热工仪表校验仪测量标准不确定度的测量方法及计算的综合分析

于 晶

（辽宁省电力有限公司大连供电公司变电检修室试验专业）



热工仪表校验仪测量标准不确定度的测量方法及计算的综合分析

于 晶

（辽宁省电力有限公司大连供电公司变电检修室试验专业）

摘要：热工仪表校验仪是一种具备多种功能的量程仪表，这种仪器测量校准结果的测量不确定度的评定主要是依靠功能分别进行分析，本文用热工仪表校验仪测量功能的5V示值误差作为一个实例进行分析，重点分析测量结果的不确定度。

关键词：热工仪表校验仪；功能5V示值误差；测量结果；不确定度

0 引言

热工仪表校验仪是一种量程仪表，具有多种功能，在工程建设上具有重要作用，下面简单介绍这种仪表的功能。热工仪表校验仪使用的是背光LCD，也就是背光液晶显示，以多屏汉字菜单显示出来，仪器上设置数字按键，不需要电位器操作，只需要3s 就能精确逼近，并实现自动跟踪平衡[1]。热工仪表校验仪显示屏显示非常清晰、明了，仪器操作起来简单快捷，它具有非常齐全的功能，能够容纳18种输入/输出热工量以及输入/输出同步运行，仪器独立操作，与电源相互隔离，不受电源影响。仪表能够进行连续性输出，具有正反向步进输出功能，其步进速率也能够随意调节。热工仪表的热电偶、热电阻的温度值能够与相应的电压以及电阻信号进行相互转换，不用查表。这种校验仪实现了零点校准的功能，也能够很好地消除引线电阻[2]。分辨率为满五位，具有非常高的精度，精度为0.02％，接口是RS232，界面是Windows，是一种携带便利非常实用的工具，另外这种仪表还能够实现远程控制以及自身零点校准等一些功能。

热工仪表校验仪具有多种功能，量程也非常多，在实际生产中具有较大作用，本文将以测量功能5V示值误差为例来分析测量结果的不确定度，下面是具体的实验测量过程。

1 测量方法

按示值基本误差梭定方法，将数字多用表的测量端与被校热工仪表校验仪相连接，读取被校测温仪表检定仪相应的显示数值，在数字多用表测量出相应的标准量值，被测表的显示值减去数字多用表测量出的标准数值，该差值即为被校表的示值误差。选取示值基本误差最大点，对其进行不确定度分析[3]。

2 数学建模

等待校准的热工仪表校验仪上的示值误差可以表示为：△=Ux-Uy，式中的Ux与Uy分别代表被校准热工仪表校验仪所测得的显示值，以及多功能校准器输出电压，也就是校准过程中所使用的参考标准[2]。

3 计算其方差与灵敏度系数

通过数学建模，从而得到方差的计算结果

u2e( △ )=[∂( △ )/∂Uxu(Ux)]2+[∂( △ )/∂Uyu(Uy)]2

= [C1u(Ux)]2+ [C2u(Ux)]2

式中，可以得出灵敏度系数分别是：C1=1， C2=－1。

标准不确定度公式也可以简化成

(1) 将地形高程数据导入GIS中，用HEC-GeoRAS做前期预处理，创建河道中心线、河岸线、水流路径线及河流横断面图层，为创建的图层提取河流名称，河流长度，高程和粗糙度数据。

ue( △ )= [u(Ux)]2+ u(Uy)]1/2

4 标准不确定度情况

标准不确定度情况包含的内容十分复杂，既有不确定度来源，也有灵敏系数以及自由度等，下表为标准不确定度情况[3]。

表 标准不确定度情况

5 标准不确定度分量计算

5.1被校热工仪表校验仪所得直流电压值，以及标准不确定度分量

读数中产生的不确定度分量包含了以下内容：热工仪表校验仪的稳定性、重复性与分辨力，还涉及到了多功能校准器的这三个特点的影响力，将多功能校准器的输出电压设置为5V，因此可以得到如下数据资料：4.9997，4.9997，4.9997，4.9997……

通过数学计算能够得出：平均值Ux=4.9997μV，其中的实验标准差S（Ux）=0μV，根据读数产生的A类标准不确定分量将最小分辨力计算出来：u（Ux）=0.0001V/ (2×31/2)≈29μV，这是一种均匀分布。

