DTS溫度掃描閥校準方法及測量不確定度分析

趙琪 王舜禹 蔡玨

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

隨著計量技術的飛速發展，溫度掃描閥在一些試驗現場得到了廣泛應用。溫度掃描閥可實現多通道熱電偶信號的采集，其準確程度影響試驗結果，因此對溫度掃描閥進行科學有效的校準十分重要。

1 DTS溫度掃描閥的原理和技術特性

DTS系列熱電偶采集系統代表了新一代熱電偶溫度智能掃描儀。這種數字式熱電偶掃描儀包含16、32或64組熱電偶輸入，一種典型的32通道溫度掃描閥見圖1，溫度掃描閥的工作原理見圖2。

圖1 32通道溫度掃描閥

圖2 溫度掃描閥原理框圖

2 DTS溫度掃描閥的校準方法

2.1 校準方法

校準DTS溫度掃描閥需要的設備包括：（-10～131）mV范圍內準確度不低于±1.5μV的多功能標準源，為掃描閥的校準提供標準電壓值[1]；（0～30）V的直流穩壓電源，為掃描閥供電；Windows XP或以上版本操作系統的計算機，用于安裝溫度掃描閥校準軟件、執行校準過程、保存校準數據；網線，用于計算機與溫度掃描閥之間的通信。

在校準前要進行以下準備工作：拆下溫度掃描閥外殼并插上專用連接套件、插上電源線預熱3h以上、插上網線并保證掃描閥與計算機能夠正常連接、打開多功能標準源，預熱30min以上[2]。

2.2 校準過程

溫度掃描閥的校準包括RTD和T/C兩部分，根據溫度掃描閥校準軟件Tempcal的規定流程執行校準過程，校準過程按順序為：開始校準過程、設置、A/D測試、清除偏置量、A/D初始化、熱電阻校準前比對、熱電阻校準、熱電阻校準后驗證、熱電偶校準前比對、熱電偶校準、熱電偶校準后驗證、生成比對報告、生成驗證報告、替換原始設置、將校準結果保存到掃描閥、結束校準過程[3]。

3 不確定度分析

3.1 數學模型

3.2 不確定度來源

3.2.1 輸入量 的標準不確定度的主要來源為溫度掃描閥校準軟件顯示值的測量重復性和分辨力。

3.2.2 輸入量 的標準不確定度的主要來源為多功能標準源的輸出誤差。

3.3 標準不確定度評定

3.3.1 輸入量 的標準不確定度 的計算。

3.3.1.1 測量重復性引入的不確定度 。輸入量 的標準不確定度的主要來源為儀表指示值的測量重復性，用A類方法進行評定。對被校溫度掃描閥在6mV點進行n=10次等精度測量，得到測量列 為：6.000mV、6.000mV、5.999mV、6.000mV、5.999mV、5.999mV、6.000mV、5.999mV、6.000mV、6.000mV。

此測量列的平均值為：

則單次實驗標準偏差為：

則：

3.3.1.2 儀表分辨力引入的不確定度 。 可以采用B類方法進行評定。溫度掃描閥校準軟件顯示的測量結果分辨力為0.001mV，由分辨力引入的示值誤差區間半寬為顯示分辨力值的1/2，其分布為矩形分布，取，則：

測量重復性引入的標準不確定度分量 大于儀表分辨力引入的標準不確定度分量 ，因此 直接取 的值，則：

3.3.2 輸入量 的標準不確定度 的評定。輸入量 的標準不確定度 主要來自于多功能標準源的輸出誤差。 采用B類方法進行評定，按矩形分布考慮，取 。

根據溫度掃描閥使用手冊中對標準源技術指標的要求，實驗室現有的滿足該要求的只有FLUKE 5700A。5700A 輸出直流電壓功能在0～220mV量程下的最大允許誤差為±（8ppm輸出+0.6μV），計算得5700A輸出6mV時最大允許誤差為Δ=±0.648μV，則以電量值表示的5700A輸出誤差導致的標準不確定度為：

3.4 合成標準不確定度

對測量模型中的各個分量求偏導，得到各個輸入量的靈敏系數分別為：

根據軟件生成的數據中溫度與電壓的轉換計算得出各偶型的 ，見表2。

表2 各偶型轉換系數

以K型熱電偶為例，溫度掃描閥在6mV校準點的標準不確 定度分量匯總見表3。

表3 標準不確定度匯總

以上各分量中， 與校準點有關，不同校準點下的 值見表4。

表4 不同校準點下的 值

以上各項不確定度來源獨立不相關，則合成不確定度可按式（1）計算：

計算得不同溫度點下的 ，見表5。

表5 K型熱電偶測量結果的合成標準不確定度

其他偶型測量結果的不確定度計算方法與K型熱電偶一致，不再贅述。

3.5 擴展不確定度

擴展不確定度根據 計算，取k=2，可得各溫度點下的擴展不確定度見表6。

表6 擴展不確定度匯總

溫度掃描閥的出廠技術指標見表1。從上述測量不確定度評定結果可以看出，校準結果的擴展不確定度（k=2）小于被校溫度掃描閥各偶型下最大允許誤差的1/4，符合GJB 2749A-2009《軍事計量測量標準建立與保持通用要求》。

表1 溫度掃描閥出廠技術指標

4 結束語

本文介紹了DTS系列溫度掃描閥的工作原理和技術特性，重點闡述了DTS系列溫度掃描閥的校準方法及測量結果的不確定度評定分析過程，并驗證了不確定度評定結果的合理性。由于溫度掃描閥被廣泛應用于試驗現場，有效的不確定度評定可以保證其量值溯源的準確可靠。