铠装热电偶校准结果的不确定度评定

庄能++韩宏志

摘 要：热电偶是一种感温元件，属于一次仪表，其工作原理是利用两种不同的材料组成的闭合电路，当两端的温度不同时，闭合回路中就会有电流产生，再通过测量仪表就可以测量介质的温度。

关键词：热电偶；测量；闭合电路

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0115-03

热电偶广泛应用于石油、化工、电力、食品、医疗等众多领域，其测量的准确性直接影响到过程控制的可靠性、生产的安全性以及产品的质量，其测量不确定度的评定以及不确定度的大小对校准标准器及设备的选择具有指导意义。

1 概述

1.1 测量依据

JJF1262-2010铠装热电偶校准规范。

1.2 测量条件

温度（23±5）℃，湿度（45—75）%RH。

1.3 测量标准及主要技术要求

（1）一等标准铂铑10—铂热电偶锌、铝、铜凝固点温度分度值的扩展不确定度U为0.6℃，置信概率99%；

（2）数字表允许误差为±（0.005%×读数+0.0035%×量程）。

1.4 被测对象及其主要性能

I级铠装镍铬—铜镍热电偶，在（300∽800）℃范围内，误差不超过±1.5℃或±0.4%t。

1.5 测量方法

测量依据JJF1262-2010铠装热电偶校准规范，使用标准器为一等标准铂铑10—铂热电偶，电测设备为热电偶、热电阻自动检定装置的61/2位数字多用表。检定工作用1只铠装镍铬—铜铬热电偶与一支一等标准铂铑10—铂热电偶与被检对齐工作端捆扎后放入检定炉的使用段中心位置上，待检定点温度恒定后，测出标准器与被检的电势值并取两循环各4个测量值后取平均，计算出名义检定点被检的电势值。

2 数学模型的建立

根据规程，工作用热电偶的测量结果的计算公式为：

e被=ēt被+（et标-ēt标）×St被/St标 （1）

式中：e被—被检热电偶在需测量温度点t的热电动势；

ēt被—被检热电偶在某检定点附近温度下，测得的热电动势算术平均值；

et标—标准热电偶证书上某检定点温度的热电动势值；

ēt标—标准热电偶在某检定点附近温度下，测得的热电动势算术平均值；

ēt标—标准热电偶在某检定点附近温度下，测得的热电动势算术平均值；

St标、St被—标准、被检热电偶在某检定温度的微分热电动势；

灵敏系数

C1=e被/ēt被=1

C2=e被/et标=1

C3=e被/ēt标=-1

合成方差公式为：u2c=u2（ēt被）+u2（et标）+u2（ēt标）

3 标准不确定度分量计算

3.1 u（ēt被）项：该项为检定时在温度t上测得被检电势的有关量

3.1.1 电测设备对被检偶引入的不确定度u1.1

电测装置采用6 1/2位数字多用表，在检定中测量标准和被检偶（E型）mV数差异较大，由于检定采用比较法，数表在测量标准偶和被检偶时其系统误差有一部分是可以抵消的，另外本系统在检定采样前，还要进行校零操作，消除零位系统误差。

本系统一般采用6 1/2位数字多用表（型号：HP34401），在100mV档其数表准确度（年）级别为：A=（0.005%×读数+0.0035%×量程）

（1）E型热偶在300℃的热电势值读数为21.1783mV，微分热电势为0.07791mV/℃，300℃分度值21.036 mV，误差按均匀分布则包含因子为k=，

U300℃=（0.005%×21.1783+0.0035%×21.036）/0.07791×=0.01℃

（2）E型热偶在400℃的热电势值读数为29.0825mV，微分热电势为0.08006 mV/℃，400℃分度值28.946 mV，误差按均匀分布则包含因子为k=，

U400℃=（0.005%×29.0825+0.0035%×28.946）/0.08006×=0.02℃

（3）E型热偶在600℃的热电势值读数为45.0725 mV，微分热电势为0.08066mV/℃，600℃分度值45.093 mV，误差按均匀分布则包含因子为k=，

U600=（0.005%×45.0725+0.0035%×45.093）/0.08066×=0.03℃

3.1.2 检定炉温度变化，波动影响引入的不确定度u1.2

根据测试规范要求，本装置在温场稳定性方面控制两个指标，一是在检定采样前六分钟温度波动≤0.6℃，二是在采样过程中炉内温场变化≤0.2℃/min，从而保证在整个检定过程将炉内温场变化控制在0.2℃以内，因而采用循环检测后取平均值后为0.1℃，可认为均匀分布则包含因子为k= 则u1.2=0.1/=0.06℃。

