短型廉金屬熱電偶測(cè)量不確定度評(píng)定

摘要:短型廉金屬熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其主要應(yīng)用在設(shè)備控溫和溫度場(chǎng)的測(cè)量，熱電偶在使用一段時(shí)間后，電極污染和老化造成自身分度值表漂移，其示值誤差往往在使用過程中超過其相應(yīng)的最大允許誤差，所以要定期對(duì)短型偶進(jìn)行校準(zhǔn)。通過對(duì)短型廉金屬熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析和評(píng)定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準(zhǔn)方法中影響較大的因素，通過改進(jìn)測(cè)量設(shè)備和校準(zhǔn)方法提高減小測(cè)量不確定度。評(píng)定所得的擴(kuò)展不確定度可以作為日常使用的依據(jù)。
       短型廉金屬熱電偶是一類電極長(zhǎng)度約為300～500mm的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長(zhǎng)度約為300～500mm的廉金屬鎧裝熱電偶的統(tǒng)稱，工作用廉金屬熱電偶(以下簡(jiǎn)稱短型偶)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其主要應(yīng)用在設(shè)備的控溫和溫度場(chǎng)的測(cè)量。短型偶的構(gòu)成主要是兩種不同材質(zhì)的合金材料，一般使用在高溫、氧化、還原、化學(xué)污染等環(huán)境［1］，在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，電極的污染和老化造成自身分度值表的漂移，所以要定期對(duì)短型偶進(jìn)行校準(zhǔn)。
       通過對(duì)短型廉金屬熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析和評(píng)定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準(zhǔn)方法中影響較大的因素，通過改進(jìn)測(cè)量設(shè)備和校準(zhǔn)方法提高減小測(cè)量不確定度。評(píng)定所得的擴(kuò)展不確定度可以作為日常使用的依據(jù)。
1測(cè)量條件
1.1適用范圍
       測(cè)量范圍為－40～1000℃［2］，電極長(zhǎng)度約為300～500mm［3］的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長(zhǎng)度約為300～500mm［4］的廉金屬鎧裝熱電偶的示值偏差的校準(zhǔn)。
1.2環(huán)境條件
       電測(cè)設(shè)備及其他配套設(shè)備工作的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)定的要求;恒溫設(shè)備工作的環(huán)境應(yīng)無影響校準(zhǔn)的氣流擾動(dòng)和外電磁場(chǎng)的干擾。故環(huán)境溫度一般為(23±5)℃，環(huán)境濕度一不大于75%ＲH。
1.3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［5］。

2測(cè)量方法
2.1評(píng)定方法
       采用雙極比較法，在管式爐中放置金屬均溫塊(杯狀)，如圖1所示。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)使用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10－鉑熱電偶，被校熱電偶為一支長(zhǎng)度為300mm的2級(jí)N型可拆卸式短型偶。將兩者插入均溫塊中，通過比較測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和被校熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)值，測(cè)得該支短型偶在某個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上的示值偏差［6］。不確定度分析評(píng)定過程以1000℃為例。

2.2測(cè)量模型
       校準(zhǔn)短型熱電偶在某溫度點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢(shì)值采用式(1)計(jì)算:
Δe被(t)=`e被(t)+［e標(biāo)證(t)－`e標(biāo)(t)］·S被(t)/S標(biāo)(t)+e補(bǔ)－e分(1)
       式中:Δ`e被(t)為被校熱電偶示值偏差的熱電動(dòng)勢(shì)值，mV;e被(t)為被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值，mV;e標(biāo)證(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值，mV;`e標(biāo)(t)為 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值，mV;S標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢(shì)，mV/℃;S被(t)為被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢(shì)，mV/℃;e補(bǔ)補(bǔ)償導(dǎo)線修正值，mV;e分為被校熱電偶分度表上查得的某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值，mV。
2.3合成方差和靈敏系數(shù)

3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定
        輸入量`e被(t)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e被)，其來源有:被測(cè)熱電偶的重復(fù)性測(cè)量引入，電測(cè)設(shè)備測(cè)量誤差引入，爐內(nèi)均熱塊徑向溫場(chǎng)不均勻性引入，爐溫波動(dòng)性引入，轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢(shì)引入，參考端溫度不等于0℃引入，熱電偶測(cè)量端熱量損失引入。
輸入量e標(biāo)證(t)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)證)，其來源有:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度計(jì)算e標(biāo)證引入。
輸入量`e標(biāo)(t)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e標(biāo))，其來源有:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年不穩(wěn)定性引入。
輸入量e補(bǔ)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e補(bǔ))，其來源有:補(bǔ)償導(dǎo)線示值偏差引入［7］。
3.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e被)的評(píng)定
3.1.1被校熱電偶重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被1)
       用一支二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶對(duì)被校熱電偶在1000℃進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得5組，每組10個(gè)重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算每組試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Si，用A類方法進(jìn)行評(píng)定［8］，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp為

