鎧裝熱電偶校準結果的不確定度評定

莊能++韓宏志

摘 要：熱電偶是一種感溫元件，屬于一次儀表，其工作原理是利用兩種不同的材料組成的閉合電路，當兩端的溫度不同時，閉合回路中就會有電流產生，再通過測量儀表就可以測量介質的溫度。

關鍵詞：熱電偶；測量；閉合電路

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0115-03

熱電偶廣泛應用于石油、化工、電力、食品、醫療等眾多領域，其測量的準確性直接影響到過程控制的可靠性、生產的安全性以及產品的質量，其測量不確定度的評定以及不確定度的大小對校準標準器及設備的選擇具有指導意義。

1 概述

1.1 測量依據

JJF1262-2010鎧裝熱電偶校準規范。

1.2 測量條件

溫度（23±5）℃，濕度（45—75）%RH。

1.3 測量標準及主要技術要求

（1）一等標準鉑銠10—鉑熱電偶鋅、鋁、銅凝固點溫度分度值的擴展不確定度U為0.6℃，置信概率99%；

（2）數字表允許誤差為±（0.005%×讀數+0.0035%×量程）。

1.4 被測對象及其主要性能

I級鎧裝鎳鉻—銅鎳熱電偶，在（300∽800）℃范圍內，誤差不超過±1.5℃或±0.4%t。

1.5 測量方法

測量依據JJF1262-2010鎧裝熱電偶校準規范，使用標準器為一等標準鉑銠10—鉑熱電偶，電測設備為熱電偶、熱電阻自動檢定裝置的61/2位數字多用表。檢定工作用1只鎧裝鎳鉻—銅鉻熱電偶與一支一等標準鉑銠10—鉑熱電偶與被檢對齊工作端捆扎后放入檢定爐的使用段中心位置上，待檢定點溫度恒定后，測出標準器與被檢的電勢值并取兩循環各4個測量值后取平均，計算出名義檢定點被檢的電勢值。

2 數學模型的建立

根據規程，工作用熱電偶的測量結果的計算公式為：

e被=ēt被+（et標-ēt標）×St被/St標 （1）

式中：e被—被檢熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢；

ēt被—被檢熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值；

et標—標準熱電偶證書上某檢定點溫度的熱電動勢值；

ēt標—標準熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值；

ēt標—標準熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值；

St標、St被—標準、被檢熱電偶在某檢定溫度的微分熱電動勢；

靈敏系數

C1=e被/ēt被=1

C2=e被/et標=1

C3=e被/ēt標=-1

合成方差公式為：u2c=u2（ēt被）+u2（et標）+u2（ēt標）

3 標準不確定度分量計算

3.1 u（ēt被）項：該項為檢定時在溫度t上測得被檢電勢的有關量

3.1.1 電測設備對被檢偶引入的不確定度u1.1

電測裝置采用6 1/2位數字多用表，在檢定中測量標準和被檢偶（E型）mV數差異較大，由于檢定采用比較法，數表在測量標準偶和被檢偶時其系統誤差有一部分是可以抵消的，另外本系統在檢定采樣前，還要進行校零操作，消除零位系統誤差。

本系統一般采用6 1/2位數字多用表（型號：HP34401），在100mV檔其數表準確度（年）級別為：A=（0.005%×讀數+0.0035%×量程）

（1）E型熱偶在300℃的熱電勢值讀數為21.1783mV，微分熱電勢為0.07791mV/℃，300℃分度值21.036 mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=，

U300℃=（0.005%×21.1783+0.0035%×21.036）/0.07791×=0.01℃

（2）E型熱偶在400℃的熱電勢值讀數為29.0825mV，微分熱電勢為0.08006 mV/℃，400℃分度值28.946 mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=，

U400℃=（0.005%×29.0825+0.0035%×28.946）/0.08006×=0.02℃

（3）E型熱偶在600℃的熱電勢值讀數為45.0725 mV，微分熱電勢為0.08066mV/℃，600℃分度值45.093 mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=，

U600=（0.005%×45.0725+0.0035%×45.093）/0.08066×=0.03℃

3.1.2 檢定爐溫度變化，波動影響引入的不確定度u1.2

根據測試規范要求，本裝置在溫場穩定性方面控制兩個指標，一是在檢定采樣前六分鐘溫度波動≤0.6℃，二是在采樣過程中爐內溫場變化≤0.2℃/min，從而保證在整個檢定過程將爐內溫場變化控制在0.2℃以內，因而采用循環檢測后取平均值后為0.1℃，可認為均勻分布則包含因子為k= 則u1.2=0.1/=0.06℃。

