短型廉金屬熱電偶測量不確定度評定

摘要:短型廉金屬熱電偶在工業生產中廣泛使用，其主要應用在設備控溫和溫度場的測量，熱電偶在使用一段時間后，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的最大允許誤差，所以要定期對短型偶進行校準。通過對短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度分析和評定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準方法中影響較大的因素，通過改進測量設備和校準方法提高減小測量不確定度。評定所得的擴展不確定度可以作為日常使用的依據。
       短型廉金屬熱電偶是一類電極長度約為300～500mm的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長度約為300～500mm的廉金屬鎧裝熱電偶的統稱，工作用廉金屬熱電偶(以下簡稱短型偶)在工業生產中廣泛使用，其主要應用在設備的控溫和溫度場的測量。短型偶的構成主要是兩種不同材質的合金材料，一般使用在高溫、氧化、還原、化學污染等環境［1］，在經過一段時間的使用后，電極的污染和老化造成自身分度值表的漂移，所以要定期對短型偶進行校準。
       通過對短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度分析和評定，得到各輸入量的不確定度分量，可以分析出短型偶校準方法中影響較大的因素，通過改進測量設備和校準方法提高減小測量不確定度。評定所得的擴展不確定度可以作為日常使用的依據。
1測量條件
1.1適用范圍
       測量范圍為－40～1000℃［2］，電極長度約為300～500mm［3］的可拆卸式廉金屬熱電偶和金屬套管長度約為300～500mm［4］的廉金屬鎧裝熱電偶的示值偏差的校準。
1.2環境條件
       電測設備及其他配套設備工作的環境溫度和相對濕度應符合相應規定的要求;恒溫設備工作的環境應無影響校準的氣流擾動和外電磁場的干擾。故環境溫度一般為(23±5)℃，環境濕度一不大于75%ＲH。
1.3測量標準和配套設備
       測量所使用的測量標準和配套設備如表1所示［5］。

2測量方法
2.1評定方法
       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。測量標準使用二等標準鉑銠10－鉑熱電偶，被校熱電偶為一支長度為300mm的2級N型可拆卸式短型偶。將兩者插入均溫塊中，通過比較測量標準和被校熱電偶的熱電動勢值，測得該支短型偶在某個校準溫度點上的示值偏差［6］。不確定度分析評定過程以1000℃為例。

2.2測量模型
       校準短型熱電偶在某溫度點上的熱電動勢值采用式(1)計算:
Δe被(t)=`e被(t)+［e標證(t)－`e標(t)］·S被(t)/S標(t)+e補－e分(1)
       式中:Δ`e被(t)為被校熱電偶示值偏差的熱電動勢值，mV;e被(t)為被校熱電偶在某校準溫度點附近測得的熱電動勢算術平均值，mV;e標證(t)為標準熱電偶證書上某校準溫度點的熱電動勢值，mV;`e標(t)為 標準熱電偶在某校準溫度點附近測得的熱電動勢算術平均值，mV;S標(t)為標準熱電偶在某校準溫度點上的微分熱電動勢，mV/℃;S被(t)為被校熱電偶在某校準溫度點上的微分熱電動勢，mV/℃;e補補償導線修正值，mV;e分為被校熱電偶分度表上查得的某校準溫度點的熱電動勢值，mV。
2.3合成方差和靈敏系數

3標準不確定度分量的評定
        輸入量`e被(t)引入的標準不確定度u(`e被)，其來源有:被測熱電偶的重復性測量引入，電測設備測量誤差引入，爐內均熱塊徑向溫場不均勻性引入，爐溫波動性引入，轉換開關寄生熱電勢引入，參考端溫度不等于0℃引入，熱電偶測量端熱量損失引入。
輸入量e標證(t)引入的標準不確定度u(e標證)，其來源有:標準熱電偶分度計算e標證引入。
輸入量`e標(t)引入的標準不確定度u(`e標)，其來源有:標準熱電偶年不穩定性引入。
輸入量e補引入的標準不確定度u(e補)，其來源有:補償導線示值偏差引入［7］。
3.1標準不確定度u(`e被)的評定
3.1.1被校熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u(`e被1)
       用一支二等標準熱電偶對被校熱電偶在1000℃進行測量，測得5組，每組10個重復性測量數據，計算每組試驗標準偏差Si，用A類方法進行評定［8］，合并樣本標準偏差Sp為

