短型廉金属热电偶测量不确定度评定

摘要:短型廉金属热电偶在工业生产中广泛使用，其主要应用在设备控温和温度场的测量，热电偶在使用一段时间后，电极污染和老化造成自身分度值表漂移，其示值误差往往在使用过程中超过其相应的最大允许误差，所以要定期对短型偶进行校准。通过对短型廉金属热电偶校准结果的不确定度分析和评定，得到各输入量的不确定度分量，可以分析出短型偶校准方法中影响较大的因素，通过改进测量设备和校准方法提高减小测量不确定度。评定所得的扩展不确定度可以作为日常使用的依据。
       短型廉金属热电偶是一类电极长度约为300～500mm的可拆卸式廉金属热电偶和金属套管长度约为300～500mm的廉金属铠装热电偶的统称，工作用廉金属热电偶(以下简称短型偶)在工业生产中广泛使用，其主要应用在设备的控温和温度场的测量。短型偶的构成主要是两种不同材质的合金材料，一般使用在高温、氧化、还原、化学污染等环境［1］，在经过一段时间的使用后，电极的污染和老化造成自身分度值表的漂移，所以要定期对短型偶进行校准。
       通过对短型廉金属热电偶校准结果的不确定度分析和评定，得到各输入量的不确定度分量，可以分析出短型偶校准方法中影响较大的因素，通过改进测量设备和校准方法提高减小测量不确定度。评定所得的扩展不确定度可以作为日常使用的依据。
1测量条件
1.1适用范围
       测量范围为－40～1000℃［2］，电极长度约为300～500mm［3］的可拆卸式廉金属热电偶和金属套管长度约为300～500mm［4］的廉金属铠装热电偶的示值偏差的校准。
1.2环境条件
       电测设备及其他配套设备工作的环境温度和相对湿度应符合相应规定的要求;恒温设备工作的环境应无影响校准的气流扰动和外电磁场的干扰。故环境温度一般为(23±5)℃，环境湿度一不大于75%ＲH。
1.3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［5］。

2测量方法
2.1评定方法
       采用双极比较法，在管式炉中放置金属均温块(杯状)，如图1所示。测量标准使用二等标准铂铑10－铂热电偶，被校热电偶为一支长度为300mm的2级N型可拆卸式短型偶。将两者插入均温块中，通过比较测量标准和被校热电偶的热电动势值，测得该支短型偶在某个校准温度点上的示值偏差［6］。不确定度分析评定过程以1000℃为例。

2.2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式(1)计算:
Δe被(t)=`e被(t)+［e标证(t)－`e标(t)］·S被(t)/S标(t)+e补－e分(1)
       式中:Δ`e被(t)为被校热电偶示值偏差的热电动势值，mV;e被(t)为被校热电偶在某校准温度点附近测得的热电动势算术平均值，mV;e标证(t)为标准热电偶证书上某校准温度点的热电动势值，mV;`e标(t)为 标准热电偶在某校准温度点附近测得的热电动势算术平均值，mV;S标(t)为标准热电偶在某校准温度点上的微分热电动势，mV/℃;S被(t)为被校热电偶在某校准温度点上的微分热电动势，mV/℃;e补补偿导线修正值，mV;e分为被校热电偶分度表上查得的某校准温度点的热电动势值，mV。
2.3合成方差和灵敏系数

3标准不确定度分量的评定
        输入量`e被(t)引入的标准不确定度u(`e被)，其来源有:被测热电偶的重复性测量引入，电测设备测量误差引入，炉内均热块径向温场不均匀性引入，炉温波动性引入，转换开关寄生热电势引入，参考端温度不等于0℃引入，热电偶测量端热量损失引入。
输入量e标证(t)引入的标准不确定度u(e标证)，其来源有:标准热电偶分度计算e标证引入。
输入量`e标(t)引入的标准不确定度u(`e标)，其来源有:标准热电偶年不稳定性引入。
输入量e补引入的标准不确定度u(e补)，其来源有:补偿导线示值偏差引入［7］。
3.1标准不确定度u(`e被)的评定
3.1.1被校热电偶重复性测量引入的标准不确定度分量u(`e被1)
       用一支二等标准热电偶对被校热电偶在1000℃进行测量，测得5组，每组10个重复性测量数据，计算每组试验标准偏差Si，用A类方法进行评定［8］，合并样本标准偏差Sp为

