高 麗

（山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院），山西 太原 030032）

1 引言

工作用貴金屬熱電偶作為一種無(wú)源傳感器，使用十分方便，所以常被用作測(cè)量爐子、管道內(nèi)的溫度及固體的表面溫度，在冶金、機(jī)械、化工等領(lǐng)域的溫度控制中一直發(fā)揮著重要的作用，其中鉑銠10-鉑熱電偶因其準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測(cè)溫溫區(qū)寬、響應(yīng)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用最為廣泛。山西省的地（市）級(jí)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)及冶金、煤化工、電力等行業(yè)的部分企業(yè)已建立了一等鉑銠10-鉑熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展工作用貴金屬熱電偶（S 型、R 型）的檢定工作，不同實(shí)驗(yàn)室的檢定結(jié)果可能存在一定差異。

根據(jù)《關(guān)于組織實(shí)施2022 年省級(jí)計(jì)量比對(duì)項(xiàng)目的通知》（晉市監(jiān)函[2022]209 號(hào)）的要求，2022年組織山西省內(nèi)法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)及授權(quán)機(jī)構(gòu)開(kāi)展“工作用貴金屬熱電偶量值比對(duì)”活動(dòng)。山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院）計(jì)量科學(xué)研究所擔(dān)任主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，參加本次比對(duì)的實(shí)驗(yàn)室為山西省范圍內(nèi)已取得相關(guān)社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)的市級(jí)法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)和建立企業(yè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)可開(kāi)展相關(guān)檢定項(xiàng)目的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)。通過(guò)本次比對(duì)工作，檢驗(yàn)了各參比實(shí)驗(yàn)室對(duì)工作用貴金屬熱電偶的測(cè)量能力，確保各參比實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量方法的一致性、裝備和人員能力的可靠性，帶動(dòng)了各實(shí)驗(yàn)室之間的技術(shù)交流，促進(jìn)了本省溫度計(jì)量專(zhuān)業(yè)水平的提高，確保貴金屬熱電偶量值傳遞的準(zhǔn)確可靠 。

為了保證比對(duì)的順利進(jìn)行，本次比對(duì)選用了性能穩(wěn)定的一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶代替工作用貴金屬熱電偶作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)?？紤]傳遞標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的可靠性及傳遞過(guò)程中可能出現(xiàn)的不可控因素，本次比對(duì)選取兩支一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作為比對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行傳遞，采用花瓣式傳遞路線，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行第一次測(cè)量后發(fā)出樣品，參比實(shí)驗(yàn)室依次傳遞給下一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，樣品在各實(shí)驗(yàn)室傳遞中期會(huì)返回一次主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行期間穩(wěn)定性核查后再次發(fā)出樣品，繼續(xù)進(jìn)行比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，最后傳遞標(biāo)準(zhǔn)返回主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室后，由主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室再次進(jìn)行傳遞標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性核查和固定點(diǎn)熱電勢(shì)值的測(cè)量，比較傳遞標(biāo)準(zhǔn)在傳遞前后以及中期的量值變化，若其變化量符合比對(duì)穩(wěn)定性的要求，則確認(rèn)本次比對(duì)傳遞有效。在整個(gè)比對(duì)中，除主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室在比對(duì)準(zhǔn)備階段對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清洗、退火以外，任何參比實(shí)驗(yàn)室在比對(duì)進(jìn)行過(guò)程中不可對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清洗和退火。為了提高工作用貴金屬熱電偶量值比對(duì)的有效性和準(zhǔn)確性，文章為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室提供了一種對(duì)傳遞樣品進(jìn)行不確定度評(píng)定的思路。

2 概述

（1）測(cè)量依據(jù)：JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規(guī)程。

（2）環(huán)境條件：溫度15～35 ℃；相對(duì)濕度＜85%。

（3）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶工作基準(zhǔn)、2010 數(shù)字多用表、低電勢(shì)掃描儀、臥式熱電偶檢定爐。

（4）被測(cè)對(duì)象：一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶。

（5）測(cè)量過(guò)程：按照規(guī)程要求進(jìn)行捆扎和裝爐，由低溫向高溫逐點(diǎn)在419.527 ℃（鋅凝固點(diǎn)）、660.323 ℃（鋁凝固點(diǎn)）、1 084.62 ℃（銅凝固點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法為雙極比較法（同名極法、微差法因線路連接方法不同，不適用于本文中的分析）。

（6）文章不確定度評(píng)定結(jié)果的使用：若標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備、被測(cè)對(duì)象與上述條件一致，則該情況下得到的測(cè)量結(jié)果，一般可直接使用本文的不確定度分析過(guò)程和評(píng)定結(jié)果。

3 數(shù)學(xué)模型和不確定度傳播率

3.1 數(shù)學(xué)模型

本次比對(duì)用雙極比較法進(jìn)行熱電偶的分度，被測(cè)熱電偶在各測(cè)量點(diǎn)上的熱電勢(shì)為E被。

式中：E標(biāo)證——標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶工作基準(zhǔn)）有效溯源證書(shū)中固定點(diǎn)的熱電勢(shì)，mV；Δe——比對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的被檢熱電偶（一等鉑銠10-鉑熱電偶）和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)平均值的差值，比對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的被檢熱電偶的熱電勢(shì)平均值，比對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)平均值，mV。

