短型熱電偶校準(zhǔn)方法及測量不確定度分析

[摘要]從分析短型熱電偶校準(zhǔn)技術(shù)難點(diǎn)人手,梳理了近幾年來行業(yè)內(nèi)短型熱電偶校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況,研制的一套短型熱電偶校準(zhǔn)裝置,開展了短型熱電偶校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和測量結(jié)果不確定度分析,供有短型熱電偶校準(zhǔn)需求的單位參考。
引言
　　熱電偶是兩種不同材料的導(dǎo)體基于塞貝克效應(yīng)制成的溫度計(jì),是溫度測量領(lǐng)域中,應(yīng)用最廣泛的感溫元件之一。
　　為了更好地開展好工廠短型熱電偶校準(zhǔn)工作,從分析短型熱電偶校準(zhǔn)技術(shù)難點(diǎn)人手,梳理了近幾年來短型熱電偶校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況,依托工廠計(jì)量站與國防科技工業(yè)電學(xué)--級計(jì)量站共同研制的一套短型熱電偶校準(zhǔn)裝置,開展了短型熱電偶校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和測量結(jié)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(zhǔn)存在的技術(shù)難點(diǎn)
　　根據(jù)熱電偶測溫理論,熱電偶回路處于端溫分別為和t0的溫場中,其回路電動勢EAB(t,t0)=E0,+△E,等式右邊第一項(xiàng)為均質(zhì)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢,第二項(xiàng)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產(chǎn)生寄生電動勢,因此,熱電偶在校準(zhǔn)時,應(yīng)將熱電偶的感溫頭插人爐體最高溫度點(diǎn)處,并且要有足夠長的溫坪。
　　選擇一個合適的標(biāo)準(zhǔn)熱源,是解決短型熱電偶校準(zhǔn)的關(guān)鍵。
2短型熱電偶校準(zhǔn)技術(shù)方法
2.1臥式檢定爐法
　　用臥式檢定爐校準(zhǔn)短型熱電偶的原理和方法與長型熱電偶的校準(zhǔn)方法相似,可采用雙極比較法或同名極性分度法,校準(zhǔn)原理圖見圖1。
 
　　由于爐體長度較短,被校熱電偶的冷端受爐溫的影響很大,需加接補(bǔ)償導(dǎo)線才能提高校準(zhǔn)結(jié)果可靠性,這種方法只能校準(zhǔn)長度在200mm~700mm范圍內(nèi)的熱電偶,也是國內(nèi)采用較多的校準(zhǔn)方法。
2.2干體爐法
　　對于長度小于200mm的短型熱電偶,國內(nèi)還沒有定型的校準(zhǔn)方法,也缺乏穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)校準(zhǔn)裝置。中國計(jì)量科學(xué)研究院、中航工業(yè)304研究所等單位選用國外廠家生產(chǎn)的干體爐,采用雙極比較法開展了短型熱電偶的校準(zhǔn)研究,取得了令人滿意的校準(zhǔn)結(jié)果。
3解決工廠短型熱電偶校準(zhǔn)問題的思路和方法
3.1問題分析
　　工廠各型發(fā)動機(jī)試車臺、部附件試驗(yàn)臺上安裝使用的航空用熱電偶,長度為(150~250)mm,屬于短型熱電偶。300℃以下時,可放置在恒溫油槽中,用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作比對校準(zhǔn)。但校準(zhǔn)時油槽介質(zhì)會對短型熱電偶產(chǎn)生污染,導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低,熱電性能下降。300C以上時,因短型熱電偶不能伸入到300mm檢定爐的溫場中心位置,不具備校準(zhǔn)條件。
3.2解決思路和方法
　　依據(jù)問題分析,參考JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》、JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑(鉑銠13-鉑)短型熱電偶檢定規(guī)程》技術(shù)要求,提出了采用干體爐法開展短型熱電偶校準(zhǔn)的思路。
(1) 短型熱電偶溫度校準(zhǔn)及干體爐溫場保證
　　被測熱電偶較短,目前市面上的臥式檢定爐不.能滿足計(jì)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(zhǔn)。在短型熱電偶校準(zhǔn)研制過程中,使用干體爐作為恒溫源,其恒溫溫場較短,處于干體爐底部位置,短型熱電偶的校準(zhǔn)結(jié)果與被校準(zhǔn)熱.電偶插入深度和位置有很大關(guān)系。
　　解決措施:溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)采用干體式計(jì)量爐、標(biāo)準(zhǔn)熱偶、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻配合使用,可解決短型熱電偶的校準(zhǔn)問題。
(2)自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　短型熱電偶校準(zhǔn)對人員要求較高,表現(xiàn)在準(zhǔn)備工作時間較長,校準(zhǔn)過程中等待溫度恒定時間長,判定是否滿足恒溫要求對經(jīng)驗(yàn)要求較高,數(shù)據(jù)處理繁瑣復(fù)雜。
　　解決措施:編寫自動控制軟件,實(shí)現(xiàn)以下功能:允許在檢定時中途(意外)退出,檢定數(shù)據(jù)不丟失。能自.動判斷被檢偶、阻開路或損壞以及正負(fù)極。支持各種熱電偶同爐混檢。設(shè)有到溫延時檢定功能,延時時間可以自動或手動設(shè)置。時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(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。
3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果分析
　　分別選取了1只長度為160mmK分度1級鎧裝廉金屬熱電偶和1只長度為200mms分度I級貴金屬熱電偶作為被測,在該系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
　　當(dāng)被測熱電偶插人深度大于計(jì)量干體爐(9173型)軸向均勻性、徑向均勻性技術(shù)指標(biāo)保證深度(100mm)時,測量結(jié)果受溫度梯度場、溫坪影響較小,校準(zhǔn)情況較為滿意。
4測量結(jié)果不確定分析
4.1校準(zhǔn)方法
　　采用雙極比較法,在干體爐中放置金屬均熱塊(柱.狀)。標(biāo)準(zhǔn)器使用-等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠1鉑熱電偶,被校熱電偶為一支長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(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被校熱電偶的熱電動勢值。
4.2測量模型
　　校準(zhǔn)短型熱電偶在某溫度點(diǎn)上的熱電動勢值采用下式計(jì)算:
 
