300℃以下廉金属热电偶的测量不确定度评定

摘要:按照JF1059.1-2012和J[G1637-2017的要求，以廉金属热电偶的校准为例，对测量结果的不确定度来源进行了分析，并对300℃以下廉金属热电偶示值误差的测量不确定度进行详细评定，从而得出了扩展不确定度。
0引言
      廉金属热电偶是一种重要的温度传感器，广泛应用于国防、科研、工业生产过程中。其特性的好坏和指示值的正确与否，直接关系到生产过程的控制和产品质量、安全防护和能源的损耗等情况。因此，必须按照国家校准规范对热电偶进行定期校准，根据误差大小来判断其是否满足现场工艺要求。
本文参照JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》和JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，以对2级E型廉金属热电偶在200℃点的校准为例，对其测量结果的不确定度来源进行了详细分析，并对示值误差的测量不确定度进行评定，从而提高廉金属热电偶现场测量值的可靠性，为廉金属热电偶的实际应用提供了参考。
1测量设备
1.1测量用标准设备
1)标准铂电阻温度计
      精度等级:二等，测量范围:(-189~420)℃。
2)数字多用表
      精度等级:MPE:DCV:±(37×10^-6读数+9×10^-6量程),OHM:±(52×10^-6读数+9×10^-6量程),测量范围:DCV:(0.01μV~10V)，0HM:(1μΩ~1kΩ)。
1.2测量环境
       温度(20±5)℃;相对湿度(45~75)%RH。
1.3被测对象
镍铬-铜镍热电偶，精度等级:2级，允许误差:±2.5C。
1.4测量方法
      依据JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》，采用比较法进行校准。校准时，将被校热电偶与标准温度计置于恒温槽中，被校热电偶测量端与标准温度计感温点置于有效工作区域的同--水平位置,插入深度应不小于200mm;恒温槽恒定在被校准点上，温度偏离校准点不得超过±1℃，温度变化每分钟不超过0.2℃，读取标准和被校温度计读数，得出温度计的测量误差"。
2测量模型
300℃以下校准点的热电偶(参考端为0.0C时)示值误差的测量模型:

式(1)中:`е<sub>被</sub>一被校热电偶在某校准点温度附近测得的热电动势算术平均值，mV。
e<sub>分</sub>一被校热电偶分度表上查得的某校准点温度的热
电动势值，mV。
e<sub>补</sub>一被校热电偶补偿导线修正值，mV。
t<sub>检</sub>一校准点温度，℃。
t<sub>实</sub>一二等标准铂电阻温度计的实际温度，℃。
S<sub>被</sub>一被校热电偶在某校准点温度的微分热电动势值，μV/℃。
3灵敏系数
灵敏系数:c1=1,c2=1。
4不确定度来源分析
      用比较法，对廉金属热电偶进行校准。在校准过程中，根据其测量方法，可分析得知廉金属热电偶的测量不确定度的来源主要有以下两个方面。
4.1输入量Δt1引入的标准不确定度u(Δt1)
      由输人量Δt1引人的不确定度主要是因被校热电偶引人的，有以下几个来源:被校热电偶测量的重复性误差，电测设备的测量误差，转换开关寄生热电势，标准恒温槽温场分布的不均匀性和波动性，参考端温度不均匀性，以及补偿导线修正值等方面。
4.2输入量Δt2引入的标准不确定度u(△t)
      由输入量Δt2引人的不确定度主要有以下几个来源:二等标准铂电阻温度计的测量误差和周期不稳定性，电测设备的测量误差以及转换开关寄生热电势。
5评定标准不确定度
      以一支2级E分度的热电偶，校准点:200℃(微分电动势74.03μV/℃)为例，评定各分量的标准不确定度。
5.1输入量At,引入的标准不确定度u(Δt1)
5.1.1重复测量引入的标准不确定度u11，用A类方法进行评定
      在200℃时对被校热电偶进行n=10次重复测量，测得结果为xi(单位mV):13.4429、13.4411、13.4431、13.4434、13.4425、13.4426、13.4418、13.4433、13.4427、13.4419,平均值`x:=13.4425mV。则实验室标准偏差为:

5.1.2电测设备引入的标准不确定度u12，用B类方法进行评定
      校准热电偶使用的电测设备是KEITHLEY2010型数字多用表，它的一-年内的精度为±(37x10^-6读数+9×10^-6量程)，按对应校准点，读数取13.421mV,量程100mV,误差则为土1.39μuV。按均匀分布考虑，包含因子k=√3，半宽为1.39uV。则标准不确定度为:
            