3.1.3 参考端温度修正对被检引入的不确定度u1.3

当冷端补偿采用将标准与被检偶的参考端都置入同一密闭容器中，用一精密测温传感器跟踪测温补偿时，测温传感器误差≤0.2℃。各参考端之间存在着温度梯度，综合其引入的不确定度为0.3℃，属均匀分布则包含因子为k=。

u1.3=0.3/=0.17℃

3.1.4 转换开关及连接导线对被检引入的不确定度u1.4

根据测试结果，检定装置转换开关的寄生电势≤0.4μV，加上连接导线的影响及测量通道的不一致，其影響≤0.05℃，属均匀分布则包含因子为k=，endprint

u1.4 =0.05/=0.03℃

3.1.5 检定的重复性u1.5

在300℃、400℃、600℃温度点测量上，进行重复测量，由《热电偶、热电阻自动测量系统校准规范》规定，按系统正常运行连续测量三次，每次测完后，降温50后重新升温，待恒温后记录数据，三次测量结果间的最大差值为系统重复性，其结果应符≤3μν，并计算实验标准差（按极差法）。

实测数据如表1：（分度号：E NO：50）

按极差法标准公式：S（e）=（Xmax-Xmix）/dn计算标准差

查dn系数表，n=3时，dn=1.69

S300℃=0.01℃/1.64=0.01℃，属t分布

u1.5=S/=0.01℃

S400℃=0.03℃/1.64=0.02℃，属t分布

u1.5=S/=0.01℃

S600℃=0.04℃/1.64=0.02℃，属t分布

u1.5=S/=0.01℃

3.2 u（et标）项：为检定名义点上的标准器的不确定度

3.2.1 标准器引入的不确定度u2.1

一等标准铂铑10—铂热电偶在固定点上的扩展不确定度为0.6℃，呈正态分布P=99%（既包含因子2.58，自由度∞）。

u2.1=0.6/2.58=0.23℃

3.2.2 标准偶的年稳定性u2.2

检定规程规定，一等标准铂铑10—铂热电偶的年变化不大于5μν（铜点），以半区间计算，则a=5/2=2.5μν，此影响计为服从均匀分布，k=

u2.2=2.5/=1.44μν=0.12℃

3.3 u（ēt标）项

3.3.1 电测设备对标准偶引入的不确定度u3.1

（1）一等标准铂铑10—鉑热电偶在300℃的热电势值读数为2.32549mV，微分电势为0.00913mV/℃，300℃分度值2.323mV，误差按均匀分布则包含因子为k=

u3.1=（0.005%×2.32549+0.0035%×2.323）/0.00913×=0.01℃

（2）一等标准铂铑10—铂热电偶在400℃的热电势值读数为3.26032 mV，微分电势为0.00957mV/℃，400℃分度值3.259 mV，误差按均匀分布则包含因子为k=

u3.1=（0.005%×3.26032+0.0035%×3.259）/0.00957×=0.02℃

（3）一等标准铂铑10—铂热电偶在600℃的热电势值读数为5.23049 mV，微分电势为0.01021mV/℃，600℃分度值5.239 mV，误差按均匀分布则包含因子为k=

u3.1=（0.005%×5.23049+0.0035%×5.239）/0.01021×=0.03 ℃

3.3.2 检定炉温场均匀性对标准引入的不确定度u3.2

因标准偶所在的炉内中心位置与最外围被检偶的位置之间存在着温度梯度，根据对检定炉轴向与径向温场的测试，标准偶与最外围被检偶的温度最大约为0.5℃，属均匀分布则包含因子为k=，以半区间计算则0.5/2=0.25℃

u3.2=0.25/=0.14℃

3.3.3 参考端温度修正对标准引入的不确定度u3.3

当冷端补偿采用将标准与被检偶的参考端都置入同一密闭容器中，用一精密测温传感器跟踪测温补偿时，测温传感器误差≤0.2℃。各参考端之间存在着温度梯度，综合其引入的不确定度为0.3℃，属均匀分布则包含因子为k=

u3.3=0.3/=0.17℃

3.3.4 转换开关及连接导线对标准引入的不确定度u3.4

根据测试结果，检定装置转换开关的寄生电势≤0.5μV，加上连接导线的影响及测量通道的不一致，其影响≤0.05℃，属均匀分布则包含因子为k=，

u3.4=0.05/=0.03℃

3.3.5 数据修约引入的不确定度u3.5

数据修约引入的不确定度为0.05℃，属均匀分布，故包含因子为k=

u3.5=0.05/=0.03℃

4 标准不确定度分量汇总表（表2）

4.1 合成标准不确定度

uc2=u21.1+u21.2+u21.3+u21.4+u21.5+u22.1+u22.2+u23.1+u23.2+ u23.3+u23.4+u23.5

uc300=0.35℃

uc400=0.39℃

uc600=0.39℃

4.2 扩展不确定度

扩展不确定度U=kuc，取k=2

300℃：U300=k×uC=2×0.35=0.7℃

400℃：U400=k×uC=2×0.39=0.8℃

600℃：U600=k×uC=2×0.39=0.8℃

4.3 测量结果不确定度报告

本标准热电偶装置的总不确定度：

300℃：U=0.7℃ k=2

400℃：U=0.8℃； k=2

600℃：U=0.8℃ k=2

5 结语

本文通过对热电偶测量结果示值误差的测量结果不确定度的评定，其扩展不确定度约等于被检热电偶允许误差绝对值的1/5，所选标准器满足开展工作的要求。endprint