短型廉金屬熱電偶校準(zhǔn)方法研究及不確定度評(píng)定

摘要:本文探討了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統(tǒng)的短型廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)方法.分析了校準(zhǔn)項(xiàng)目,校準(zhǔn)用設(shè)備,標(biāo)準(zhǔn)器選擇和數(shù)據(jù)處理的具體要求,并通過(guò)一個(gè)K型熱電偶的校準(zhǔn)案例，描述了校準(zhǔn)過(guò)程,給出了校準(zhǔn)結(jié)果,最后進(jìn)行了校準(zhǔn)的不確定度來(lái)源分析和評(píng)定。
0引言
　　工作用廉金屬熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中重要的溫度測(cè)量工具,其具有造價(jià)低,溫度范圍寬,測(cè)量精度高,測(cè)量穩(wěn)定性好,量值易測(cè)、易傳輸監(jiān)控等優(yōu)秀使用特性,得到廣泛應(yīng)用。
　　為適應(yīng)不同生產(chǎn)條件的溫度測(cè)量需求，在石油工業(yè)中短型廉金屬熱電偶(長(zhǎng)度小于750mm)也得到了廣泛使用,但各類(lèi)國(guó)家、地方及行業(yè)計(jì)量檢定規(guī)程并未對(duì)該短型熱電偶的檢定方法和要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)規(guī)定,為保證該類(lèi)熱電偶的溫度測(cè)量性能滿(mǎn)足量值溯源要求和實(shí)際生產(chǎn)需求,我們參考了國(guó)家JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》和JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑/鉑銠13-鉑短型熱電偶檢定規(guī)程》的相關(guān)要求,結(jié)合生產(chǎn)工藝對(duì)溫度測(cè)量的具體要求,根據(jù)國(guó)家計(jì)量法和計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫(xiě)規(guī)定要求研究了滿(mǎn)足我單位短型熱電偶校準(zhǔn)要求的校準(zhǔn)測(cè)試方法。
　　本文即描述了基于CST4001全自動(dòng)溫度檢定系統(tǒng)，分度號(hào)為K型的短型熱電偶的校準(zhǔn)方法,并進(jìn)行了不確定度評(píng)定,供具有同類(lèi)需求的工作單位參考。
1短型廉金屬熱電偶
1.1熱電偶簡(jiǎn)介
　　熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件,它直接測(cè)量溫度,并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),通過(guò)二次儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。
　　熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì),這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。
　　常見(jiàn)的工作用廉金屬熱電偶可以分為四類(lèi)，分別是:K型鎳鉻-鎳硅熱電偶、N型鎳鉻-鎳硅熱電偶、E型鎳鉻-銅鎳熱電偶J型鐵-銅鎳熱電偶,簡(jiǎn)稱(chēng)K、N、E、J型熱電偶。
1.2短型廉金屬熱電偶
　　根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》的規(guī)定,總長(zhǎng)度大于350mm,小于750mm的廉金屬熱電偶可以接上補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)至總長(zhǎng)度大于750mm后整體檢定,JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑/鉑銠13-鉑短型熱電偶檢定規(guī)程》規(guī)定規(guī)程適用于長(zhǎng)度在200mm~700mm的兩類(lèi)貴金屬熱電偶的檢定,最終確定本校準(zhǔn)方法適用于長(zhǎng)度為200mm~350mm的廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)。
 