4.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定
　　以校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
　　輸人量`e被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e被),其來源有被校熱電偶的測量重復(fù)性引人,電測設(shè)備測量誤差引人,爐內(nèi)均熱塊徑向溫場的不均勻性引人,爐溫的波動性引人,轉(zhuǎn)換開關(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(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1,A類方法評定。
　　用一支一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶對被校熱電偶在400℃進(jìn)行測量,測得5組,每組10個重復(fù)性測量數(shù)據(jù),用A類方法進(jìn)行評定,合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp1為:
 
4.4.3電測設(shè)備測量被校熱電偶的測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2,B類方法評定。
　　電測設(shè)備為6^1/2位數(shù)字多用表,其測量值的誤差按一年內(nèi)的精度±(50×10^-6×測量值+35×10^-6×量程）計(jì)算對應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)度數(shù)16.5mV,量程為(0~100)mV,讀數(shù)誤差為±4325μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為2.16μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
u2=216/√3=1.25μV
4.4.4均溫塊徑向溫場不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3,,B類方法評定。
　　校準(zhǔn)時,由于爐內(nèi)放置的均溫塊徑向溫場不均勻性,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(qū)間為10μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
U3=10/√3=5.77μV
4.4.5爐溫波動性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4,B類方法評定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可知,讀數(shù)時,標(biāo)準(zhǔn)偶測得溫場實(shí)際變化不超過3.0μV,以微分熱電勢9.567μV/℃計(jì)算(相當(dāng)于0.31℃),再以微分電勢42.24μV/℃計(jì)算,帶來的誤差為13.09uV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為6.55μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
U4=6.55√3=3.78μV
4.4.6轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5,B類方法評定。.
　　根據(jù)掃描開關(guān)的說明書可知,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(qū)間為0.5μV,則標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6,B類方法評定。
　　經(jīng)過測量參考端不等于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(qū)間為3.94μV,則標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7,B類方法評定。
　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測量端熱量損失對熱電偶示值的影響
　　不超過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(qū)間為3379μV,則標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立,則:
 
4.4.9標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度計(jì)算e_{標(biāo)證}引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(e_{標(biāo)證}),B類方法評定。
　　根據(jù)證書值計(jì)算得出,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在400℃校準(zhǔn)溫度點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
u(e標(biāo)證)=3.63μV
4.4.10標(biāo)準(zhǔn)熱電偶重復(fù)性測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e標(biāo)),A類方法評定。.
　　標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測得5組,每組10個重復(fù)性測量數(shù)據(jù),用A類方法進(jìn)行評定,合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp2為:
 
　　實(shí)際測量以4次測量值的平均值作為測量結(jié)果,
故u(`e補(bǔ))=sp2/√4=040μV
4.4.11補(bǔ)償導(dǎo)線示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e補(bǔ)),B類方法評定。
　　經(jīng)過測量,K型補(bǔ)償導(dǎo)線在50℃時,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(qū)間為20.62μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
u(e補(bǔ))=20.62/√3=11.91μV
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
　　各輸人量之間相互獨(dú)立,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
 
5結(jié)束語
　　通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,采用干體爐法開展短型熱電偶校準(zhǔn)工作,選配的系統(tǒng)裝置技術(shù)指標(biāo)滿足預(yù)期要求。通過對測量結(jié)果不確定度評定,可明確影響測量結(jié)果不確定度的主要因素包括三個方面:溫場穩(wěn)定性及波動性,冷端補(bǔ)償情況和測量重復(fù)性。