热电偶检定炉温场测量不确定度评定

摘要参照国家计量技术规范,基于实际工作情况对各型热电偶检定炉、退火炉温场测量的不确定度进行了分析和评定,给出了S型贵金属偶炉(包括工作用和标准)、廉金属偶炉、退火炉和B型贵金属偶炉(包括工作用和标准)各温度点上的扩展不确定度评定结果。
1研究目的
      热电偶检定炉是工业领域中大量应用的高温热源,其温场均匀性和波动性对于应用对象的测量正确性尤为重要。通过对检定炉温场测量结果的不确定度分析和评定,得到某一类检定炉各输人量的不确定度分量,分析出温场测量方法中影响较大的因素，通过改进测量设备和测量方法提高测量精度。所得的扩展不确定度和检定炉温场允差进行比较,得出该测量方法所测得的结果是否可信。
2研究对象
       研究对象为300~1500℃温度范围内包括带温控器的和不带温控器的卧式管式热电偶检定炉(以下简称“检定炉”)。其也可按照用途分为贵金属偶炉(S型标准偶炉、B型标准偶炉、S型工作偶炉、B型工作偶炉、S/R型工作偶短炉)、廉金属偶炉(600mm长和300mm长)和退火炉。
3测量条件
3.1环境条件
      环境温度:(23士5)℃;相对湿度:≤80%;其他条件应满足所用仪器设备的各项要求。
3.2测量标准和配套设备
测量所使用的测量标准和配套设备如表1所示。
4试验方案
4.1测量方法
      选用两支二等标准铂铑10-铂热电偶。其中,一支做移动标准偶,在检定炉轴向或径向规定位置移动;另一支做固定标准偶(参考标准偶),固定于轴向或径向规定位置不动,用微差法测量移动标准偶在任意一点相对于固定“0”点位置的温度差值[1,如图1所示，

详细内容见JJF1184—2007中的“6测试方法”。
不确定度分析评定过程以廉金属偶炉(1000℃)为例。
4.2测量模型
      移动标准偶在任一点相对于“0”点的温度产值采用下式计算:

       式中:Δt(t)i0为移动标准偶在任一点相对于“0”点的温度差值,℃;ΔE(t)i为移动标准偶与固定标准偶在任一点的热电动势差值的算术平均值,μV;ΔE(t)0为移动标准偶与固定标准偶在“0”点的热电动势差值的算术平均值,μV;S(t)为标准偶在测试点的微分热电动势值(标准铂铑10-铂热电偶在1000℃的微分热电动势为11.54μV/℃)。


式中:u为标准不确定度分量,℃;uc为合成标准不确定度,℃;c1,c2为各输入量的灵敏系数;∂为求偏导。
5标准不确定度分量的评定
      输入量Δt(t)i(任一位置)引入的标准不确定度u(Δt(t)i),其来源有标准偶重复性引入、电测仪器测量误差引入、炉温波动引入、两次测量位置的一致性引入、标准偶电极不均匀性引入、参考端温差引入、转换开关寄生热电势引入。
      输入量Δt(t)0(固定“0”位置)引入的标准不确定度u(Δt(t)0),其来源有标准偶重复性引入、电测仪器测量误差引入、炉温波动引入、两次测量位置的一致性引入、转换开关寄生热电势引入、参考端温差引入。
5.1标准不确定度u(Δt(t)i)的评定
5.1.1标准不确定度分量u(Δt(t)i1)
      由被测热电偶重复性测量引入,A类方法评定[2]。用一支二等标准铂铑10-铂热电偶在1000℃进行10次独立重复性测量,单次实验标准偏差为:

5.1.2标准不确定度分量u(Δt(t)i2)
      由电测设备测量标准偶的测量误差引入,B类方法评定。电测设备为6位半数字多用表,其测量值的误差按一年内的最大允许误差±(50×10^-6×测量值+35×10^-6×量程)计算。对应温度点的读数取值如下:标准偶1000℃读数=9.587mV[3];挡位为(0~100)mV,则量程为100mV。
经计算,1000℃温度点的最大允许误差为±3.979μV。
按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为3.979μV,则标准不确定度分量u(Δt(t)i2)=2.30μV(相当于0.199℃)。
5.1.3标准不确定度分量u(Δt(t)i3)
      由热电偶检定炉炉温波动引入,B类。由经验可知,每个测量位置读数量时标准偶的示值变化不超过3.0μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为1.5μV,则标准不确定度分量u(Δt(t)i3)=0.87μV(相当于0.075℃)。
5.1.4标准不确定度分量u(Δt(t)i4)
      由两次测量位置的一致性引入,B类。移动偶来回移动测量,第1次和第2次测量时位置的不一致会引起两次测量结果有差异,最大差值估计值不大于2μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间分别为1μV,则标准不确定度分量u(Δt(t)i4)=0.29μV(相当于0.025℃)。
5.1.5标准不确定度分量u(Δt(t)i5)
      标准偶电极不均匀性引入,B类。由于热电偶测量时处于有温度梯度的温场中,电极不均匀会产生很小的附加热电势,其估计值为±1μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为1μV,则标准不确定度分量u(Δt(t)i5)=0.29μV(相当于0.025℃)。
5.1.6标准不确定度分量u(Δt(t)i6)
      由参考端温差引入,B类。根据零度恒温器的证书可知,温度精度(0±0.05)℃,造成热电偶参考端和铜导线的接点温差为±0.05℃。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为0.05℃,则标准不确定度分量u(Δt(t)i6)=0.029℃。
5.1.7标准不确定度分量u(Δt(t)i7)
      由转换开关寄生热电势引入,B类。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0.4μV。按均匀分布考虑,包含因子k=√3,取半宽区间为0.4μV,则标准不确定度分量u(Δt(t)i7)=0.23μV(相当于0.020℃)。
由于各输入量彼此之间相互独立,则:

5.2标准不确定度u(Δt(t)0)的评定
      由于各分量引入不确定度的来源与u(Δt(t)i)相同,则过程省略,结果为:
u(Δt(t)0)=0.223℃
6扩展不确定度
各输入量之间相互独立,则合成标准不确定度为:

7各型热电偶检定炉的扩展不确定度表示
      根据以上的不确定度分析评定过程,评定出其他各型热电偶检定炉的扩展不确定度(主要区分标准器使用铂铑10-铂热电偶或使用铂铑30-铂铑6热电偶),采用CMC单值表示。
S型贵金属偶炉(包括工作用和标准)、廉金属偶炉和退火炉的扩展不确定度如表2所示。

      B型贵金属偶炉(包括工作用和标准)的扩展不确定度如表3所示。

8研究结论
      由评定结果可得,1000℃的扩展不确定度为0.63,小于检定炉温场允差的模,说明测量结果可信。各不确定度分量较大的为u(Δt(t)i2)和u(Δt(t)i3)。它们的不确定度来源分别为电测仪器测量误差引入和炉温波动引入。电测仪器可以使用7位半数字多用表替换,可大幅度减小这一分量。炉温波动引入的不确定度,将恒温时间从30min延长为45min,可将半宽降低到1μV。