一等鉑銠10熱電偶校準(zhǔn)K型熱電偶測(cè)量不確

摘要:熱電偶是溫度測(cè)量中常用的傳感器之-一，被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量中。而K型熱電偶是常見的一種，對(duì)它的的校準(zhǔn)是采用比較法中的雙極法。本文詳細(xì)論述了用一等鉑銠10-鉑熱電偶校準(zhǔn)K型廉金屬熱電偶時(shí)不確定度評(píng)定的詳細(xì)過程，對(duì)校準(zhǔn)廉金屬熱電偶工作具.有一定的指導(dǎo)意義。
0引言
       熱電偶是溫度測(cè)量中常用的傳感器之一，它的種類有很多,其中常見的是K型熱電偶，它由正負(fù)兩極組成，正極是含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金。K型熱電偶不僅具有較大的熱電動(dòng)勢(shì),而且熱電動(dòng)勢(shì)的線性良好。另外K型熱電偶具有良好的穩(wěn)定性和均勻性,其抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格也相對(duì)便宜,因此被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)測(cè)量中。
       K型熱電偶的校準(zhǔn)是采用比較法中的雙極法，本文是用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶校準(zhǔn)K型熱電偶。先將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶套上保護(hù)管,然后將其與被校熱電偶捆扎,放置于檢定爐的同-.有效溫區(qū)處，并使標(biāo)準(zhǔn)與被校熱電偶的測(cè)量端處于同一個(gè)徑向截面上。將參考端置于冰瓶中,溫度由低到高的順序在各校準(zhǔn)點(diǎn)上用電測(cè)裝置分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與被校熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì),并將其進(jìn)行比較，計(jì)算其誤差或相應(yīng)熱電勢(shì)值。本文詳細(xì)論述了用一等鉑銠10-鉑熱電偶校準(zhǔn)K型廉金屬熱電偶時(shí)不確定度評(píng)定的詳細(xì)過程，對(duì)校準(zhǔn)廉金屬熱電偶工作具有一定的指導(dǎo)意義。
1概述
1.1校準(zhǔn)依據(jù)
JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》。
1.2校準(zhǔn)環(huán)境條件
溫度(23+5)C,相對(duì)濕度(45~75)%。
1.3測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其配套設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)
      一-等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶在鋅、鋁、銅三個(gè)凝固點(diǎn)溫度的總不確定度δ=0.6°C,k=3;0.005級(jí)數(shù)字多用表,在DC100mV以下其年最大允許誤差為MPE:土(0.0050%x示值+0.0035%量程)mV。
1.4被校對(duì)象及其技術(shù)參數(shù)
      2級(jí)工作用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,在(333~1200)C范圍內(nèi)最大允許誤差為MPE:+O.0075·t。
1.5校準(zhǔn)方法
采用比較法中的雙極法。
1.6測(cè)得值不確定度評(píng)定的適用范圍.
       本實(shí)例中不確定度的評(píng)定采用了合并樣本偏差.的方法，因此本次不確定度的評(píng)定結(jié)果適用于使用同一套計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在相同的條件下進(jìn)行測(cè)量示值基本相同的--組同類被測(cè)量。
2測(cè)量模型的建立
       在300%C以.上溫區(qū)，被校熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量模型為:

式中:
e被(t)-被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值,mV;
e_被一被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值,mV;
`e<sub>標(biāo)證</sub>一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書，上某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值,mV;
`e_標(biāo)一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某校準(zhǔn)溫度附近，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值,mV;
S_標(biāo)、S_被一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、被校熱電偶在某校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的微分熱電動(dòng)勢(shì),uV/℃;
e_補(bǔ)一補(bǔ)償導(dǎo)線修正值,mV。
3不確定度來源和不確定度分量評(píng)定
       被校熱電偶輸入量`e<sub>被</sub>被引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e_標(biāo)),其來源有被校熱電偶的測(cè)量重復(fù)性、數(shù)字多用表示值誤差、爐內(nèi)溫場(chǎng)不均勻、爐溫的波動(dòng)、轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)、參考端偏離0C、補(bǔ)償導(dǎo)線。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶引入的不確定度,其來源有示值誤差e_{標(biāo)證}和輸入量`e_標(biāo)的測(cè)量重復(fù)性等。
3.1被校熱電偶測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1
       用A類方法評(píng)定。對(duì)編號(hào)為R1#~R5"的5只被校熱電偶在400℃、600℃、800℃、1000℃四個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)分別獨(dú)立進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,獲得5組每組10個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp1以400℃為例，獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

