陳躍飛 陳 剛 陳 龍 蔡 玨

熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果不確定分析

陳躍飛 陳 剛 陳 龍 蔡 玨

熱電偶是我國(guó)溫度測(cè)量中常用傳感器，DTZ群爐熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)是確保熱電偶符合我所試驗(yàn)需要的重要設(shè)備。本文依據(jù)JJG 351-1996《工作用廉金屬熱電偶》對(duì)Ⅰ級(jí)K型熱電偶進(jìn)行檢定，分析了使用群爐熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的誤差來(lái)源， 并對(duì)各個(gè)誤差的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，指導(dǎo)使用者更好的使用該系統(tǒng)。

DTZ群爐熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)是由一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶、臥式檢定爐、低電勢(shì)掃描開(kāi)關(guān)、零度恒溫設(shè)備、精密控溫裝置、數(shù)字電壓表、計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)等設(shè)備組成。本文按照J(rèn)JG 351-1996《工作用廉金屬熱電偶》規(guī)程規(guī)定的測(cè)量程序，采用雙極比較法對(duì)Ⅰ級(jí)K型熱電偶進(jìn)行檢定，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，確定影響測(cè)試結(jié)果的主要因素，以利于更好地指導(dǎo)檢定工作，使檢定結(jié)果更具可信性。

數(shù)學(xué)模型

根據(jù)規(guī)程，檢定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)模型為

靈敏系數(shù)為

式中：E被（t）為被檢K型偶在檢定點(diǎn)上的熱電勢(shì)值，為被檢K型偶測(cè)得的熱電勢(shì)算術(shù)平均值，為標(biāo)準(zhǔn)偶證書在檢定點(diǎn)上給出的熱電勢(shì)值，為檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偶測(cè)得的熱電勢(shì)算術(shù)平均值，為表示標(biāo)準(zhǔn)偶在檢定點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢(shì)，為表示被檢K型偶在檢定點(diǎn)上的微分熱電動(dòng)勢(shì)，μV/℃。

不確定度評(píng)定

按A類不確定度，在400℃穩(wěn)定條件下對(duì)被檢熱電偶重復(fù)測(cè)量10次，數(shù)據(jù)為16.423mV、16.432mV、16.425mV、16.428mV、16.430mV、16.424mV、16.425mV、16.430mV、16.433mV、16.423mV，根據(jù)貝塞爾公式得到平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度為

本系統(tǒng)使用的數(shù)字表為吉時(shí)利2182A納伏表，允許基本誤差：±（30×10-6×讀數(shù)+4×10-6×量程）（100mV檔），區(qū)間半寬度a為（30×10-6×讀數(shù)+4×10-6×量程），認(rèn)為均勻分布，K型熱電偶的熱電勢(shì)為16.397mV，則

根據(jù)JJF 1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》要求，廉金屬熱電偶檢定爐均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度為60mm，在均勻溫場(chǎng)內(nèi)任意兩點(diǎn)溫差不超過(guò)1℃，其半寬度為0.5℃，認(rèn)為均勻分布，，400℃時(shí)K型熱電偶的微分熱電勢(shì)為42.241μV/℃，則

該系統(tǒng)檢定爐恒溫特性指標(biāo)為0.5℃/6min，當(dāng)群爐熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)恒溫性能達(dá)到指標(biāo)時(shí)，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中爐溫變化不超過(guò)0.1℃/min，采集完全部熱電偶4次讀數(shù)的時(shí)間不超過(guò)4分鐘，即爐溫變極端化為0.4℃，即半寬度為0.2℃，認(rèn)為按反正弦分布，

熱電偶參考端（0℃）用冰點(diǎn)器，本實(shí)驗(yàn)用冰水混合物作冷端恒溫按經(jīng)驗(yàn)其偏差值不大于0.2℃，半?yún)^(qū)間為0.1℃，按均勻分布，400℃時(shí)K型熱電偶的微分熱電勢(shì)為39.45μV/℃，則