5.1.3转换开关寄生热电势引入的标准不确定度u₁₃,用B类方法进行评定
      由JJF1098--2003《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》可知，工作偶系统转换开关寄生热电势≤0.5μV。按均匀分布考虑，半宽为0.5μV,包含因子k=√3。则标准不.确定度为:
  
5.1.4标准恒温槽温场分布不均引入的标准不确定度u14，用B类方法进行评定
      根据校准规范要求，标准恒温槽工作区域内任意两点最大温差不超过0.1℃。按均匀分布考虑，半宽为0.05℃,包含因子k=√3。则标准不确定度为:

5.1.5标准恒温槽温度波动引入的标准不确定度μ15,用B类方法进行评定
      根据校准规范要求，读数过程中，恒温槽温度变化不超过0.2℃。按均匀分布考虑，半宽为0.1℃，包含因子k=√3。则标准不确定度为:

5.1.6参考端温度不均引入的标准不确定度u16，用B类方法进行评定
      经测量参考端不为0℃，误差为0.05℃。按均匀分布.考虑，半宽为0.05℃，包含因子k=√3。则标准不确定度为:

5.1.7补偿导线引入的不确定度u17，用B类方法进行评定
      经查阅资料，补偿导线在30℃时，误差为+0.2℃。按均匀分布考虑，半宽为0.2℃，包含因子k=√3。则标准不确定度为:.

5.1.8标准不确定度u(△t)的合成
      输入量Δt1的标准不确定度u(Δt1)由以上7个分量合成得到，不确定度分量间不相关，则合成的标准不确定度为:

5.2输入量Az2引入的标准不确定度u(△t2)
5.2.1标准铂电阻温度计引入的不确定度ug1，用B类方法进行评定
      由国家量值传递表可知，二等标准铂电阻温度计的不确定度最大值为20mK,即0.02℃,按均匀分布考虑,包含因子k=2.58。则标准不确定度为:

5.2.2标准铂电阻稳定性引入的标准不确定度Uu22，用B类方法进行评定
      由JJG160--2007《标准铂电阻温度计检定规程》可知,二等标准铂电阻Rtp的周期稳定性为10mK。按均匀分布考虑，半宽为0.01℃，包含因子k=√3。则标准不确定度为:

5.2.3由电测仪器示值误差引入的标准不确定度U23,用B类方法进行评定
      本次测量采用的是2010型七位半数字多用表，查其说明书，可知数字多用表年允许基本误差为±(量程×0.0009%+读数×0.0052%)，则不确定度区间半宽为1000Ω×0.0009%+45.49120×0.0052%=0.0027Ω，按均匀分.布考虑，包含因子k=√3。则标准不确定度为:

5.2.4转换开关寄生热电势引入的标准不确定度u24,用B类方法进行评定
      由JJF1098--2003《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》可知，工作阻系统转换开关寄生热电势≤0.4μV。通过热电阻的电流不大于1mA,合电阻0.4mΩ，换算为温度:

5.2.5标准不确定度u(Δt2)的合成
      输人量Or2的标准不确定度u(Δt2)由以上4个分量合成得到，不确定度分量间不相关，则合成的标准不确定度为:

6标准不确定度分量汇总表
     廉金属热电偶(E型)在200C时标准不确定度分量汇总表见表1。

7合成标准不确定度
      由于各不确定度之间相互独立，所以合成标准不确定度为:

8扩展不确定度的评定
      取包含因子k=2，则扩展不确定度为:

9结束语
      根据廉金属热电偶校准规范，其他温度段和分度号的热电偶校准所用的测量方法和标准设备基本相同，可按照上述方法，对其他温度段和分度号的廉金属热电偶测量不确定度进行评定。
本文通过对2级E分度热电偶在200℃点的示值误差的测量不确定度进行分析评定，300℃以下廉金属热电偶测量示值误差的最主要的不确定度来源在于补偿导线引人的不确定度分量，这也是日常校准时容易忽视的方面。在实际工作中，应配齐相应型号的补偿导线，并定期校准，并加以修正值使用来减小测量不确定度。同时应注意补偿导线的正确使用:使用长度约500mm;校准时，补偿导线的正、负极性不得接反等;补偿导线的一端一定要连接被校热电偶信号输出端(或信号输出端引线)，另一端与铜导线连接后，再均匀地插人冰点恒温器内等。