熱電偶檢定爐溫場(chǎng)測(cè)量不確定度評(píng)定

摘要參照國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范,基于實(shí)際工作情況對(duì)各型熱電偶檢定爐、退火爐溫場(chǎng)測(cè)量的不確定度進(jìn)行了分析和評(píng)定,給出了S型貴金屬偶爐(包括工作用和標(biāo)準(zhǔn))、廉金屬偶爐、退火爐和B型貴金屬偶爐(包括工作用和標(biāo)準(zhǔn))各溫度點(diǎn)上的擴(kuò)展不確定度評(píng)定結(jié)果。
1研究目的
      熱電偶檢定爐是工業(yè)領(lǐng)域中大量應(yīng)用的高溫?zé)嵩?其溫場(chǎng)均勻性和波動(dòng)性對(duì)于應(yīng)用對(duì)象的測(cè)量正確性尤為重要。通過對(duì)檢定爐溫場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的不確定度分析和評(píng)定,得到某一類檢定爐各輸人量的不確定度分量,分析出溫場(chǎng)測(cè)量方法中影響較大的因素，通過改進(jìn)測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法提高測(cè)量精度。所得的擴(kuò)展不確定度和檢定爐溫場(chǎng)允差進(jìn)行比較,得出該測(cè)量方法所測(cè)得的結(jié)果是否可信。
2研究對(duì)象
       研究對(duì)象為300~1500℃溫度范圍內(nèi)包括帶溫控器的和不帶溫控器的臥式管式熱電偶檢定爐(以下簡(jiǎn)稱“檢定爐”)。其也可按照用途分為貴金屬偶爐(S型標(biāo)準(zhǔn)偶爐、B型標(biāo)準(zhǔn)偶爐、S型工作偶爐、B型工作偶爐、S/R型工作偶短爐)、廉金屬偶爐(600mm長(zhǎng)和300mm長(zhǎng))和退火爐。
3測(cè)量條件
3.1環(huán)境條件
      環(huán)境溫度:(23士5)℃;相對(duì)濕度:≤80%;其他條件應(yīng)滿足所用儀器設(shè)備的各項(xiàng)要求。
3.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)備
測(cè)量所使用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和配套設(shè)備如表1所示。
4試驗(yàn)方案
4.1測(cè)量方法
      選用兩支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶。其中,一支做移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶,在檢定爐軸向或徑向規(guī)定位置移動(dòng);另一支做固定標(biāo)準(zhǔn)偶(參考標(biāo)準(zhǔn)偶),固定于軸向或徑向規(guī)定位置不動(dòng),用微差法測(cè)量移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶在任意一點(diǎn)相對(duì)于固定“0”點(diǎn)位置的溫度差值[1,如圖1所示，

詳細(xì)內(nèi)容見JJF1184—2007中的“6測(cè)試方法”。
不確定度分析評(píng)定過程以廉金屬偶爐(1000℃)為例。
4.2測(cè)量模型
      移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶在任一點(diǎn)相對(duì)于“0”點(diǎn)的溫度產(chǎn)值采用下式計(jì)算:

       式中:Δt(t)i0為移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶在任一點(diǎn)相對(duì)于“0”點(diǎn)的溫度差值,℃;ΔE(t)i為移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶與固定標(biāo)準(zhǔn)偶在任一點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)差值的算術(shù)平均值,μV;ΔE(t)0為移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偶與固定標(biāo)準(zhǔn)偶在“0”點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)差值的算術(shù)平均值,μV;S(t)為標(biāo)準(zhǔn)偶在測(cè)試點(diǎn)的微分熱電動(dòng)勢(shì)值(標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃的微分熱電動(dòng)勢(shì)為11.54μV/℃)。


式中:u為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量,℃;uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,℃;c1,c2為各輸入量的靈敏系數(shù);∂為求偏導(dǎo)。
5標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定
      輸入量Δt(t)i(任一位置)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δt(t)i),其來源有標(biāo)準(zhǔn)偶重復(fù)性引入、電測(cè)儀器測(cè)量誤差引入、爐溫波動(dòng)引入、兩次測(cè)量位置的一致性引入、標(biāo)準(zhǔn)偶電極不均勻性引入、參考端溫差引入、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢(shì)引入。
      輸入量Δt(t)0(固定“0”位置)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δt(t)0),其來源有標(biāo)準(zhǔn)偶重復(fù)性引入、電測(cè)儀器測(cè)量誤差引入、爐溫波動(dòng)引入、兩次測(cè)量位置的一致性引入、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢(shì)引入、參考端溫差引入。
5.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δt(t)i)的評(píng)定
5.1.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i1)
      由被測(cè)熱電偶重復(fù)性測(cè)量引入,A類方法評(píng)定[2]。用一支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)性測(cè)量,單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

