Ⅲ級(jí)鉑銠30-鉑銠6熱電偶的測(cè)量不確定度

[摘要]鉑銠30-鉑銠6(B型)熱電偶在高溫測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。文章遵從JJFI059.1--2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》所推薦的評(píng)估方法，介紹了II級(jí)B型熱電偶檢定結(jié)果的不確定度評(píng)定過(guò)程，為實(shí)際測(cè)量的不確定度評(píng)定提供了很好的范例。
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶因抗沾污能力好，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下熱電特性更為穩(wěn)定，室溫下熱電動(dòng)勢(shì)小，在使用時(shí)一.般不必進(jìn)行參考段溫度，補(bǔ)正，在高溫測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。熱電偶檢定結(jié)果的不確定度評(píng)估，主要為確定標(biāo)準(zhǔn)器和電測(cè)設(shè)備選擇的合理性。檢定結(jié)果不確定度的評(píng)估方法和結(jié)果為日常檢定提供參考。
1檢定對(duì)象.
　　工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，檢定點(diǎn)及最大允許誤差如表1所示"
 
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶各檢定點(diǎn)的微分熱電勢(shì)[1]為:S1100C=9.77μV/C,S1300℃=10.87μV/℃，S1500℃=11.56μV/℃
2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備
2.1標(biāo)準(zhǔn)器.
　　標(biāo)準(zhǔn)器為一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶,主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示"
 
2.2電測(cè)設(shè)備
　　數(shù)字多用表:0~100mV量程內(nèi)相對(duì)誤差為
(37±9)x10^-6。
2.3測(cè)量方法
　　將一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶和工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶捆扎后放人高溫檢定爐，采用雙極比較法檢定1100℃、1300℃、1500℃三個(gè)溫度點(diǎn)，分別計(jì)算算術(shù)平均值，得出被檢熱電偶在各溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值。雙極比較法的連接線路圖如圖1所示。
 
2.4測(cè)量模型
　　根據(jù)JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規(guī)程，采用雙極比較法，檢定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的測(cè)量模型:
Et=E證+(E被-E標(biāo))
　　式中:Et為被檢熱電偶在檢定點(diǎn)上的熱電勢(shì)值,mV;E證為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書(shū)上給出的熱電動(dòng)勢(shì)值,mV;E被為被檢熱電偶測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值，mV;E標(biāo)為檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值，mV。
3標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
　　實(shí)際檢定結(jié)果的不確定度來(lái)源于測(cè)量模型中三個(gè)參量的不確定度，而E被和E標(biāo)的測(cè)量過(guò)程及計(jì)算方法相同，因而其不確定度來(lái)源與評(píng)定過(guò)程也相同，不確定度分量主要來(lái)源于測(cè)量重復(fù)性、電測(cè)設(shè)備、分度復(fù)現(xiàn)性、多路開(kāi)關(guān)、參考端、爐溫變化等。
3.1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶引入的不確定度u;
　　一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量結(jié)果的不確定度u11以及其年不穩(wěn)定性u(píng)12引起。標(biāo)準(zhǔn)偶檢定證書(shū)中各溫度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度U=2.3℃，k=2.58，則
U(1100℃)=22.47μV,k=2.58
U(1300℃)=25.00μV,k=2.58
U(1500℃)=26.59μV,k=2.58
取正態(tài)分布,p=99%,則
u11(1100℃)=8.71μV
U11(1300℃)=9.69μV
U11(1500℃)=10.31μV
　　根據(jù)JJG167--1995《標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶》檢定規(guī)程，使用中的一-等鉑銠30-鉑銠6熱電偶年穩(wěn)定性≤12μV，取均勻分布，則由年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u12=6.93μV。
　　則一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶在各溫度點(diǎn)引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為:
U1(1100℃)=u²11(1100℃)+u²12μV=11.13μV
U1(1300℃)=u²11(1300℃)+u²12μV=11.91μV
U1(1500℃)=u²11(1500℃)+u²12μV=12.42μV
3.2測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u。
　　三個(gè)溫度點(diǎn)檢定時(shí)，測(cè)量重復(fù)性情況大致相同，故對(duì)任一檢定點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性分析，可代表其他溫度點(diǎn)的重復(fù)性情況，下面以1500℃溫度點(diǎn)為例介紹。用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)檢定I級(jí)鉑銠30-鉑銠6熱電偶。測(cè)得工作偶的五組每組10個(gè)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差sp1(1500℃)為:
 
 
　　實(shí)際測(cè)量結(jié)果為4次測(cè)量值的平均值,則:
Ua2(1500℃)=sp2(1500℃)/4=0.18μV.
　　電測(cè)設(shè)備的測(cè)量分辨力為0.1μV,由其引入的不確定度分量ub=0.1μV/23=0.029μV,ub,(1500℃),u2(1500℃)相比很小,ub忽略不計(jì),只考慮重復(fù)性引入的不確定度分量。
　　依此類推，在1100℃、1300℃溫度點(diǎn)由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量分別為:
 
