一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標準裝置建標方案與不確定度分析

趙琪 王舜禹 陳龍

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110001

引言

在很多試驗現場，工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶被應用于實現溫度參數的測量。一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標準裝置可檢定工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，完成（1100～1500）℃溫區內溫度量值的傳遞，保證溫度量值的準確可靠。

1 計量標準裝置建標方案

1.1 計量標準裝置的組成

該標準裝置主要由一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶、高溫檢定爐、退火爐、零度恒溫器、轉換開關及電測儀器組成。

1.2 計量標準的工作原理

該標準裝置采用一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶與被檢工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶直接比較的方法進行檢定。也就是把標準熱電偶和被檢熱電偶捆扎在一起送入檢定爐內，將熱電偶測量端置于均勻溫場內，用電測儀器測出它們的熱電動勢，通過計算得到被檢熱電偶在校準溫度點的電勢值。其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 測量標準的工作原理圖

1.3 環境條件

表1 環境條件列表

2 計量標準器具不確定度的評定

2.1 測量依據及方法

依據JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規程，將一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶（以下簡稱標準熱電偶）和工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶（以下簡稱被檢熱電偶）捆扎后放入管式檢定爐，用雙極比較法在1100℃、1300℃、1500℃3個溫度點進行檢定[1]。分別計算算術平均值，最后得到被檢熱電偶在各溫度點的熱電勢值。

2.2 測量數學模型

不確定度分析檢定點測量結果的測量模型：

式中：

2.3 標準不確定度評定

主要不確定來源：測量重復性、標準熱電偶、電測設備、多路開關、參考端和爐溫變化等影響。

2.3.1 測量重復性引入的不確定度分量。測量重復性引入的不確定度分量，用A類方法進行評定。

在1100℃、1300℃、1500℃分別測得被檢熱電偶的10個重復性實驗數據，根據貝塞爾公式計算得：

2.3.2 標準熱電偶證書值引入的不確定度分量。標準熱電偶證書值引入的不確定度分量，用B類方法進行評定。一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶在1100℃、1300℃、1500℃3點的擴展不確定度為：，則標準不確定度為，1100℃、1300℃、1500℃3點對應的微分熱電勢分別為9.77μV/℃、10.87μV/℃、11.56μV/℃，則：

2.3.3 標準熱電偶年穩定性引入的標準不確定度分量。標準熱電偶年穩定性引入的標準不確定度，用B類方法進行評定。根據JJG 75-1995《標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶》檢定規程[2]，標準偶的年穩定性不應超過±12μV，按均勻分布考慮，取區間半寬度a=12μV，則標準不確定度為：

2.3.4 電測設備引入的標準不確定度分量。電測設備對被檢偶引入的標準不確定度分量，用B類方法進行評定。測量儀器納伏表允許基本誤差：±（3×10-5×讀數+4×10-6×量程）（100mV檔），區間半寬度a為（3×10-5×讀數+4×10-6×量程），按均勻分布考慮，[3]。鉑銠30-鉑銠6熱電偶在1100℃、1300℃、1500℃3個檢定點標稱熱電勢分別為：5.780mV、7.848mV、10.099mV，則：

2.3.5 測量回路寄生電勢引入的標準不確定度分量。測量回路寄生電勢引入的標準不確定度分量，用B類方法進行評定。規程JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》規定轉換開關各路之間最大寄生電勢之差小于0.4μV，實際設備滿足此要求，用0.4μV進行計算，認為均勻分布，，則：

2.3.6 熱電偶參考端引入的標準不確定度分量。熱電偶參考端引入的標準不確定度分量，用B類方法進行評定。規程JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》規定插入冰點恒溫器中的所有熱電偶的參考端和銅導線的接點相互溫差不超過0.05℃，實際工作中滿足此要求，用0.05℃進行計算。鉑銠30-鉑銠6熱電偶在0℃的微分熱電勢為-0.25μV/℃，溫差換算成電勢值為0.02μV，按均勻分布考慮，，則：

2.3.7 爐溫變化引入的標準不確定度分量。爐溫變化引入的標準不確定度分量，用B類方法進行評定。根據規程中雙極比較法的規定，爐溫變化小于0.1℃/min時開始測量，對標準偶和被檢偶的測量1min內可完成，即每次測量標準偶與被檢偶時爐溫變化不超過0.1℃，檢定爐溫度變化的區間半寬為0.1℃，認為均勻分布，，得，則：

2.4 合成不確定度

表2 標準不確定度匯總

合成標準不確定度為：

計算得1100℃、1300℃和1500℃溫度點的合成不確定度分別為：

通過塞貝克系數轉化為溫度，分別為：

表3 整百度點合成不確定度計算

2.5 擴展不確定度

3 計量標準器具不確定度的驗證

選取一支工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，經自檢測得數據后，送上一級法定計量機構檢定一組數據，檢定結果合格。其測得值如下：

表4 不確定度驗證數據

4 結束語

本文介紹了一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標準裝置的組成和工作原理，重點闡述了標準裝置不確定度評定過程，給出了一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標準裝置在（1100～1500）℃整百度點的擴展不確定度，并通過不確定度驗證證明了不確定度的正確性。