電偶檢定爐的均勻溫場(chǎng)區間較小,在捆綁時(shí)確保標準熱電偶和被檢熱電偶的末端對其,并盡量放置在爐膛幾何中心。
3.確保溫場(chǎng)穩定性,數據測量時(shí)必須將補償導線(xiàn)末端、標準熱電偶測量端和冷端測量鉑電阻放置在冷端恒溫箱內,確保由恒溫箱、檢定爐組成的溫場(chǎng)的溫度穩定性在進(jìn)行短型熱電偶校準及編制規范規范時(shí)可參考此方法。