300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度评定

杨保成,杨　立,谢志辉

(1 海军工程大学 动力工程学院，武汉　430033；2.中国人民解放军第四八一二工厂，安徽 安庆　246161)



300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度评定

杨保成1,2,杨立1,谢志辉1

(1 海军工程大学 动力工程学院，武汉430033；2.中国人民解放军第四八一二工厂，安徽 安庆246161)

摘要：为了评定300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度，依据GJB3756—99《测量不确定度的表示及评定》、JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》和JJG351—96《工作用廉金属热电偶检定规程》等标准和规范，设计了校准方案，分析了测量不确定度的来源，建立了测量模型；分别采用A类和B类方法对各标准不确定度分量进行评定，在确定合成标准不确定度和扩展不确定度之后，得到测量不确定度。

关键词：廉金属热电偶；测量模型；不确定度

300℃以下工业用热电偶在工厂使用十分广泛，且温度测量范围在100℃～200℃。工业用Ⅱ级廉金属热电偶300℃以下的校准点在相关文献和标准中均未明确给出[1]。虽然JJG351—1996《工业用廉金属热电偶检定规程》[1]中没有明确规定工业用镍铬-镍硅热电偶(K型)300℃以下的测量点，但是，为了确保温度测量的准确可靠，保证产品的品质，对300℃以下工业用热电偶进行校准是十分必要的。目前，300℃以上工业用廉金属热电偶的示值误差测量结果的不确定度评定在相关的参考文献中已有大量的评定实例，朱敏[2]、韦应恒[3]、智勇斌[4]等人研究了300℃以上工业用热电偶的测量结果的不确定度评定，季晓烨等[5]也给出了300℃以上工业用廉金属热电偶的示值误差测量结果的不确定度评定实例。李远兴等[6]研究了杨氏模量实验的不确定度评定。曲垠灵[7]研究了300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶的示值误差测量结果的不确定度评定，但他仅给出了100℃测量点的测量结果的不确定度。宗文莉[8]提及到300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶的示值误差测量结果的不确定度评定问题，但没有给出具体实例，其他有关300℃以下工业用热电偶的测量结果的不确定度评定实例的文献极少。

为了更加科学、合理、完整地表示测量结果，工厂计量站在出具的热电偶检定证书或校准证书中，测量结果应包含测量不确定度的相关信息，即不仅要给出示值误差(或修正值)，还应按照GJB2749A—2009 《军事计量测量标准建立与保持通用要求》[9]，对于测量标准所开展检定、校准项目的典型被测件，编制测量结果的不确定评定实例，作为报告测量结果时不确定度评定的范例。

本文依据JJG351—96 《工作用廉金属热电偶检定规程》[1]、JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》[10]以及GJB3756—99《测量不确定度的表示及评定》[11]对300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度评定方法进行研究，所得结果可为300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度评定提供参考[12]。

1测量过程

4812工厂购置了某型温度自动检定系统。该系统是集计算机技术、电子技术、温控技术、自动测试技术于一体的自动化检定系统。在此系统的基础上工厂建立了测量标准“二等铂电阻温度计标准装置”，由热工计量室定期对热电偶进行校准。“二等铂电阻温度计标准装置”主要由二等标准铂电阻温度计、K2000型数字多用表、多路扫描装置、恒温油槽、计算机、CST4001系统软件、多路串口卡组成。

依据文件：测量过程依据JJG351—96《工作用廉金属热电偶检定规程》[1]展开。

环境条件：测量过程的环境条件湿度为45%RH～75%RH；温度为(23±5)℃。

测量标准及主要计量特性：电测设备为K2000型数字多用表，测量毫伏电压最大允许误差为±(0.005%RD+3.5 μV)，分辨力为0.1 μV；测量电阻100 Ω档时MPE=±(0.01%RD+0.004 Ω)，分辨力为0.1 mΩ。主标准器采用二等标准铂电阻温度计，分度号为Pt25。