3.1.2電測設備測量被校熱電偶的測量誤差引入的標準不確定度分量u(`e被2)
       B類方法評定，電測設備為6位半數字多用表，其測量值的誤差按一年內的最大允許誤差±(50×10<sup>－6</sup>×測量值+35×10<sup>－6</sup>×量程)計算，對應校準點讀數取36.256mV［9］，量程為0～100mV，讀數誤差為±5.313μV。
按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為5.31μV，則標準不確定度分量:
u(`e被2)=3.07μV
3.1.3檢定爐內均溫塊徑向溫場不均勻引入的標準不確定度分量u(`e被3)
        B類方法評定，校準時檢定爐配置杯狀均溫塊使用。根據實驗可知，均溫塊同一截面任意兩點的溫差絕對值不大于0.5℃，換算成熱電勢值為19.30μV［10］。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為9.65μV，則標準不確定度分量
u(`e被3)=5.57μV
3.1.4爐溫波動性引入的標準不確定度分量u(`e被4)
        B類方法評定，由經驗可知，讀數時標準熱電偶測得溫場實際變化不超過±3.0μV，以微分電勢11.54μV/℃計算(相當于±0.26℃)，再以微分電勢38.61μV/℃計算，給被測熱電偶帶來的誤差為±10.04μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為10.04μV，則標準不確定度分量:
u(`e被4)=5.80μV
3.1.5轉換開關寄生熱電勢引入的標準不確定度分量u(`e被5)
       B類方法評定，根據掃描開關的說明書可知，各路之間最大寄生電勢不大于0.5μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為0.5μV，則標準不確定度分量:
u(`e被5)=0.29μV
3.1.6參考端溫差引入的標準不確定度分量u(`e被6)
       B類方法評定，根據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線的接點溫差為±0.1℃，換算成熱電勢值為±2.62μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為2.62μV，則標準不確定度分量:
u(`e被6)=1.51μV
3.1.7補償導線示值偏差引入的標準不確定度分量u(`e被7)
        B類方法評定，根據實驗校準溫度點為1000℃時，根據實驗數據所得，測量端熱量損失對熱電偶示值的影響為1.08℃，換算成熱電勢值為41.70μV。按均勻分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為20.85μV，則標準不確定度分量:
u(`e被7)=12.04μV
3.1.8合成標準不確定度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標準不確定度u(e標證)的評定
        B類方法評定，根據證書值計算，二等標準鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃校準溫度點的標準不確定度為:
u(e標證)=4.52μV
3.3標準不確定度u(`e標)的評定
       B類方法評定，根據JJG75—1995，使用中的二等標準鉑銠10-鉑熱電偶的年穩定性不大于±10μV。按照正態分布考慮，包含因子k=/3，取半寬區間為10μV，則標準不確定度分量:
u(`e標)=3.33μV
3.4標準不確定度u(e補)的評定
B類方法評定，補償導線的示值偏差校準結果的擴展不確定度為U=0.25℃，k=2，則標準不確定度分量:
u(e補)=0.125℃(相當于3.47μV)。
4評定結果
4.1合成標準不確定度
       各輸入量之間相互獨立，則合成標準不確定度為:

4.2擴展不確定度
U=k·uc
U(1000℃)=48.52μV，k=2(相當于1.26℃)。
4.3擴展不確定度的表示
       根據以上不確定度分析評定過程，評定出2級N型短型偶其他各校準溫度點的擴展不確定度。采用CMC范圍表示［11］，如表2所示。

5結論
       由評定結果可知，短型廉金屬熱電偶校準結果的不確定度各個分量中較大的有三個，分別為:標準熱電偶分度引入;標準熱電偶年穩定性引入;熱電偶測量端熱量損失引入。其中由于計量檢定系統表的規定，“標準熱電偶分度引入”這一因素無法避免，只能按照技術法規的要求選擇相應的標準器。“標準熱電偶年穩定性引入”這一因素，可以通過縮短送檢周期和定期對標準熱電偶進行期間核查以減小這一分量。各個分量中，以“熱電偶測量端熱量損失引入”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的難題，要減小這一分量的引入，需要在硬件設備上進行研究。可在保證恒溫性能的基礎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。