熱電偶檢定誤差及不確定度的分析

摘要:熱電偶是根據熱電效應制成的溫度測量元件，是一種廣泛應用在各個領域的溫度傳感器，它由兩種不同材料的熱電極構成，并將其兩端的溫度差，以電勢值的形式輸入給二次儀表———溫度顯示儀表，以完成溫度測量的全過程。因此，熱電偶就是測量儀表的基礎元件，其示值的正確性，可靠性與否，將影響著整個控溫的精度。因而熱電偶在檢定過程中，其標準裝置，檢定方法等，是否滿足檢定規(guī)程要求，將從根本上影響著檢定結果的正確性和可靠性。
1概述
　　根據JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》要求，檢定方法有雙極比較法和同名極比較法，根據單位的情況采用雙極比較法。其檢定原理圖應按照圖1所示進行。規(guī)程要求檢定時檢定標準與所有被檢熱電偶的參考端應全部直接插入1個0℃的冰點槽里，這樣經過轉換開關，由低電勢直流電位差計或其他等精度電測儀器測得的熱電勢值為E(t0)，即檢定爐的爐溫t，相對于0℃的熱電勢值，經過標準熱電偶誤差修正后，就可以從熱電偶分度表中直接查得熱電偶所測實際溫度，或計算出被檢熱電偶的誤差值。2熱電偶的檢定方法及所用標準裝置通常熱電偶的檢定方法有雙極比較法、同名極比較法，一般使用的是同名極比較法，其檢定原理如圖1所示。
 
　　熱電偶在檢定前先清洗、退火、然后捆扎入爐。檢定在鋅(419．527℃)、鋁(660．323℃)、銅(1084．62℃)3個固定點進行，開始測量時，其測量順序為由低溫到高溫逐點檢定，檢定爐爐溫偏離檢定點溫度不得超過±5℃，當爐溫升到設定檢定點后觀測到爐溫變化小于0．1℃/min(S型、Ｒ型熱電偶)時，開始測量，其測量順序為:
 
　　測量時每只熱電偶的熱電動勢測量次數(shù)不少于4次，整個測量過程爐內溫度變化低于0．5℃。測量讀數(shù)保留到小數(shù)點后4位(0．1μv)。由于檢定點是在鋅、鋁、銅3個固定點進行的，合格的熱電偶在鑒定證書中還須給出300℃～1300℃各整百度上的熱電勢值。計算式為:
 
　　式中:et溫度t時的熱電動勢值，e1、e2、e3被檢定的熱電偶在3個固定點t1、t2、t3時的熱電動勢值，φ1(t)，φ2(t)，φ3(t)，分別為t1，t2，t3溫度下的影響函數(shù)
 
3誤差來源、產生原因及計算分析
　　誤差來源主要以人、機、料、法、環(huán)5個方面分析。
1)一等標準鉑銠10－鉑熱電阻的不確定度評定為0．6℃，正態(tài)分布，取k=2．58。則:
 
2)一等標準熱電偶的年穩(wěn)定性引入的標準不確定度u2。由檢定規(guī)程JJG75－1995得知，其在銅點的年穩(wěn)定性不超過5μv，假設按均勻分布，K=3。其結果相當于0．24℃。
 
3) 測量重復性引入的標準不確定度u3。對分度號為S、編號為47－1S－11的熱電偶在短時間內測量8次，在銅點測量數(shù)據如下:
10． 5679，10．5676，10．5675，10．5668，10．5665，10．5663，10．5666，10．6569
實驗標準偏差Sn=0．049℃，則標準不確定度:
 
4)電測儀表讀數(shù)不正確引入的標準不確定度分量u4。2010型7位半數(shù)字多用表由使用說明書得知在測量銅點熱電勢為10．575mv時的極限誤差為±(0．0037%讀數(shù)+0.0009%量程)，得允差e4=±1．29μv(S熱電偶在銅點時)，相當于0．11℃，假設按均勻分布，k槡=3。其結果相當于0．06℃。
 
5)轉換開關寄生電勢引入的不確定度分量u5。檢定規(guī)程規(guī)定，轉換開關各路寄生電勢小于0．4μv，相當于0．03℃。假設按均勻分布k=。其結果相當于0．02℃。
 
6)檢定爐溫場不均勻性引入的不確定分量u6。檢定規(guī)程規(guī)定，管式檢定爐溫均勻溫場內溫度變化梯度0．4℃/10mm，半寬度e6=0．2℃。按均勻分布k=。
 
4被檢熱電偶總不確定度計算1)總不確定度由以上8項不確定度合成，上述8項不確定度彼此獨立，因此合成標準不確定度uc:
 
2) 拓展不確定度U=KUC=0．78℃(k取2)
　　被檢熱電偶在使用溫度上限允許基本誤差=1600℃×0.25%=4．0℃
5結語
　　鉑銠10———鉑熱電偶檢定裝置的總不確定度為0．78℃，小于被檢熱電偶的允許基本誤差4．0℃，達到了計量標準設備不確定度為被校準檢測設備不確定度的1/3～1/10點要求，滿足熱電偶檢定要求。從以上分析中可知，由于在熱電偶檢定中采取了許多消除或避免誤差產生的措施，使得被檢熱電偶的總不確定度為最低限度。因此，在檢定工作中，要嚴格遵守檢定規(guī)程，不斷學習，要從人員、裝置、方法、環(huán)境及被檢熱電偶特性等多方面做些更細致的工作，使測量不確定度減小到最低限度，以保證熱電偶的傳遞精度。為企業(yè)更好更快持續(xù)發(fā)展作出貢獻。