2校準(zhǔn)方法
2.1校準(zhǔn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)器
　　短型廉金屬熱電偶校準(zhǔn)基于一般廉金屬熱電偶:二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶2支,熱電偶檢定系統(tǒng)1套,配冷端恒溫箱、短型熱電偶檢定爐，相應(yīng)型號(hào)的冷端補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)(長(zhǎng)度大于600mm),鋼卷尺和游標(biāo)卡尺等。
　　與一般熱電偶檢定主要不同點(diǎn)為檢定爐的要求。由于短型廉金屬熱電偶長(zhǎng)度僅為200mm~350mm,不能使用一般熱電偶檢定規(guī)程的長(zhǎng)度為600mm臥式熱電偶檢定爐,參考短型貴金屬熱電偶檢定規(guī)程的要求為廉金屬熱電偶的校準(zhǔn)配置長(zhǎng)度300mm，內(nèi)徑40mm的短型臥式檢定爐，且保證其有效溫場(chǎng)區(qū)間達(dá)到300~1100%。
2.2校準(zhǔn)項(xiàng)目和要求
2.2.1外觀檢查
　　短型熱電偶的外觀檢查參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》的要求,新制熱電偶的電極應(yīng)平直、無(wú)裂痕、直徑應(yīng)均勻,使用中的熱電偶不應(yīng)有嚴(yán)重的腐蝕和明顯的縮徑等缺陷。
2.2.2溫度測(cè)量值
　　校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的選擇,根據(jù)被校準(zhǔn)熱電偶的測(cè)溫量程參考JJG351-1996<《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》的檢定點(diǎn)要求進(jìn)行選擇,溫度偏差校準(zhǔn)過(guò)程、接線(xiàn)和測(cè)量讀數(shù)方法均參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》的檢定要求進(jìn)行。
2.3數(shù)據(jù)處理
　　由于短型熱電偶的測(cè)量,校準(zhǔn)設(shè)備,使用環(huán)境要求均較低,短型熱電偶的測(cè)量正確性與同分度號(hào)、同等級(jí)的一般熱電偶相比偏低,校準(zhǔn)后給出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、修正值、最大溫度偏差點(diǎn)的不確定度和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)有效期。
3校準(zhǔn)案例
3.1校準(zhǔn)過(guò)程
3.1.1被校準(zhǔn)熱電偶檢查和參數(shù)
　　分度號(hào):K型;熱電偶實(shí)際長(zhǎng)度:210mm;熱電偶直徑:1.0mm;溫度范圍:300C~1100℃;制造廠家:無(wú);編號(hào):無(wú)。
　　熱電偶絲外觀檢查符合要求。
3.1.2校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)儀器的檢查和設(shè)備調(diào)試
　　本次校準(zhǔn)基于CST4001全自動(dòng)溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制柜、臥式檢定爐、冷端恒溫箱等部分組成,可實(shí)現(xiàn)熱電偶自動(dòng)檢定和數(shù)據(jù)采集功能。
配置了一臺(tái)長(zhǎng)度300mm,內(nèi)徑40mm的短型臥式檢定爐，其有效溫場(chǎng)為300~1200℃。
　　為保證校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性,我們參考JJG351-1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》中臥式檢定爐的溫場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)該套校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行了溫場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示該檢定爐幾何中心-30mm~30mm軸向溫差最大值為0.40℃,-15mm~15mm徑向溫差最大值為0.22℃,其溫場(chǎng)均勻性符合廉金屬熱電偶檢定規(guī)程中對(duì)檢定設(shè)備的要求。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻采用北京康斯特生產(chǎn)的編號(hào)S12-1-08一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。
3.1.3校準(zhǔn)
　　將被校準(zhǔn)熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶綁好后放置在檢定爐內(nèi),由于使用的檢定爐長(zhǎng)度僅為300mm,根據(jù)測(cè)試結(jié)果其有效溫場(chǎng)區(qū)間長(zhǎng)度為幾何中心附近土30mm之內(nèi),在放置熱電偶時(shí)要確保熱電偶測(cè)溫末端的放置位置正確。
補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的連接
　　由于被校準(zhǔn)的熱電偶長(zhǎng)度僅為210mm,必須適用冷端補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行延長(zhǎng)，連接補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)后與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻末端一同放置在專(zhuān)用冷端恒溫箱內(nèi)，以確保冷端溫場(chǎng)穩(wěn)定性。
　　選取400℃,600℃和800℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),為便于進(jìn)行不確定度評(píng)定,每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量6次，系統(tǒng)設(shè)置好后自動(dòng)控溫和數(shù)據(jù)采集。
3.2校準(zhǔn)結(jié)果
　　數(shù)據(jù)采集經(jīng)整理如下:
　　環(huán)境溫度:29.6℃,相對(duì)濕度:54.9%RH。
 
3.3不確定度評(píng)定
3.3.1測(cè)量模型
　　根據(jù)熱電偶的測(cè)溫原理，熱電偶在300℃以上熱電動(dòng)勢(shì)誤差的測(cè)量模型為:
 
式中:`e標(biāo)、`e被--標(biāo)準(zhǔn)、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下,測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算數(shù)平均值;
e標(biāo)-標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢(shì)值;
e分-被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢(shì)值;
S標(biāo)S數(shù)一標(biāo)準(zhǔn)、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的微分熱電動(dòng)勢(shì)。
600℃時(shí)溫度系數(shù)的傳遞函數(shù)為:
 