测量对象：Ⅱ级K型热电偶，依据检定规程，各校准点的最大允许误差均为±2.5℃。

选择的校准点：100℃、150℃、200℃。

方法与步骤：因为温度低于300℃，所以检定过程在恒温油槽中进行。按要求与温控仪表接线，打开电源开关，再打开搅拌旋钮至7档左右，当恒温油槽升至100℃后，搅拌旋钮至5档，开启温控仪表(温控仪表应先预热30 min)。打开电脑，启动系统软件，验证热电偶与温控仪表端口通讯良好，设定100℃、150℃、200℃，开始检定。检定完成后，测量数据由系统软件自动处理，

2测量模型

300℃以下热电动势误差用下式计算[1]：

(1)

由于 ΔT=ΔT/S，将式(1)同除S被，可转化为

(2)

(3)

式(3)中：δt为被测热电偶温度误差值(℃)；δt被为被测热电偶偏离分度点温度误差值(℃)；δt标为实际温度与某一个测量点温度的差值(℃)。

3标准不确定度的评定

3.1评定输入量δt被的标准不确定度u(δt被)

u(δt被)来源于数字多用表热电动势测量误差、被测热电偶测量的重复性、恒温油槽温场分布不均匀、测量回路寄生电势、恒温油槽温场的波动度、热电偶参考端温度测量误差等。

3.1.1评定u(δt被1)

u(δt被1)来源于被测热电偶测量的重复性，采用A类方法评定。选一支Ⅱ级 k型热电偶做被测件，一支二等标准铂电阻温度计作测量标准，分别在100℃、150℃、200℃点重复10次测量热电动势，数据如表1所示。

由JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》第4.3.2.2 条、公式(10)[9]，即贝塞尔公式：

经过计算并将测量单位换算成微伏(μV)可得：

100℃：S(xi)=5.69 μV

150℃：S(xi)=4.21 μV

200℃：S(xi)=3.68 μV

实际测量时，测量次数为4次，以测量值的平均值为测量结果。则该结果的标准不确定度：

100℃：U(ΔT被1)=2.84 μV，换算成温度值约为0.069℃；

150℃：U(ΔT被1)=2.10 μV，换算成温度值约为0.052℃；

200℃：U(ΔT被1)=1.84 μV，换算成温度值约为0.046℃。

3.1.2评定U(ΔT被2)

3.1.3评定U(ΔT被3)

表1　热电偶重复性测量数据　mV

3.1.4评定U(ΔT被4)

3.1.5评定U(ΔT被5)

3.1.6评定U(ΔT被6)

3.1.7标准不确定度U(ΔT被)的合成

假设各个不确定度分量独立不相关，根据JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》第4.4.2条、公式(26)[9]，可以得到：

经过计算可得：

100℃：U(ΔT被)=0.145℃；

150℃：U(ΔT被)=0.138℃，

200℃：U(ΔT被)=0.137℃。

3.2评定输入量ΔT标的标准不确定度U(ΔT标)

U(ΔT标)主要来自温度计的检定周期不稳定性、自热效应、数字多用表电阻测量误差、恒温油槽温场分布不均匀、恒温油槽温场的波动度等。

3.2.1评定U(ΔT标1)

3.2.2标准不确定度U(ΔT标2)的评定

3.2.3评定U(ΔT标3)

100℃：U(ΔT标3)=4.33×10-3Ω，换算成温度值约为0.043℃；

150℃：U(ΔT标3)=4.62×10-3Ω，换算成温度值约为0.046℃；

200℃：U(ΔT标3)=4.91×10-3Ω，换算成温度值约为0.049℃。

3.2.4评定U(ΔT标4)

3.2.5评定U(ΔT标5)

3.2.6标准不确定度U(ΔT标)的合成

假设各个不确定度分量独立不相关，根据JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》第4.4.2条中公式(26)[9]可以得到：

经过计算可得：

100℃:U(ΔT标)=0.047℃

150℃:U(ΔT标)=0.050℃

200℃:U(ΔT标)=0.053℃

4合成标准不确定度的确定

因为 ΔT=ΔT被+ΔT标，所以有：

确定的各分量标准不确定度如表2所示。以上各个不确定度分量独立不相关，根据JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》4.4.1 不确定度传播律的定义及第4.4.2条中公式(26)可以得到：