3.1.3 參考端溫度修正對被檢引入的不確定度u1.3

當冷端補償采用將標準與被檢偶的參考端都置入同一密閉容器中，用一精密測溫傳感器跟蹤測溫補償時，測溫傳感器誤差≤0.2℃。各參考端之間存在著溫度梯度，綜合其引入的不確定度為0.3℃，屬均勻分布則包含因子為k=。

u1.3=0.3/=0.17℃

3.1.4 轉換開關及連接導線對被檢引入的不確定度u1.4

根據測試結果，檢定裝置轉換開關的寄生電勢≤0.4μV，加上連接導線的影響及測量通道的不一致，其影響≤0.05℃，屬均勻分布則包含因子為k=，endprint

u1.4 =0.05/=0.03℃

3.1.5 檢定的重復性u1.5

在300℃、400℃、600℃溫度點測量上，進行重復測量，由《熱電偶、熱電阻自動測量系統校準規范》規定，按系統正常運行連續測量三次，每次測完后，降溫50后重新升溫，待恒溫后記錄數據，三次測量結果間的最大差值為系統重復性，其結果應符≤3μν，并計算實驗標準差（按極差法）。

實測數據如表1：（分度號：E NO：50）

按極差法標準公式：S（e）=（Xmax-Xmix）/dn計算標準差

查dn系數表，n=3時，dn=1.69

S300℃=0.01℃/1.64=0.01℃，屬t分布

u1.5=S/=0.01℃

S400℃=0.03℃/1.64=0.02℃，屬t分布

u1.5=S/=0.01℃

S600℃=0.04℃/1.64=0.02℃，屬t分布

u1.5=S/=0.01℃

3.2 u（et標）項：為檢定名義點上的標準器的不確定度

3.2.1 標準器引入的不確定度u2.1

一等標準鉑銠10—鉑熱電偶在固定點上的擴展不確定度為0.6℃，呈正態分布P=99%（既包含因子2.58，自由度∞）。

u2.1=0.6/2.58=0.23℃

3.2.2 標準偶的年穩定性u2.2

檢定規程規定，一等標準鉑銠10—鉑熱電偶的年變化不大于5μν（銅點），以半區間計算，則a=5/2=2.5μν，此影響計為服從均勻分布，k=

u2.2=2.5/=1.44μν=0.12℃

3.3 u（ēt標）項

3.3.1 電測設備對標準偶引入的不確定度u3.1

（1）一等標準鉑銠10—鉑熱電偶在300℃的熱電勢值讀數為2.32549mV，微分電勢為0.00913mV/℃，300℃分度值2.323mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=

u3.1=（0.005%×2.32549+0.0035%×2.323）/0.00913×=0.01℃

（2）一等標準鉑銠10—鉑熱電偶在400℃的熱電勢值讀數為3.26032 mV，微分電勢為0.00957mV/℃，400℃分度值3.259 mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=

u3.1=（0.005%×3.26032+0.0035%×3.259）/0.00957×=0.02℃

（3）一等標準鉑銠10—鉑熱電偶在600℃的熱電勢值讀數為5.23049 mV，微分電勢為0.01021mV/℃，600℃分度值5.239 mV，誤差按均勻分布則包含因子為k=

u3.1=（0.005%×5.23049+0.0035%×5.239）/0.01021×=0.03 ℃

3.3.2 檢定爐溫場均勻性對標準引入的不確定度u3.2

因標準偶所在的爐內中心位置與最外圍被檢偶的位置之間存在著溫度梯度，根據對檢定爐軸向與徑向溫場的測試，標準偶與最外圍被檢偶的溫度最大約為0.5℃，屬均勻分布則包含因子為k=，以半區間計算則0.5/2=0.25℃

u3.2=0.25/=0.14℃

3.3.3 參考端溫度修正對標準引入的不確定度u3.3

當冷端補償采用將標準與被檢偶的參考端都置入同一密閉容器中，用一精密測溫傳感器跟蹤測溫補償時，測溫傳感器誤差≤0.2℃。各參考端之間存在著溫度梯度，綜合其引入的不確定度為0.3℃，屬均勻分布則包含因子為k=

u3.3=0.3/=0.17℃

3.3.4 轉換開關及連接導線對標準引入的不確定度u3.4

根據測試結果，檢定裝置轉換開關的寄生電勢≤0.5μV，加上連接導線的影響及測量通道的不一致，其影響≤0.05℃，屬均勻分布則包含因子為k=，

u3.4=0.05/=0.03℃

3.3.5 數據修約引入的不確定度u3.5

數據修約引入的不確定度為0.05℃，屬均勻分布，故包含因子為k=

u3.5=0.05/=0.03℃

4 標準不確定度分量匯總表（表2）

4.1 合成標準不確定度

uc2=u21.1+u21.2+u21.3+u21.4+u21.5+u22.1+u22.2+u23.1+u23.2+ u23.3+u23.4+u23.5

uc300=0.35℃

uc400=0.39℃

uc600=0.39℃

4.2 擴展不確定度

擴展不確定度U=kuc，取k=2

300℃：U300=k×uC=2×0.35=0.7℃

400℃：U400=k×uC=2×0.39=0.8℃

600℃：U600=k×uC=2×0.39=0.8℃

4.3 測量結果不確定度報告

本標準熱電偶裝置的總不確定度：

300℃：U=0.7℃ k=2

400℃：U=0.8℃； k=2

600℃：U=0.8℃ k=2

5 結語

本文通過對熱電偶測量結果示值誤差的測量結果不確定度的評定，其擴展不確定度約等于被檢熱電偶允許誤差絕對值的1/5，所選標準器滿足開展工作的要求。endprint