 
3.3電測(cè)設(shè)備對(duì)被檢熱電偶引入的不確定度u2
　　根據(jù)說(shuō)明書(shū)，數(shù)字多用表在(0~100)mV的量程內(nèi)相對(duì)誤差為(37±9)x10^-6取測(cè)得值的最大值參與計(jì)算，采用B類方法評(píng)定，按均勻分布可得:
u2(1100℃)=△/3=46x10^-6x5.7893mV/3=0.15μV
u2(1300C)=△/3=46x10^-6x7.8544mV/3=0.21μV
u2(1500℃)=△/3=46x10^-6x10.0722mV/3=0.27μV
3.4電測(cè)設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶引入的不確定度u3
　　被檢熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同分度號(hào)，采用同一數(shù)字多用表測(cè)量，評(píng)估方法同3.3,測(cè)量值近似取檢定溫度點(diǎn)的分度值，鉑銠30-鉑銠6熱電偶在三個(gè)檢定點(diǎn)分度表上的熱電勢(shì)分別為:
5.780mV、7.848mV、10.099mV，則:
u3(1100℃)=△/3=0.15μV
u3(1300℃)=△/3=0.21μV
u3(1500℃)=△/3=0.27μV
3.5分度復(fù)現(xiàn)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度us
　　檢定時(shí)因兩次捆扎裝爐和爐子溫場(chǎng)的變化給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響，這些影響主要表現(xiàn)在兩次分度測(cè)量的差值上，由JJG141--2013的7.3.6.4可知，II級(jí)B型熱電偶兩組測(cè)量值的差值應(yīng)小于8.0μV，即測(cè)量值的變化區(qū)間為8.0μV，則區(qū)間半寬度a=4.0μV。按均勻分布處理，則:
U4(1100℃)=4.0μV/3=2.31μV
u4(1300℃)=4.0μV/3=2.31μV
u4(1500℃)=4.0μV/3=2.31μV
3.6測(cè)量回路寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度us
　　由JJG141--2013的7.2可知，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)各.路之間最大寄生電勢(shì)之差小于0.4μV，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶測(cè)量回路因寄生電勢(shì)差變化帶來(lái)的影響小于0.4μV,取區(qū)間半寬度a為0.4μV,取均勻分布，則:
U5=0.4μV/3=0.23μV
3.7熱電偶參考段溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6
　　由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)可知，熱電偶參考端在同一冰點(diǎn)恒溫器內(nèi)，各路之間最大溫差≤0.05°C，取區(qū)間半寬度α為0.05℃，鉑銠30-鉑銠6熱電偶在冰點(diǎn)的微分熱電勢(shì)為-0.247μV/℃，溫差換算為電勢(shì)值為-0.01235μV,取均勻分布，則:
u6=0.01235μV/3=0.007μV
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶的熱電勢(shì)在常溫下小，因此由參考端溫差引人的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)。
3.8爐溫變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u,
　　根據(jù)規(guī)程JJG141--2013，檢定B型熱電偶時(shí)爐溫變化應(yīng)小于0.2℃/min，整個(gè)測(cè)量過(guò)程中爐溫變化不得超過(guò)0.5℃，區(qū)間半寬度α=0.25℃，按均勻分布，則:
U7(1100℃)=0.25℃x9.77μV/℃/3=1.41μV
U7(1300℃)=0.25℃x10.87μV/℃/3=1.57μV
U7(1500℃)=0.25℃x11.56μV/℃/3=1.67μV
3.9合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
3.9.1靈敏系數(shù)
測(cè)量模型:
Et=E證+(E被-E標(biāo))
式中，靈敏系數(shù):
C1=?Et/8E證=1
C2=?Et/8E被=1
C3=?Et/aE標(biāo)=-1
3.9.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總
U1100(E證)=u1(1100℃)
U1300(E證)=u(1300℃)
u1500(E證)=u(1500℃)
 
 
3.9.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
　　各輸人量獨(dú)立不相關(guān)，則合成不確定度為:
 
4測(cè)量不確定度的表示
1100℃時(shí),U1100℃(Et)=23.56μV,k=2
1300℃時(shí),U1300℃(Et)=25.12μV,k=2
1500℃時(shí),U1500℃(Et)=26.14μV,k=2
5小結(jié)
　　采用雙極比較法，與一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶比較檢定(1100~1500)℃溫區(qū)工作用I級(jí)B型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)誤差，并評(píng)定1100℃、1300℃、1500℃溫度點(diǎn)的測(cè)量不確定度，評(píng)定過(guò)程科學(xué)合理，結(jié)果的擴(kuò)展不確定度符合相關(guān)技術(shù)要求。