表2　标准不确定度汇总表

经过计算可得到各个校准点的合成标准不确定度。

5扩展不确定度的报告与表示

依据GJB2749A—2009《军事计量测量标准建立与保持通用要求》[9]第5.2.10.4条推荐的方法，取k=2，经计算和修约，300℃以下Ⅱ级K型热电偶在3个校准点的示值误差测量结果的扩展不确定度均可表示为 U=0.30℃，k=2。

6结束语

主标准器引入的不确定度分量对示值误差测量结果的扩展不确定度贡献较小，几乎可以忽略不计；由被测件引入的不确定度分量对示值误差测量结果的扩展不确定度贡献较大，占绝对优势。

数字多用表的引入的不确定度分量较大，如果把六位半K2000型数字多用表更换成七位半数字多用表或八位半数字多用表，可以明显地减小测量不确定度，提高测量能力。

参考文献：

[1]JJG351—96.工作用廉金属热电偶检定规程[S].北京：中国计量出版社，1997.

[2]朱敏.工业热电偶测量结果的不确定度分析[J].计量与测试技术，2013(2)：22-23.

[3]韦应恒.工作用K型热电偶测量结果的不确定度分析[J].计量与测试技术，2013(4)：56-58.

[4]智勇斌，廉金属热电偶示值误差的不确定度评定[J].工业计量，2013(5)：65-66,69.

[5]季晓烨，范铠，吴建英等.温度计量[M].北京：中国计量出版社，2007.

[6]李远兴,申冬玲.杨氏模量实验的不确定度评定[J].四川兵工学报，2009，30(7)：137-138.

[7]曲垠灵.K型工作用廉金属热电偶测量结果的不确定度评定[J].中国高新技术企业，2010(6)：60-61.

[8]宗文莉.工作用廉金属热电偶的测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2014(41)：36-37，39.

[9]GJB2749A—2009，军事计量测量标准建立与保持通用要求[S].北京：国防工业出版社，2010.

[10]JJF1059.1—2012,测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出版社，2013.

[11]GJB3756—99，测量不确定度的表示及评定[S].北京：国防工业出版社，1999.

(责任编辑杨继森)

本文引用格式：杨保成,杨立,谢志辉.300℃以下Ⅱ级工业用廉金属热电偶示值误差测量结果的不确定度评定[J].兵器装备工程学报，2016(5):168-172.

Citation format:YANG Bao-cheng,YANG Li,XIE Zhi-hui.Uncertainty Estimation of Measurement Result of Grade ⅡInexpensive Metal Thermocouple for an Industrial Use Below 300℃[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):168-172.

Uncertainty Estimation of Measurement Result of Grade ⅡInexpensive Metal Thermocouple for an Industrial Use Below 300℃

YANG Bao-cheng1,2,YANG Li1,XIE Zhi-hui1

(1.School of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.The No.4812ndFactory of PLA,Anqing 246161,China)

Abstract:In order to estimate the uncertainty of measurements error of gradeⅡinexpensive metal thermocouple for industrial use below 300℃,based on standards and specifications GJB3756—99 Calibration Procedure of Inexpensive Metal Thermocouple for Working,JJF1059.1—2012 Representation and Evaluation of Uncertainty Measurement and JJG351—96 Representation and Evaluation of Uncertainty Measurement,a calibration method was designed,and the sources of the uncertainty of measurement was analyzed,and the measuring model was established,and the uncertainty components were assessed using class A and class B method respectively.The uncertainty of measurements was obtained after the synthetic standard uncertainty and the expanded uncertainty were determined.

Key words:inexpensive metal thermocouple; measurement model; uncertainty

doi:【基础理论与应用研究】10.11809/scbgxb2016.05.040

收稿日期：2015-10-18；修回日期：2015-11-22

基金项目：CAST基金(2014A06)

作者简介：杨保成(1974—)，男，工程硕士，主要从事动力工程研究。

中图分类号：TK311

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0168-05