5.2多功能校准器输出直流电压，标准不确定度分量的引入

（1）多功能校准器准确度引入

（2）多功能校准器溯源引入

多功能校准器中的校准证书中给出了多功能校准器直流电压功能的测量结果，其中的扩展不确定度计算为1.5×101/6，k=2。引入的不确定度分量是

u( Ux)= [u(Ux1)]2+ u(Ux2)]1/2=[102+3.752]≈10.7μV。

6 装置合成标准不确定度分析

装置合成标准不确定度计算结果是

ue( △ )= [u(Ux)]2+ u(Uy)]1/2(292+102)1/2≈31μV

7 有效自由度

根据不确定度概算概念可以知道：一共有三个不确定度分量，其中处于主要地位的是被检引入不确定度分量点，这里的估计合成标准的不确定度分布是比较均匀的，而且其有效自由度趋近无穷[5]。

8 不确定度的装置扩展

确定装置扩展的不确定度通常采用的包含因子是k，其中k=2，置信率大约是95％，因此其扩展不确定度是U=kue( △ )=2×31μv≈0.0001V。

9 分析与总结

根据上述的方法与公式可以得出

△=Ux— Uy=4.9997 －5.0000= － 0.0003V

能够得出热工仪表校验仪允许的最大误差是± （0.01％RD+0.01％FS）,其中的量程是10V，取读数为5V时，其最大允许误差是±0.0015V。

10 结束语

校验仪是一种用途非常广泛的电子设备，具有检定或校准温度仪表、测量热电偶与热电阻信号等的功能。校验仪通常情况下有输出功能与测量功能两部分。对于输出功能来说，这部分主要输出直流电参量以及不同分度号的热电偶与热电阻产生的模拟信号；仪表测量功能则可以对直流电参量直接地测量，并将热电偶、热电阻以及传感器等的输出进行测量。使用热工仪表校验仪时，应该选用规范正规的仪表，也要规范使用，这样才能将仪表测量误差控制在最小，提高仪表测量的准确度与精度，热工仪表校验仪进行校准工作时，需要注意以下几点。第一是仪表的计量特性，热工仪表校验仪应该达到以下通用技术要求：热工仪表校验仪应该具备设备名称、型号以及仪表编号、生产厂家等信息；校验仪的附件、电源线等配件应该齐全，仪器的按键功能也必须正常，引线接插件等接触良好；校验仪的显示功能上应该有明确标识，上面还要有清晰完整的数字与符号，不会让人误读；允许误差，校验仪存在着大大小小的误差，但是只要在正常范围内都是可以的[4]。校验仪各个功能量程的实际分辨力应该小于1.3d，另外仪表的稳定性应该在校准环境条件下，各功能量程1h内的短期稳定性应该优于最大允许误差的1/5。仪表在环境温度为15～35℃之间、相对湿度为45％～75％时，仪表校验仪的输入、输出以及电源之间的绝缘电阻应该大于等于50MΩ。当仪表所处的环境温度在15～35℃时以及45％～75％的相对湿度时，校验仪的输出、输入以及电源等之间给予规定的50Hz的试验电压，经过1min仪表应该没有击穿与飞弧现象。

第二个是校准环境条件，仪表开展校准工作时，环境温度为（23±2）℃，环境相对湿度应该为45％～75％，校验仪的周围除了磁场之外，应该确保没有影响这个磁场工作的外磁场，另外，电源电压不能超过额定电压的±2％，电源频率变化不能超过额定频率的±1Hz[5]。选择标准仪器或者是配套设备时，需要引入扩展的不确定度，这个不确定度应该小于校验仪对应功能的最大允许误差绝对值的1/3。在校准分辨力时，使用的标准仪器分辨力应小于被较校验仪分辨力的五分之一，进行稳定性校准时，使用的标准仪器稳定性应高于被校校验仪稳定性的5倍。

参考文献：

[1] 徐亚迅.热工仪表校验仪示值误差的测量结果不确定度评定[J].品牌与标准化,2013(9):49-49,50.

[2] 万磊,丁勤.热工仪表校验仪示值误差测量结果的不确定度分析实例[J].计量与测试技术,2007,34(3):52.

[3] Sun Zhaoqin, Li Feng, et al. Digital temperature indicator (with K type thermocouple), the value of the measurement results of the uncertainty of measurement results.[J]. China Chemical Trade, 2011,3 (9): 50-51.

[4] 陈滢锜.过程仪表校验仪热电阻测量结果不确定度的评定[J].工业计量,2013,23(6):56-57.

收稿日期：（2015-11-05）