3.2數(shù)字多用表示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2
      用B類方法進(jìn)行評(píng)定。在K型的熱電偶校準(zhǔn)過程中,數(shù)字多用表的使用范圍是DC100mV以下，在這個(gè)范圍內(nèi)，其年最大允許誤差為MPE:土(50×10^-6讀數(shù)+35×10^-6量程)。在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布，包含因子k=/3,由測(cè)得重復(fù)性數(shù)據(jù)的平均值可以求出數(shù)字多用表的示值誤差在各校準(zhǔn)點(diǎn)引入的不確定度分量u2結(jié)果見表3。

3.3爐內(nèi)溫場(chǎng)不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3,
       用B類方法進(jìn)行評(píng)定。爐內(nèi)溫場(chǎng)同一截面任意兩點(diǎn)的溫差絕對(duì)值不應(yīng)大于0.25℃，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布,包含因子h=/3,可以計(jì)算出在各溫度校準(zhǔn)點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，見表4。

3.4爐溫的波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4
       用B類方法評(píng)定。校準(zhǔn)時(shí)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的整個(gè)讀數(shù)過程,溫度的變化不得大于0.5℃，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布，包含因子k=√3,可以計(jì)算出在各校準(zhǔn)點(diǎn)爐溫的波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，見表5。

3.5轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5
       用B類方法進(jìn)行評(píng)定。轉(zhuǎn)換開關(guān)各路寄生電動(dòng)勢(shì)最大之差不應(yīng)超過±0.5uV,半寬為0.5uV,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布，包含因子k=√3,因此引入.的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

3.6參考溫度偏離0℃引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6
       用B類方法進(jìn)行評(píng)定。參考端恒溫器工作溫區(qū)變化不應(yīng)超過±0.1℃，以微分電動(dòng)勢(shì)39.45uV/℃計(jì)算，換算成熱電動(dòng)勢(shì)為3.945uV,半寬為3.945uV,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布，包含因子k=√3.故標(biāo)準(zhǔn)不確.定度為:

3.7標(biāo)準(zhǔn)熱電偶示值誤差e,_{標(biāo)證}在某校準(zhǔn)點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e_{標(biāo)證})
       用B類方法進(jìn)行評(píng)定。在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻.分布,包含因子k=/3,根據(jù)檢定證書查出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在各校準(zhǔn)點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值，并計(jì)算出其在各校準(zhǔn)點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e_{標(biāo)證})見表7。

3.8標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量重復(fù)性`e<sub>標(biāo)</sub>引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定.度u(`e_標(biāo))
       用A類方法進(jìn)行評(píng)定。用一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分別在各校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)得5組每組10個(gè)重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)，合并標(biāo)準(zhǔn)偏差得到sp2實(shí)際校準(zhǔn)工作中是以4次測(cè)量的平均值作為測(cè)得值，故u(`e_標(biāo))=sp1/4。其400℃點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表8。

       用同樣的方法獲得標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在其他校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算出測(cè)量重復(fù)性在各點(diǎn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(`e_標(biāo)),如表9所示標(biāo)

3.9補(bǔ)償導(dǎo)線引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e_補(bǔ))
      用B類方法進(jìn)行評(píng)定。經(jīng)測(cè)量,K型補(bǔ)償導(dǎo)線在30℃時(shí)誤差為土0.2℃，約為±8.45uV,半寬為8.45uV,按均勻分布考慮,包含因子h:=/3.則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
4確定度傳播公式及靈敏系數(shù)
       測(cè)量模型中各個(gè)輸入量的不確定度相互獨(dú)立，根據(jù)不確定度傳播律:

5標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表(見表11)


8結(jié)束語
       用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10－鉑熱電偶校準(zhǔn)2級(jí)K型熱電偶時(shí)，在(333～1000)℃范圍內(nèi)其最大基本誤差為MPE:±0.0075·t，可以計(jì)算出在400℃時(shí)MPE:±3℃、600℃時(shí)MPE:±4.5℃、800℃時(shí)MPE:±6℃、1000℃時(shí)MPE:±7.5℃。對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的不確定度評(píng)定結(jié)果均落在最大允許誤差的1/3～1/10內(nèi)，因此評(píng)定結(jié)果合理，可以用于指導(dǎo)日常2級(jí)熱電偶的校準(zhǔn)工作。