3.1.2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u(`e被2)
       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<sup>－6</sup>×测量值+35×10<sup>－6</sup>×量程)计算，对应校准点读数取36.256mV［9］，量程为0～100mV，读数误差为±5.313μV。
按均匀分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为5.31μV，则标准不确定度分量:
u(`e被2)=3.07μV
3.1.3检定炉内均温块径向温场不均匀引入的标准不确定度分量u(`e被3)
        B类方法评定，校准时检定炉配置杯状均温块使用。根据实验可知，均温块同一截面任意两点的温差绝对值不大于0.5℃，换算成热电势值为19.30μV［10］。按均匀分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为9.65μV，则标准不确定度分量
u(`e被3)=5.57μV
3.1.4炉温波动性引入的标准不确定度分量u(`e被4)
        B类方法评定，由经验可知，读数时标准热电偶测得温场实际变化不超过±3.0μV，以微分电势11.54μV/℃计算(相当于±0.26℃)，再以微分电势38.61μV/℃计算，给被测热电偶带来的误差为±10.04μV。按均匀分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为10.04μV，则标准不确定度分量:
u(`e被4)=5.80μV
3.1.5转换开关寄生热电势引入的标准不确定度分量u(`e被5)
       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:
u(`e被5)=0.29μV
3.1.6参考端温差引入的标准不确定度分量u(`e被6)
       B类方法评定，根据零度恒温器的证书可知，温度精度(0±0.1)℃，造成热电偶参考端和铜导线的接点温差为±0.1℃，换算成热电势值为±2.62μV。按均匀分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为2.62μV，则标准不确定度分量:
u(`e被6)=1.51μV
3.1.7补偿导线示值偏差引入的标准不确定度分量u(`e被7)
        B类方法评定，根据实验校准温度点为1000℃时，根据实验数据所得，测量端热量损失对热电偶示值的影响为1.08℃，换算成热电势值为41.70μV。按均匀分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为20.85μV，则标准不确定度分量:
u(`e被7)=12.04μV
3.1.8合成标准不确定度u(`e)
u(`e被)=［u(`e被1)<sup>2</sup>+u(`e被2)²+u²(`e被3)+u<sup>2</sup>(`e被4)+u²(`e被5)+u<sup>2</sup>(`e被6)+u²(`e被7)］<sup>1/2</sup>u(`e被)=14.97μV
3.2标准不确定度u(e标证)的评定
        B类方法评定，根据证书值计算，二等标准铂铑10-铂热电偶在1000℃校准温度点的标准不确定度为:
u(e标证)=4.52μV
3.3标准不确定度u(`e标)的评定
       B类方法评定，根据JJG75—1995，使用中的二等标准铂铑10-铂热电偶的年稳定性不大于±10μV。按照正态分布考虑，包含因子k=/3，取半宽区间为10μV，则标准不确定度分量:
u(`e标)=3.33μV
3.4标准不确定度u(e补)的评定
B类方法评定，补偿导线的示值偏差校准结果的扩展不确定度为U=0.25℃，k=2，则标准不确定度分量:
u(e补)=0.125℃(相当于3.47μV)。
4评定结果
4.1合成标准不确定度
       各输入量之间相互独立，则合成标准不确定度为:

4.2扩展不确定度
U=k·uc
U(1000℃)=48.52μV，k=2(相当于1.26℃)。
4.3扩展不确定度的表示
       根据以上不确定度分析评定过程，评定出2级N型短型偶其他各校准温度点的扩展不确定度。采用CMC范围表示［11］，如表2所示。

5结论
       由评定结果可知，短型廉金属热电偶校准结果的不确定度各个分量中较大的有三个，分别为:标准热电偶分度引入;标准热电偶年稳定性引入;热电偶测量端热量损失引入。其中由于计量检定系统表的规定，“标准热电偶分度引入”这一因素无法避免，只能按照技术法规的要求选择相应的标准器。“标准热电偶年稳定性引入”这一因素，可以通过缩短送检周期和定期对标准热电偶进行期间核查以减小这一分量。各个分量中，以“热电偶测量端热量损失引入”这一因素引入的不确定度分量最大。这一分量也是短型偶校准的难题，要减小这一分量的引入，需要在硬件设备上进行研究。可在保证恒温性能的基础之上将短型检定炉的尺寸减小，或在短型偶的炉外部分做绝热或恒温处理，以尽可能的减小热损失的影响。