热工仪表检定装置建标方法及不确定度探讨

金卓飞，施可登

（浙江省火电建设公司，杭州 310016）

随着电力建设的飞速发展，发电厂热工检测对计量标准装置有了更高的要求。热工二次仪表计量综合检定装置可以开展温度指示调节仪、温度巡回检测仪、数据采集系统、温度变送器、信号隔离处理器等多种热工二次仪表检定，为保证计量的准确性，有必要对热工二次仪表计量综合检定装置进行不确定度分析和建标方法的探讨。

1 建立计量标准的主要工作

为了取到计量测量检定资质，整套综合检定装置筹建完成后，必须向上一级计量行政部门申请计量考核，考评合格并获得有效证书，才能成为计量标准装置。建标程序主要包括以下7个方面：

（1）科学合理配置计量标准器及配套设备。

（2）计量标准器及主要配套设备进行有效溯源，并取得有效检定或校准证书。本装置对3种信号输入参数作测量不确定度的分析评定，以确定不同信号产生的测量不确定度。

（3）计量标准试运行期间的稳定性考察。计量标准保持其计量特性随时间恒定的能力。整套装置试运行期间，在递交申请报告之前6个月内，在均匀的时间间隔内做5次以上的校验工作，必须使用同一主标准器，并且针对同一被校仪表用同种方式校验，其目的是为了衡量主标准器的稳定性能良好与否。

（4）计量标准试运行期间的测量重复性考察。在相同测量条件下，重复测量同一被测量，计量标准提供相近示值的能力。通常用测量结果的分散性来定量地表示，即用单次测量结果的实验标准差来表示。

（5）申请资料准备完善。《计量标准考核申请书》及《计量标准技术报告》等申请资料撰写完整，数据确凿。

（6）环境条件及设施应当满足开展检定的要求，并按要求对环境条件进行有效监督和控制。

（7）建立标准装置文件档案，检定人员须持有效证件。

2 热工二次仪表检定装置配置的选择

在实验室检定热力系统二次仪表，检定时所需的标准仪器可根据被检仪器的准确度、型号规格进行选择并组合成套，没有必要选择高准确度的标准仪表，应选择性价比最高的配置。原则上，成套后的标准器检定时引入的扩展不确定度U95（置信概率为95%）应不超过被检仪器最大允许误差绝对值的1/4。

二次仪表型号种类繁多、检定范围广，每次检定时需进行不确定度计算来验证所选的标准器是否符合要求，计算复杂烦琐。为此将热工二次仪表按其输入信号类别进行系统归类，综合为热电偶、热电阻、电流3种输入信号的显示仪表，由标准器输出相应高准确度的热电势、标准电阻、电流信号，与以热电偶、热电阻、弱电流为输入信号的二次显示仪表比对,标准器最好选择热电阻或热电偶多功能校准器，如FLUKE744或FLUKE743B等,根据实际情况，选择性价比最高的配置，不同主标准器的不确定度评定都是采用B类标准，仅是扩展不确定度数值不同而已。建成后的标准装置可以开展0.5级及以下热工二次仪表的检定。

3 热工测量仪表的不确定度

过去测量的质量曾用误差表示，测量完成后需要做误差分析。但现在按国际标准规定，测量的质量要用不确定度表示，测量完成后，应作不确定度评定。测量不确定度是通过测量过程的分析和评定得出的一个区间，在实际工作中用不确定度评定测量的质量才有意义。

在检定结果的测量不确定度中，由计量标准所引入的不确定度分量，它包括计量标准器及配套设备所引入的不确定度分量。测量不确定度评定方法分为A类和B类，互相之间不存在任何联系，但并无本质上的区别，基于概率分布并都用方差或标准差s定量表示。区别在于A类标准不确定度分量的估计方差u（xi）是由一系列重复观测值计算得到；而B类标准不确定度分量的估计方差u（xi）是根据有关信息来评定，通过一个假定的概率密度函数得到，即主观概率或先验概率。估计值（xi）可以来源于制造部门的说明书、完善的证书或其他资料。其中还明确给出了其扩展不确定度 U（x）是标准差 s（x）的 k 倍， 指明了包含因子k的大小，则标准不确定度可以取U（x）/k。本次分析评定对误差主要来源u（xi）定义为：主标准器引入的标准不确定度u（x1）。采用B类标准不确定度评定方法，对由被检仪表测量重复性Δ1引入的标准不确定度u（x2）评定，采用A类评定法，其合成不确定度为：

置信概率取95%，则可近似认为 k95≈2，扩展不确定度分析评定为：

这是A类和B类相结合的综合评定方法，吸取了各自的优点，有利于实际操作的便利。

在此分析中采用的被检定仪器有模拟式指示调节仪和数字式指示仪表。不同分辨力的数字式指示仪表具有不同的测量重复性。检定时在实验室环境进行，温度湿度及磁场影响均应符合要求。

4 配热电偶的温度指示仪表不确定度评定

4.1 数学模型和输入量标准不确定度

式中：ΔT为被检仪表检定点的温度误差；T为被检仪表检定点的温度值；TC为输入量；Δ1为测量重复性分量。

输入量TC引入的标准不确定度u（x1）的评定∶u（x1）的主要来源是准确度为0.05级的直流电位差计UJ33a带来的误差，可以采用B类评定法。主标准器由上级检定出具的检定证书可知UJ33a的准确度为0.05级量程，FS为1000℃，允许误差：

1.732被检仪表检定点测量重复性分量Δ1引入的标准不确定度 u（x2）的评定：u（x2） 的主要来源是被检仪表检定点的测量重复性，可以通过连续测量得到测量值序列，采用A类评定法。