3.3.2不確定度評(píng)定
　　通過(guò)分析,本次校準(zhǔn)的不確定度包括三類(lèi):測(cè)量設(shè)備帶來(lái)的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的不確定度，測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度:
(1)檢定爐的溫場(chǎng)均勻性帶來(lái)的不確定度ub1根據(jù)檢定爐溫場(chǎng)測(cè)試證書(shū),軸向溫差最大值為0.40℃，徑向溫差最大值為0.22℃,取均勻分布,得:
 
(2)檢定溫場(chǎng)系統(tǒng)的溫場(chǎng)波動(dòng)性帶來(lái)的不確定度Ub2
　　根據(jù)檢定規(guī)程要求和實(shí)際設(shè)定值,其溫場(chǎng)最大波動(dòng)值為±0.25℃,取均勻分布,計(jì)算得:
 
(3)測(cè)量設(shè)備多路掃描裝置帶來(lái)的不確定度ub3
　　根據(jù)檢定證書(shū),多路掃描裝置的測(cè)量不確定度為0.08μV,計(jì)算得;
ub3=0.08μVXC2x10^-3=0.001℃
(4)測(cè)量設(shè)備數(shù)字多用表帶來(lái)測(cè)量不確定型ub4
根據(jù)檢定證書(shū),數(shù)字多用表在100mV檔位時(shí)的相對(duì)測(cè)量不確定度為urel=1.4×10-5,k=2,計(jì)算得:
 
(5)測(cè)量過(guò)程中使用的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)帶來(lái)的不確定度ub5
　　根據(jù)規(guī)程中規(guī)定的熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的技術(shù)要求，用于檢定的熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)在100℃以?xún)?nèi)最大允許誤差為±0.2℃,取均勻分布,計(jì)算得:
Ub5=0.2/√3=0.115℃
(6)冷端鉑電阻的測(cè)量誤差帶來(lái)的不確定度ub6
　　測(cè)量中使用四線(xiàn)制A級(jí)工業(yè)鉑熱電阻Pt100進(jìn)行冷端恒溫箱的溫度測(cè)量,其在最大允許誤差為±(0.150℃+0.0021t1),則其在30℃時(shí)的測(cè)量允許誤差為±0.21℃,取均勻分布,計(jì)算得:
ub6=0.21/√3=0.121℃
(7)標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的不確定度:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶帶來(lái)的不確定度ub7
　　規(guī)程規(guī)定一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的穩(wěn)定性為±0.5μV,取均勻分布,計(jì)算得:
Ub7=0.5xc2/√3=0.007℃
(8)測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度ua
　　根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),測(cè)量次數(shù)為6次,采用貝塞爾公式法計(jì)算測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度,單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:
 
　　實(shí)際測(cè)量時(shí),取6次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果,計(jì)算得測(cè)量結(jié)果的不確定度分量為:
 
　　最終計(jì)算的，本次校準(zhǔn)的測(cè)量擴(kuò)展不確定度為U=0.7℃,k=2。
4結(jié)束語(yǔ)
　　根據(jù)不確定度評(píng)定結(jié)果,該設(shè)備計(jì)量性能符合校準(zhǔn)要求。
　　分析測(cè)量結(jié)果和不確定度評(píng)定過(guò)程,得出影響測(cè)量結(jié)果精度的主要因素為三個(gè)方面:溫場(chǎng)穩(wěn)定性及波動(dòng)性冷端補(bǔ)償和測(cè)量重復(fù)性。
　　由于短型熱電偶檢定爐的溫場(chǎng)特性較差,在檢定時(shí)要特別注意以下幾點(diǎn):.
1.正確進(jìn)行冷端補(bǔ)償,補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)保證足夠的長(zhǎng)度,確保延長(zhǎng)后總長(zhǎng)度大于750mm,補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶絲的連接應(yīng)緊密。
2.正確捆綁和放置被檢、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，由于短型熱電偶檢定爐的均勻溫場(chǎng)區(qū)間較小,在捆綁時(shí)確保標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶的末端對(duì)其,并盡量放置在爐膛幾何中心。
3.確保溫場(chǎng)穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)必須將補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)末端、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量端和冷端測(cè)量鉑電阻放置在冷端恒溫箱內(nèi),確保由恒溫箱、檢定爐組成的溫場(chǎng)的溫度穩(wěn)定性在進(jìn)行短型熱電偶校準(zhǔn)及編制規(guī)范規(guī)范時(shí)可參考此方法。