3.2 不確定度傳播率

E標(biāo)證和Δe互不相關(guān)，靈敏系數(shù)：

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 E標(biāo)證的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(E標(biāo)證)

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶量值溯源引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(E標(biāo)證)

根據(jù)量值傳遞，標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶工作基準(zhǔn)分度值的擴(kuò)展不確定度U=0.℃3，k=2.5 8，可得則

鋅點(diǎn)：u1(E標(biāo)證)=0.105℃·S鋅=1.0 1μV

鋁點(diǎn)：u1(E標(biāo)證)=0.105℃·S鋁=1.0 9μV

銅點(diǎn)：u1(E標(biāo)證)=0.105℃·S銅=1.24μV

式中，S為微分熱電動(dòng)勢(shì)值，S鋅=9.64μV/℃，S鋁=1 0.4 0μV/℃，S銅=1 1.8 0μV/℃。

4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(E標(biāo)證)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器證書(shū)的檢定結(jié)果：鋅點(diǎn)年穩(wěn)定性最大為0.2 μV ，鋁點(diǎn)年穩(wěn)定性最大為0.3 μV，銅點(diǎn)年穩(wěn)定性最大為0.7 μV。按均勻分布考慮，取則

鋅點(diǎn)：u2(E標(biāo)證)=0.2μV/3=0.1 2μV

鋁點(diǎn)：u2(E標(biāo)證)=0.3μV/3=0.1 7μV

銅點(diǎn)：u2(E標(biāo)證)=0.7μV/3=0.4 0μV

u1(E標(biāo)證)和u2(E標(biāo)證)彼此獨(dú)立不相關(guān)，則

?

4.2 被檢熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)平均值的差值 (Δ e的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u (Δ e)

4.2.1 測(cè)量重復(fù)性的影響量u1( Δe)

在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共得到四組數(shù)據(jù)，每組4 次重復(fù)測(cè)量，根據(jù)極差法計(jì)算可得到si(i=1,2,3,4)，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差可得。最終測(cè)量結(jié)果實(shí)際是取4次測(cè)量結(jié)果的平均值，則計(jì)算結(jié)果如下：

?

4.2.2 數(shù)字多用表測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(Δe)

測(cè)量時(shí)使用KEITHLEY2010 數(shù)字多用表，其基本誤差計(jì)算公式為±（0.003 7%red+0.000 9%FS）mV，按均勻分布處理，經(jīng)計(jì)算得：

4.2.3 檢定爐溫場(chǎng)均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3( Δe)

該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是由檢定爐溫場(chǎng)不均勻，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶工作端接觸差異引起的。由經(jīng)驗(yàn)可得：標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶測(cè)量端之間的溫差不超過(guò)±0.1 ℃。用B 類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，估算區(qū)間半寬為0.1 ℃，按均勻分布處理，則u3(Δe)0.058℃，得到：

?

4.2.4 測(cè)量回路寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4(Δe)

由經(jīng)驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)寄生電勢(shì)不大于0.4 μV。用B 類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，區(qū)間半寬為0.4 μV，按均勻分布處理，則

4.2.5 熱電偶參考端溫差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5( Δe)

由經(jīng)驗(yàn)可知：在同一冰點(diǎn)恒溫器內(nèi)，熱電偶各參考端溫差不超過(guò)±0.05 ℃。采用B 類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，取區(qū)間半寬為0.05 ℃，鉑銠10-鉑熱電偶在冰點(diǎn)的微分熱電勢(shì)為5.40 μV/℃，溫差換算熱電勢(shì)為0.27μV，按均勻分布處理，則

4.2.6 爐溫波動(dòng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6(Δe)

該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是由爐溫變化引起的，測(cè)量時(shí)爐溫可控制在0.1 ℃/min，每次讀數(shù)時(shí)間小于1 min，爐溫變化差不超過(guò)0.1 ℃，用B 類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，區(qū)間半寬為0.05 ℃，按反正弦分布處理，得

?

以上各項(xiàng)彼此獨(dú)立不相關(guān)，則

?

5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

5.1 不同溫度測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的匯總

?

5.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

?

6 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則U=uc×2，工作用貴金屬熱電偶測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度見(jiàn)下表：

?

換算成溫度值為：

?

7 結(jié)果分析

使用性能更穩(wěn)定的一等鉑銠10-鉑熱電偶代替工作用貴金屬熱電偶作為量值比對(duì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，可降低傳遞過(guò)程中帶來(lái)的穩(wěn)定性偏離過(guò)大、重復(fù)性偏大等風(fēng)險(xiǎn)，使得比對(duì)可以更有序順利地進(jìn)行，本文采用的方法是科學(xué)合理的。在進(jìn)行計(jì)量比對(duì)時(shí)可采用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)定重復(fù)性引入的不確定度分量，以提高可靠性，并建議在計(jì)量比對(duì)中采用高一等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。