短型热电偶校准方法及测量不确定度分析

[摘要]从分析短型热电偶校准技术难点人手,梳理了近几年来行业内短型热电偶校准技术发展应用情况,研制的一套短型热电偶校准装置,开展了短型热电偶校准实验和测量结果不确定度分析,供有短型热电偶校准需求的单位参考。
引言
　　热电偶是两种不同材料的导体基于塞贝克效应制成的温度计,是温度测量领域中,应用最广泛的感温元件之一。
　　为了更好地开展好工厂短型热电偶校准工作,从分析短型热电偶校准技术难点人手,梳理了近几年来短型热电偶校准技术的发展应用情况,依托工厂计量站与国防科技工业电学--级计量站共同研制的一套短型热电偶校准装置,开展了短型热电偶校准实验和测量结果不确定度分析,供其他有共同需求的单位参考。
1短型热电偶校准存在的技术难点
　　根据热电偶测温理论,热电偶回路处于端温分别为和t0的温场中,其回路电动势EAB(t,t0)=E0,+△E,等式右边第一项为均质热电偶所产生的热电势,第二项为热电偶的不均质性引起的误差(寄生热电势),很显然不均质性和温度梯度共同作用才会产生寄生电动势,因此,热电偶在校准时,应将热电偶的感温头插人炉体最高温度点处,并且要有足够长的温坪。
　　选择一个合适的标准热源,是解决短型热电偶校准的关键。
2短型热电偶校准技术方法
2.1卧式检定炉法
　　用卧式检定炉校准短型热电偶的原理和方法与长型热电偶的校准方法相似,可采用双极比较法或同名极性分度法,校准原理图见图1。
 
　　由于炉体长度较短,被校热电偶的冷端受炉温的影响很大,需加接补偿导线才能提高校准结果可靠性,这种方法只能校准长度在200mm~700mm范围内的热电偶,也是国内采用较多的校准方法。
2.2干体炉法
　　对于长度小于200mm的短型热电偶,国内还没有定型的校准方法,也缺乏稳定可靠的国产校准装置。中国计量科学研究院、中航工业304研究所等单位选用国外厂家生产的干体炉,采用双极比较法开展了短型热电偶的校准研究,取得了令人满意的校准结果。
3解决工厂短型热电偶校准问题的思路和方法
3.1问题分析
　　工厂各型发动机试车台、部附件试验台上安装使用的航空用热电偶,长度为(150~250)mm,属于短型热电偶。300℃以下时,可放置在恒温油槽中,用二等标准铂电阻温度计作比对校准。但校准时油槽介质会对短型热电偶产生污染,导致绝缘强度降低,热电性能下降。300C以上时,因短型热电偶不能伸入到300mm检定炉的温场中心位置,不具备校准条件。
3.2解决思路和方法
　　依据问题分析,参考JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》、JJG668-1997《工作用铂铑10-铂(铂铑13-铂)短型热电偶检定规程》技术要求,提出了采用干体炉法开展短型热电偶校准的思路。
(1) 短型热电偶温度校准及干体炉温场保证
　　被测热电偶较短,目前市面上的卧式检定炉不.能满足计量的需求,短型热电偶只能在恒温油槽进行250℃以下温度的校准。在短型热电偶校准研制过程中,使用干体炉作为恒温源,其恒温温场较短,处于干体炉底部位置,短型热电偶的校准结果与被校准热.电偶插入深度和位置有很大关系。
　　解决措施:温度校准系统采用干体式计量炉、标准热偶、标准铂电阻配合使用,可解决短型热电偶的校准问题。
(2)自动化校准系统的设计
　　短型热电偶校准对人员要求较高,表现在准备工作时间较长,校准过程中等待温度恒定时间长,判定是否满足恒温要求对经验要求较高,数据处理繁琐复杂。
　　解决措施:编写自动控制软件,实现以下功能:允许在检定时中途(意外)退出,检定数据不丢失。能自.动判断被检偶、阻开路或损坏以及正负极。支持各种热电偶同炉混检。设有到温延时检定功能,延时时间可以自动或手动设置。时间可以任意增加或减少,这样进一步提高了热电偶检定数据的可靠性和准确性。
3.3试验数据及效果分析
　　分别选取了1只长度为160mmK分度1级铠装廉金属热电偶和1只长度为200mms分度I级贵金属热电偶作为被测,在该系统中进行了实验。
　　当被测热电偶插人深度大于计量干体炉(9173型)轴向均匀性、径向均匀性技术指标保证深度(100mm)时,测量结果受温度梯度场、温坪影响较小,校准情况较为满意。
4测量结果不确定分析
4.1校准方法
　　采用双极比较法,在干体炉中放置金属均热块(柱.状)。标准器使用-等标准铂铑1铂热电偶,被校热电偶为一支长160mm,精度等级1级,K分度铠装短型热电偶。两者分别插入均热块相邻孔位中,进行比较测量,测量标准热电偶和被校热电偶的热电动势值。
4.2测量模型
　　校准短型热电偶在某温度点上的热电动势值采用下式计算:
 