选择稳定的被测对象：1.0级配镍铬—镍硅热电偶输入信号的XMT-101数字显示式仪表。选择常用点400℃为检定点，在规定的条件下重复性测量10次，得到测量值见表1。

表1 XMT-101数字显示式仪表在400℃检定点时的测量值

其中：n为测量次数，n＝10。

单次测量标准差：

则得到标准不确定度u（x2）＝0.79℃。

4.2 合成标准及扩展不确定度

表2 XMT-101数字显示式仪表不确定度汇总表

根据式（1），合成不确定度u＝0.84℃。根据式（2）， 扩展不确定度 U95＝1.69℃。

5 配热电阻的温度指示仪表不确定度评定

5.1 数学模型和输入量标准不确定度

数学模型如式（3）所示。输入量T的标准不确定度 u（x1）的评定∶u（x1）的主要来源是准确度为0.02级的标准电阻箱ZX25a带来的误差，采用B类评定法。由主标准器上级检定出具的检定证书可知ZX25a的准确度为0.02级，FS为600℃，根据式（4）允许误差a＝0.12℃，呈均匀分布，根据式（5）标准不确定度分量 u（x1）＝0.069℃。

被检仪表检定点的测量重复性Δ1引入的不确定度 u（x2）的评定： u（x2）的主要来源是被检仪表检定点的测量重复性，可以通过连续测量得到测量值序列，采用A类评定法。

选择稳定的被测对象：XMT-102型，Pt100铂热电阻为输入信号仪表的常用点200℃处作重复性测试，根据式（6）和（7），可得到标准不确定度u（x2）＝0.52℃。

5.2 合成标准及扩展不确定度

灵敏系数：c1＝1，标准不确定度汇总见表3。

表3 热电阻温度指示仪不确定度汇总表

根据式（1），合成不确定度为u＝0.53℃。根据式（2）， 扩展不确定度 U95＝1.05℃。

6 配电流信号的温度指示仪表不确定度评定

6.1 数学模型和输入量标准不确定度

数学模式如式（3）所示。输入量T引入的标准不确定度 u（x1）的评定： u（x1）的主要来源是由主标准器多功能数字万用表34401A带来的误差，采用B类评定法。主标准器送上级检定机关检定后，出具检定合格证书，由此可查它的扩展不确定度U＝26E-6。

被检仪表检定点测量重复性Δ1引入的标准不确定度 u（x2）的评定： u（x2） 的主要来源是被检仪表检定点的测量重复性，可以通过连续测量得到测量值序列，采用A类评定法。

选择稳定的被测对象：DXZ-110型，1.5级,测量范围0～10 MPa仪表的常用点 5 MPa处进行重复性测试，根据式（6）和（7），得到标准不确定度 u（x2）＝0.008 5mA。

6.2 合成标准扩展不确定度

灵敏系数：c1＝1。标准不确定度汇总见表4。根据式（1），合成不确定度 u＝8.5×10-3mA。根据式（2）， 扩展不确定度 U95＝0.017 mA。

表5 热电偶温度指示仪检定点为600℃时的测量表

表4 电流信号温度指示仪不确定度汇总表

7 计量标准的测量重复性考核

计量标准的测量重复性考核是指选择稳定被测对象，在一定时间内、同一环境温度下，对相同检定点按检定规程作10次上下行程校验，计算计量装置的标准偏差，其值要求小于本装置的合成不确定度。本装置要对各种信号参数均作此校验。

7.1 配热电偶的温度指示仪表

用直流电位差计UJ33a作为标准器，输出温度值。选1个稳定被测对象：XMT-101数显式仪表，配镍铬-镍硅热电偶，即K分度信号作为仪表的输入信号，以其常用工作点600℃为检定点，用升温的方法进行10次独立重复测量，每次检定须降温，再升温至检定点（见表5）。

记录数据，按公式（6）和（7）计算装置的标准偏差∶Si＝0.74℃。小于本装置的合成不确定度：1.69℃，重复性验证合格。

7.2 配热电阻的温度指示仪表

用直流电阻箱ZX25a作为标准器，输出温度值。选择稳定的被测对象：XMT-102型，Pt100铂热电阻作为仪表的输入信号，以常用工作点200℃为检定点，用升温的方法检10次，每次检定须降温至检定点之下，然后再升温至检定点，做上行程校验。

经同样方法计算本装置的标准偏差Si＝0.48℃。小于本装置的合成不确定度：1.05℃，重复性验证合格。

7.3 配电流信号的温度指示仪表

用信号发生器，经6位半多用表输出标准毫安信号，被校验仪表型号：DXZ-110型，1.5级，测量范围0～10 MPa，在仪表的常用测点5 MPa处进行重复性测试，相对应12 mA为检定点，用升压的方法检10次，每次检定须降压，再升压至检定点。经同样方法计算本装置的标准偏差Si＝0.005 3 mA。小于本装置的合成不确定度：0.017 mA，重复性验证合格。

8 结语

依据《计量标准考核方法》的有关规定向主管部门提出考核申请，并按要求递交相关申请资料，经过资料审核、现场考评，顺利通过了对热工二次仪表综合检定装置的考核，取得了有效资质证书。新标准装置可以开展0.5级及以下数字温度指示调节仪、工业过程测量记录仪、温度指示控制仪、温度巡回检测仪、带位式控制自动平衡式显示仪表、模拟式温度指示调节仪等多种热工二次仪表，拓展了工作范围，满足了对新建火电厂热工测量仪表的检定要求。

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[4]JJG 74-2005工业过程测量记录仪检定规程[S].

[5]JJG 874-94温度指示控制仪检定规程[S].