5.1.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i2)
      由電測(cè)設(shè)備測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偶的測(cè)量誤差引入,B類方法評(píng)定。電測(cè)設(shè)備為6位半數(shù)字多用表,其測(cè)量值的誤差按一年內(nèi)的最大允許誤差±(50×10^-6×測(cè)量值+35×10^-6×量程)計(jì)算。對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的讀數(shù)取值如下:標(biāo)準(zhǔn)偶1000℃讀數(shù)=9.587mV[3];擋位為(0~100)mV,則量程為100mV。
經(jīng)計(jì)算,1000℃溫度點(diǎn)的最大允許誤差為±3.979μV。
按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為3.979μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i2)=2.30μV(相當(dāng)于0.199℃)。
5.1.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i3)
      由熱電偶檢定爐爐溫波動(dòng)引入,B類。由經(jīng)驗(yàn)可知,每個(gè)測(cè)量位置讀數(shù)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偶的示值變化不超過3.0μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為1.5μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i3)=0.87μV(相當(dāng)于0.075℃)。
5.1.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i4)
      由兩次測(cè)量位置的一致性引入,B類。移動(dòng)偶來回移動(dòng)測(cè)量,第1次和第2次測(cè)量時(shí)位置的不一致會(huì)引起兩次測(cè)量結(jié)果有差異,最大差值估計(jì)值不大于2μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間分別為1μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i4)=0.29μV(相當(dāng)于0.025℃)。
5.1.5標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i5)
      標(biāo)準(zhǔn)偶電極不均勻性引入,B類。由于熱電偶測(cè)量時(shí)處于有溫度梯度的溫場(chǎng)中,電極不均勻會(huì)產(chǎn)生很小的附加熱電勢(shì),其估計(jì)值為±1μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為1μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i5)=0.29μV(相當(dāng)于0.025℃)。
5.1.6標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i6)
      由參考端溫差引入,B類。根據(jù)零度恒溫器的證書可知,溫度精度(0±0.05)℃,造成熱電偶參考端和銅導(dǎo)線的接點(diǎn)溫差為±0.05℃。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為0.05℃,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i6)=0.029℃。
5.1.7標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i7)
      由轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢(shì)引入,B類。根據(jù)掃描開關(guān)的說明書可知,各路之間最大寄生電勢(shì)不大于0.4μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區(qū)間為0.4μV,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt(t)i7)=0.23μV(相當(dāng)于0.020℃)。
由于各輸入量彼此之間相互獨(dú)立,則:

5.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Δt(t)0)的評(píng)定
      由于各分量引入不確定度的來源與u(Δt(t)i)相同,則過程省略,結(jié)果為:
u(Δt(t)0)=0.223℃
6擴(kuò)展不確定度
各輸入量之間相互獨(dú)立,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

7各型熱電偶檢定爐的擴(kuò)展不確定度表示
      根據(jù)以上的不確定度分析評(píng)定過程,評(píng)定出其他各型熱電偶檢定爐的擴(kuò)展不確定度(主要區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)器使用鉑銠10-鉑熱電偶或使用鉑銠30-鉑銠6熱電偶),采用CMC單值表示。
S型貴金屬偶爐(包括工作用和標(biāo)準(zhǔn))、廉金屬偶爐和退火爐的擴(kuò)展不確定度如表2所示。

      B型貴金屬偶爐(包括工作用和標(biāo)準(zhǔn))的擴(kuò)展不確定度如表3所示。

8研究結(jié)論
      由評(píng)定結(jié)果可得,1000℃的擴(kuò)展不確定度為0.63,小于檢定爐溫場(chǎng)允差的模,說明測(cè)量結(jié)果可信。各不確定度分量較大的為u(Δt(t)i2)和u(Δt(t)i3)。它們的不確定度來源分別為電測(cè)儀器測(cè)量誤差引入和爐溫波動(dòng)引入。電測(cè)儀器可以使用7位半數(shù)字多用表替換,可大幅度減小這一分量。爐溫波動(dòng)引入的不確定度,將恒溫時(shí)間從30min延長(zhǎng)為45min,可將半寬降低到1μV。