4.4标准不确定度分量的评定
　　以校准温度点为400℃为例。
4.4.1被校热电偶输入量`e`被引入的标准不确定度分量
　　输人量`e被的标准不确定度u(`e被),其来源有被校热电偶的测量重复性引人,电测设备测量误差引人,炉内均热块径向温场的不均匀性引人,炉温的波动性引人,转换开关寄生热电势引人,参考端温度不等于0℃引入,热电偶测量端热量损失引入。
4.4.2被校热电偶重复性测量引入的标准不确定度分量u1,A类方法评定。
　　用一支一等标准热电偶对被校热电偶在400℃进行测量,测得5组,每组10个重复性测量数据,用A类方法进行评定,合并样本标准偏差Sp1为:
 
4.4.3电测设备测量被校热电偶的测量误差引入的标准不确定度分量u2,B类方法评定。
　　电测设备为6^1/2位数字多用表,其测量值的误差按一年内的精度±(50×10^-6×测量值+35×10^-6×量程）计算对应校准点度数16.5mV,量程为(0~100)mV,读数误差为±4325μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为2.16μV,则标准不确定度分量
u2=216/√3=1.25μV
4.4.4均温块径向温场不均匀引入的标准不确定度分量u3,,B类方法评定。
　　校准时,由于炉内放置的均温块径向温场不均匀性,最大差值为0.5℃,换算成热电势值为20μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为10μV,则标准不确定度分量
U3=10/√3=5.77μV
4.4.5炉温波动性引入的标准不确定度分量u4,B类方法评定。
　　由经验可知,读数时,标准偶测得温场实际变化不超过3.0μV,以微分热电势9.567μV/℃计算(相当于0.31℃),再以微分电势42.24μV/℃计算,带来的误差为13.09uV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为6.55μV,则标准不确定度分量
U4=6.55√3=3.78μV
4.4.6转换开关寄生热电势引入的标准不确定度分量u5,B类方法评定。.
　　根据扫描开关的说明书可知,各路之间最大寄生电势不大于0.5μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为0.5μV,则标准不确定度分量
U5=0.5N√3=0.29μV
4.4.7参考端温度不等于0℃引入的标准不确定度分量u6,B类方法评定。
　　经过测量参考端不等于0℃,误差为±0.1℃,换算成热电势值为±394μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为3.94μV,则标准不确定度分量
u6=3.94/√3=2.27μV
4.4.8热电偶测量端热量损失引入的标准不确定度分量u7,B类方法评定。
　　根据经验测量端热量损失对热电偶示值的影响
　　不超过1.6℃,换算成热电势值为67.58μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为3379μV,则标准不确定度分量
U7=33.79/√3=19.51μV
由于各输人量彼此之间相互独立,则:
 
4.4.9标准热电偶分度计算e_标证引入的标准不确定度分量u(e_标证),B类方法评定。
　　根据证书值计算得出,标准热电偶在400℃校准温度点标准不确定度为
u(e标证)=3.63μV
4.4.10标准热电偶重复性测量引入的标准不确定度分量u(`e标),A类方法评定。.
　　标准热电偶测得5组,每组10个重复性测量数据,用A类方法进行评定,合并样本标准偏差Sp2为:
 
　　实际测量以4次测量值的平均值作为测量结果,
故u(`e补)=sp2/√4=040μV
4.4.11补偿导线示值误差引入的标准不确定度分量u(`e补),B类方法评定。
　　经过测量,K型补偿导线在50℃时,误差±0.5℃,换算成热电势值为20.62μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为20.62μV,则标准不确定度分量
u(e补)=20.62/√3=11.91μV
合成标准不确定度
　　各输人量之间相互独立,则合成标准不确定度为:
 
5结束语
　　通过上述实验数据分析,采用干体炉法开展短型热电偶校准工作,选配的系统装置技术指标满足预期要求。通过对测量结果不确定度评定,可明确影响测量结果不确定度的主要因素包括三个方面:温场稳定性及波动性,冷端补偿情况和测量重复性。