3.1.2電測(cè)設(shè)備測(cè)量被校熱電偶的測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被2)
       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<sup>－6</sup>×測(cè)量值+35×10<sup>－6</sup>×量程)計(jì)算，對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)取36.256mV［9］，量程為0～100mV，讀數(shù)誤差為±5.313μV。
按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區(qū)間為5.31μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:
u(`e被2)=3.07μV
3.1.3檢定爐內(nèi)均溫塊徑向溫場(chǎng)不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被3)
        B類方法評(píng)定，校準(zhǔn)時(shí)檢定爐配置杯狀均溫塊使用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，均溫塊同一截面任意兩點(diǎn)的溫差絕對(duì)值不大于0.5℃，換算成熱電勢(shì)值為19.30μV［10］。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區(qū)間為9.65μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量
u(`e被3)=5.57μV
3.1.4爐溫波動(dòng)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被4)
        B類方法評(píng)定，由經(jīng)驗(yàn)可知，讀數(shù)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)得溫場(chǎng)實(shí)際變化不超過±3.0μV，以微分電勢(shì)11.54μV/℃計(jì)算(相當(dāng)于±0.26℃)，再以微分電勢(shì)38.61μV/℃計(jì)算，給被測(cè)熱電偶帶來的誤差為±10.04μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區(qū)間為10.04μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:
u(`e被4)=5.80μV
3.1.5轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生熱電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被5)
       B類方法評(píng)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(shì)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:
u(`e被5)=0.29μV
3.1.6參考端溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被6)
       B類方法評(píng)定，根據(jù)零度恒溫器的證書可知，溫度精度(0±0.1)℃，造成熱電偶參考端和銅導(dǎo)線的接點(diǎn)溫差為±0.1℃，換算成熱電勢(shì)值為±2.62μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區(qū)間為2.62μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:
u(`e被6)=1.51μV
3.1.7補(bǔ)償導(dǎo)線示值偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(`e被7)
        B類方法評(píng)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)為1000℃時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得，測(cè)量端熱量損失對(duì)熱電偶示值的影響為1.08℃，換算成熱電勢(shì)值為41.70μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區(qū)間為20.85μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:
u(`e被7)=12.04μV
3.1.8合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e)
u(`e被)=［u(`e被1)<sup>2</sup>+u(`e被2)²+u²(`e被3)+u<sup>2</sup>(`e被4)+u²(`e被5)+u<sup>2</sup>(`e被6)+u²(`e被7)］<sup>1/2</sup>u(`e被)=14.97μV
3.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)證)的評(píng)定
        B類方法評(píng)定，根據(jù)證書值計(jì)算，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
u(e標(biāo)證)=4.52μV
3.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e標(biāo))的評(píng)定
       B類方法評(píng)定，根據(jù)JJG75—1995，使用中的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶的年穩(wěn)定性不大于±10μV。按照正態(tài)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:
u(`e標(biāo))=3.33μV
3.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e補(bǔ))的評(píng)定
B類方法評(píng)定，補(bǔ)償導(dǎo)線的示值偏差校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U=0.25℃，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:
u(e補(bǔ))=0.125℃(相當(dāng)于3.47μV)。
4評(píng)定結(jié)果
4.1合成標(biāo)準(zhǔn)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:

4.2擴(kuò)展不確定度
U=k·uc
U(1000℃)=48.52μV，k=2(相當(dāng)于1.26℃)。
4.3擴(kuò)展不確定度的表示
       根據(jù)以上不確定度分析評(píng)定過程，評(píng)定出2級(jí)N型短型偶其他各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度。采用CMC范圍表示［11］，如表2所示。

5結(jié)論
       由評(píng)定結(jié)果可知，短型廉金屬熱電偶校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度各個(gè)分量中較大的有三個(gè)，分別為:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度引入;標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性引入;熱電偶測(cè)量端熱量損失引入。其中由于計(jì)量檢定系統(tǒng)表的規(guī)定，“標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度引入”這一因素?zé)o法避免，只能按照技術(shù)法規(guī)的要求選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器。“標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性引入”這一因素，可以通過縮短送檢周期和定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行期間核查以減小這一分量。各個(gè)分量中，以“熱電偶測(cè)量端熱量損失引入”這一因素引入的不確定度分量最大。這一分量也是短型偶校準(zhǔn)的難題，要減小這一分量的引入，需要在硬件設(shè)備上進(jìn)行研究。可在保證恒溫性能的基礎(chǔ)之上將短型檢定爐的尺寸減小，或在短型偶的爐外部分做絕熱或恒溫處理，以盡可能的減小熱損失的影響。