工業(yè)用K型熱電偶測量結(jié)果不確定度評定

摘要:介紹采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶檢定工業(yè)用K型熱電偶,分析誤差的來源,并對其測量結(jié)果的不確定度進行評定。
0引言
　　熱電偶作為一種常見的測溫儀器,廣泛應(yīng)用于電廠的高溫測量。隨著火電廠自動化水平的日益提高,運行人員對電廠溫度測量的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。為了得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果,熱電偶的檢定工作非常重要。
1測量方法
　　測量依據(jù):JG351-1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》。測量環(huán)境條件:環(huán)境溫度(20±2)℃,濕度45%~75%RH。測量標(biāo)準(zhǔn)儀器:二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶(S型)、熱電偶自動檢定裝置、管式檢定爐。測量對象:工業(yè)用鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型),在300~1100℃范圍內(nèi),誤差不超過±2.5℃。
　　測量方法:將二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢K型熱電偶捆扎在一起,置于管式熱電偶檢定爐中,采用比較法進行檢定;按照要求連接線路,接通電源,啟動熱電偶自動檢定系統(tǒng)程序,設(shè)置檢定系統(tǒng)參數(shù),按下檢定按鈕后,進入自動檢定過程;通過測量標(biāo)準(zhǔn)偶和被測偶在相同溫度點的熱電動勢,由標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢偶的微分熱電動勢求得被檢偶在所需溫度點的熱電動勢,對被測熱電偶示值誤差的不確定度進行評定。
2建立數(shù)學(xué)模型
　　被測偶在需測量溫度點1的熱電動勢的數(shù)學(xué)模型：
 
　　式中,e被(t)為被測熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢,mV;e被(t')為被測熱電偶在測溫點t'的熱電動勢，mV;E標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢,mV/℃;e標(biāo)(t')測熱電偶在需測量溫度點t'的微分電動勢,μV/℃;S標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在需測量溫度點t的微分電動勢,μV/℃。
　　上述數(shù)學(xué)模型可簡化為:
 
3各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
3.1u1的評定.
　　U1來源于被測熱電偶測量重復(fù)性,數(shù)字電壓表測量誤差、檢定爐溫場分布不均、測量回路寄生電動勢以及熱電偶參考溫度不均等。
3.1.1被測熱電偶測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被)
　　采用A類方法進行評定。
　　在任一溫度點測量時,被測熱電偶重復(fù)性情況類似,以600℃為例進行分析。
　　將一支二等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶作為測量標(biāo)準(zhǔn),對它在600℃溫度點進行10次同條件的重復(fù)測量，測得被檢偶熱電勢的數(shù)據(jù)為:24.9021mV,24.9036mV,24.9042mV,24.9037mV,24.9025mV,24.9026mV,24.9041mV,24.9031mV,24.9038mV,249033mV。則`x=249033mV,
 
3.1.2數(shù)字電壓表測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被2)
　　采用B類方法進行評定。
　　數(shù)字電壓表在量程為100mV時的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈4.75μV,在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被2為2.375μV，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被2)=2.375/√3=1.371μV。
3.1.3檢定爐工作溫場分布不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被3)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,工業(yè)用K型熱電偶由檢定爐工作溫場分布不均勻引起的最大誤差不超過±10μV。在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a樓3為10μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被3)=10/√3=5.774μV。
3.1.4測量回路寄生電動勢引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被4)
　　測量回路寄生電動勢包括補償導(dǎo)線.轉(zhuǎn)換開關(guān)等引起的電動勢,采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,測量回路寄生電動勢帶來的誤差不超過±0.4μV,在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被4為0.4μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被4)=0.4/√3=0.231μV。
3.1.5被測熱電偶參考端溫度不均引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被5)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,被測熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±4μV(±0.1℃),在區(qū)間內(nèi)可認為服從均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被5為4μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被5)=4/√3=2.310μV。
3.1.6u1的合成
　　u(e'被1).,u(e'被2)、u(e'被3)、u(e'被4)、u(e'被5)5個分項彼此獨立,互不相關(guān),故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
 
3.2u2的評定
　　標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2來源于二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度值的不確定度u(E標(biāo)1)和其年不穩(wěn)定性u(E標(biāo)2),采用B類方法評定。
　　由二等鉑銠10-鉑熱電偶測量結(jié)果不確定度分析報告可知,其600℃檢定結(jié)果不確定度u(E標(biāo)1)為2.4μV。
　　在檢定周期內(nèi)的二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,其年熱電勢變化一般不超過±5μV,在區(qū)間內(nèi)可認為服從正態(tài)分布,覆蓋因子k=3,半寬度ae標(biāo)為5μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(E標(biāo)2)=5/3=1.667μV。
 
3.3u3
　　U3來源于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量重復(fù)性、數(shù)字電壓表測量誤差、檢定爐溫場分布不均、測量回路寄生電動勢以及熱電偶參考溫度不均等。
3.3.1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)1)
　　采用A類方法進行評定。
　　在任一溫度點測量時,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶重復(fù)性情況類似,以600℃為例進行分析。
　　用二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進行10次同條件的重復(fù)測量，測得被檢偶熱電勢的數(shù)據(jù)為:5.2371mV,5.2378mV，5.2374mV，5.2383mV，5.2375mV,5.2377mV,5.2380mV.
5.2381mV，5.2379mV，5.2372mV。則`x=5.2377mV,單次
 
　　0.406μV。以測得值的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果,則該結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)1)=Sp/√n=0.406/√4=0.203μV。
3.3.2數(shù)字電壓表測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度.u(e標(biāo)2)
　　采用B類方法進行評定。
　　數(shù)字電壓表在量程為100mV時的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈3.76μV，在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)2為1.88μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)2)=1.88/√3=1.085μV。
3.3.3檢定爐工作溫場分布不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)3)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶由檢定爐工作溫場分布不均勻引起的最大誤差不超過±5μV，在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)3為5μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)3)=5√3=2.887μV。
3.3.4測量回路寄生電動勢引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)4)
　　測量回路寄生電動勢包括補償導(dǎo)線、轉(zhuǎn)換開關(guān)等引起的電動勢,采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,測量回路寄生電動勢帶來誤差不超過±0.4μV，在區(qū)間內(nèi)可認為均勻分布，覆蓋因子k=√3,半寬度aw4為0.4μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)4)=0.4/√3=0.231μV。
3.3.5由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考端溫度不均引入的標(biāo)準(zhǔn).不確定度u(e標(biāo)5)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經(jīng)驗可得,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±1μV,在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布,覆蓋因子h=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)5為1μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)5)=1/√3=0.577μV。
3.3.6u3的合成
 
3.15μV。
3.4u(S標(biāo)).u(S被)的評定
　　輸入量S標(biāo)(t).S被(t)是在ITS--90溫標(biāo)下用近似方法得到的,但其精度完全可滿足該類熱電偶使用精度的要求,由有效位數(shù)等原因引起的不確定度因微小而忽略。
4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
　　所需測溫度600℃,用二等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶檢定工業(yè)用K型熱電偶熱電動勢e被(t)的測量不確定度如表1所示。
 
5擴展不確定度Ugs評定
　　取置信概率p=0.95,包含因子k=2,擴展不確定度U95=k·uc=37.94μV。37.66μV換算成溫度為1.0℃。
6結(jié)果報告
　　用二等鉑銠10-鉑熱電偶作標(biāo)準(zhǔn)，采用比較法來校準(zhǔn)工業(yè)用K型熱電偶，其擴展不確定度為1.0℃(k=2),小于2.5℃,符合規(guī)定要求。