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢(shì)允許誤差為±0.2μV，半?yún)^(qū)間為0.2μV，按均勻分布，

E證（t）帶來(lái)的不確定度u（E證）的評(píng)定

E證（t）帶來(lái)的不確定度u（E證）主要為是一等標(biāo)準(zhǔn)S熱電偶傳遞的不確定度和一等標(biāo)準(zhǔn)S偶的年穩(wěn)定性。

一等標(biāo)準(zhǔn)S偶傳遞帶來(lái)的不確定度u（E證1）

依據(jù)國(guó)家檢定系統(tǒng)表，一等標(biāo)準(zhǔn)S偶傳遞的不確定度為0.6℃，按正態(tài)分布，取，400℃時(shí)S型熱電偶的微分熱電勢(shì)為9.568μV/℃，則：

一等標(biāo)準(zhǔn)S偶年穩(wěn)定性以銅點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)變化決定，合格期內(nèi)的一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶在銅點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)變化不大于 5μV，半?yún)^(qū)間為2.5μV，均勻分布，

按A類不確定度，在400℃穩(wěn)定條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶重復(fù)測(cè)量10次，數(shù)據(jù)為3.226mV、3.231mV、3.228mV、3.230mV、3.229mV、3.231mV、3.232mV、3.228mV、3.227mV、3.230mV，根據(jù)貝塞爾公式得到平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，則測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)的不確定度為：

本系統(tǒng)使用的數(shù)字表為吉時(shí)利2182A納伏表，允許基本誤差：±（30×10-6×讀數(shù)+4×10-6×量程）（100mV檔），區(qū)間半寬度a為（30×10-6×讀數(shù)+4×10-6×量程），認(rèn)為均勻分布，400℃時(shí)S型熱電偶的熱電勢(shì)為3.259mV，則

根據(jù)JJF 1184-2007《熱電偶檢定爐溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》要求，廉金屬熱電偶檢定爐均勻溫場(chǎng)長(zhǎng)度為60mm，在均勻溫場(chǎng)內(nèi)任意兩點(diǎn)溫差不超過(guò)1℃，其半寬度為0.5℃，認(rèn)為均勻分布，400℃時(shí)S型熱電偶的微分熱電勢(shì)為9.568μV/℃，則

該系統(tǒng)檢定爐恒溫特性指標(biāo)為0.5℃/6min，當(dāng)群爐熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)恒溫性能達(dá)到指標(biāo)時(shí)，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中爐溫變化不超過(guò)0.1℃/min，采集完全部熱電偶4次讀數(shù)的時(shí)間不超過(guò)4min，即爐溫變極端化為0.4℃，即半寬度為0.2℃，認(rèn)為按反正弦分布，

熱電偶參考端（0℃）用冰點(diǎn)器，本實(shí)驗(yàn)用冰水混合物作冷端恒溫按經(jīng)驗(yàn)其偏差值不大于0.2℃，半?yún)^(qū)間為0.1℃，按均勻分布，0℃時(shí)S型熱電偶的微分熱電勢(shì)為5.403μV/℃，則

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢(shì)帶來(lái)的不確定度

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)寄生熱電勢(shì)允許誤差為±0.2μV，半?yún)^(qū)間為0.2μV，按均勻分布，

合成不確定度

以400℃檢定點(diǎn)為例，靈敏系數(shù)為

擴(kuò)展不確定度

同理，用上述方法可以得到其他不同整百度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度。

測(cè)量結(jié)果與結(jié)論

該被檢熱電偶在400℃檢定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果為400.4℃，擴(kuò)展不確定度為

經(jīng)過(guò)上述不確定度的評(píng)定，得到對(duì)該系統(tǒng)不確定度貢獻(xiàn)較大幾個(gè)因素。因此，為了更好的使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢定，檢定爐和標(biāo)準(zhǔn)偶要納入周期管理，定期檢定，此外標(biāo)準(zhǔn)偶還應(yīng)按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行期間核查。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.003