一等标准铂铑10-铂热电偶测量结果的不确定度

摘要:介绍了建立用热电偶标准组检定铂铑10_铂热电偶的数字模型,并分析了一等标准铂铑10-铂热电偶在三个固定点测量过程中的不确定度来源,并对测量结果进行了不确定评定。
1测量原理
　　热电偶是利用热电动势与温度之间具有的一定函数关系进行温度测量的,函数式为:
EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)
当t0=0℃时:EAB(t,t0)=EAB(t)+常数
　　由此可知，热电偶的热电动势大小和方向只与两种金属材料的特性和工作端温度有关,而与热电极的粗细无关,当工作端温度变化时,热电动势也随着变化,利用这种关系即可测量出温度。
测量结果的计算公式:E被(t)=E标证(t)+△e(t)
　　式中:E被(t)-被检热电偶在固定点上的热电动势值,mV;E标证(t)一标准热电偶证书中固定点上的热电动势值,mV;△e(t)-分度时测得的被检和标准热电偶的热电动势平均值的差值,mV。
2数学模型
　　根据JJG75-1995《标准铂铑10-铂热电偶》检定规程,用同名极法分度时，被检热电偶在各固定点上的热电动势采用下式计算:△e(t)=`E数(t)-`E整(t)
数学模型:D=Y1-Y2
灵敏系数:c1=1C2=1
知:u²₂(xi)=c1u²₁+c2u²₂经
3测量不确定度来源
(1)热电偶的复现性及分散性带来的不确定度;
(2)热电偶的年稳定度带来的不确定度;
(3)标准器带来的不确定度;
(4)电测设备在测量时带来的不确定度;
(5)分度过程中热电偶参考端带来的不确定度;
(6)转换开关寄生电势带来的不确定度;
(7)标准器及被检热电偶的不均匀性带来的不确定度。
3.1热电偶的复现性及分散性带来的不确定度
　　测量中的不确定度包含了热电偶的短期复现性和热电偶分度炉温场不均匀带来影响及热电偶冷端的变化等因素的共同作用使得多次测量具有分散性。现以各个固定点的短期复现性作为A类标准不确定度。
　　一等标准热电偶通常用两支标准组热电偶进行两次铜点重复测量,每支测量次数不少于四次,最后测量值取两次8组数据的平均值作为最终的测量结果。
 
3.2热电偶年稳定度的标准不确定度u1
　　一等标准热电偶铜固定点一年内最大变化值为4μV,按铂铑热电偶变化规律,在铝点最大变化值为3.0μV,在锌点最大变化值为2.2μV,随使用时间的长短.而不同,符合三角分布k=√6。在铜、铝、锌固定点热电偶年稳定度的标准不确定度为:
U1(Cu)=4/√6=1.63uV
U1(AI)=3.0/√6=1.22μV
U1(Zn)=2.2/√6=0.90uV
　　它为B类,可靠程度为90%,于是其自由度为:
 
3.3分度装置中标准器带来标准不确定度u2
　　根据量值传递系统表得知,由标准器带来标准不确定度为:
u2(铜)=0.4/2.85x12=1.68μV
u2(铝)=0.3/2.85x10=1.10pV
u2(锌)=0.3/2.85x10=1.10μV
符合t分布为B类,自由度为:Y2(铜)=γ2(铝)=γ2(锌)=100
3.4电测设备引起的不确定度u3
　　根据检定规程,检定一等标准热电偶时,需配备测量精度不低于1x10^-4,分辨力不低于0.1μV的电测设备。
　　现检定中使用的电测设备为71/2数字电压表,分辨力为0.01μV。
u3=[0.004%x铜点读数+0.0004%x量程]√3=[4x10.575x10^-5+4x10^-6x100]√3=0.48μV
　　按均匀分布，可靠程度为90%,为B类,其自由度
 
3.5不均匀性带来的不确定度u4
　　标准器和被检热电偶的测量端的温差及因捆扎所产生的标准与被测热偶工作端接触差异以及热偶在管状炉工作温场中放置的不重复性引起的。由于热电偶在分度测量时是处于一个有温度梯度的温场中,因此热电偶的不均匀性会在有温差的地方产生-一个测量结果变化不大于1.5pV热电势值。
u4=1.5/3=0.50μV
　　为正态分布，可靠程度为80%,为B类,其自由度为:ϒ4=12
3.6热电偶参考端的影响引起的不确定度us
　　分度装置使用的冰瓶中,冰水混合物种的杂质以及测量导线与热电偶参考端接触附加电势都会对测量产生一定的影响。由检定规程:插人冰点恒温其中的所有热电偶的参考端和铜导线接点温差≤0.05℃或(0±0.04)℃。
U5=0.05x12√3=0.35μV
　　为均匀分布,可靠程度为80%,为B类,其自由度为:ϒ5=12
3.7转换开关寄生电势带来标准不确定度u6
　　由于在热电偶测量时被测热电偶的测量是通过转换开关与电测设备相连,因此转换开关的寄生电势会直接附加在被测热电偶的热电势上,按检定规程要求转换开关最大寄生电势≤0.4μV
u6=0.4/√3=0.23pV
　　为均匀分布,可靠程度为80%,为B类,其自由度为ϒ6=12
3.8标准不确定度一览表
 
5扩展不确定度
　　由U95=k×uc,得:P=95,ϒ=100,k=1.98
U(Cu)=1.98×2.47=4.89μV(相当于0.41℃)
U(AI)=1.98×1.82=3.60pV(相当于0.35℃)
U(Zn)=1.98×1.62=3.21μV(相当于0.33℃)
6测量不确定度的报告与表示
　　等标准铂铑10-铂热电偶在三固定点热电动势得分度结果的扩展不确定度为:
铜点:U95=4.89μV(k=1.98)(相当于0.41℃)
铝点:U95=3.60μV(k=1.98)(相当于0.35℃)
锌点:U95=3.21μV(k=1.98)(相当于0.33℃)