工作用贵金属热电偶作为比对传递标准的不确定度评定示例

高 丽

（山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院），山西 太原 030032）

1 引言

工作用贵金属热电偶作为一种无源传感器，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的温度及固体的表面温度，在冶金、机械、化工等领域的温度控制中一直发挥着重要的作用，其中铂铑10-铂热电偶因其准确度高、稳定性好、测温温区宽、响应时间短、使用寿命长等优点，在工业生产中的应用最为广泛。山西省的地（市）级法定计量检定机构及冶金、煤化工、电力等行业的部分企业已建立了一等铂铑10-铂热电偶标准装置社会公用计量标准和企业计量标准，开展工作用贵金属热电偶（S 型、R 型）的检定工作，不同实验室的检定结果可能存在一定差异。

根据《关于组织实施2022 年省级计量比对项目的通知》（晋市监函[2022]209 号）的要求，2022年组织山西省内法定计量技术机构及授权机构开展“工作用贵金属热电偶量值比对”活动。山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院）计量科学研究所担任主导实验室，参加本次比对的实验室为山西省范围内已取得相关社会公用计量标准证书的市级法定计量技术机构和建立企业计量标准可开展相关检定项目的计量技术机构。通过本次比对工作，检验了各参比实验室对工作用贵金属热电偶的测量能力，确保各参比实验室的测量方法的一致性、装备和人员能力的可靠性，带动了各实验室之间的技术交流，促进了本省温度计量专业水平的提高，确保贵金属热电偶量值传递的准确可靠 。

为了保证比对的顺利进行，本次比对选用了性能稳定的一等标准铂铑10-铂热电偶代替工作用贵金属热电偶作为传递标准。考虑传递标准的稳定性、数据的可靠性及传递过程中可能出现的不可控因素，本次比对选取两支一等标准铂铑10-铂热电偶作为比对传递标准同时进行传递，采用花瓣式传递路线，由主导实验室进行第一次测量后发出样品，参比实验室依次传递给下一个实验室，样品在各实验室传递中期会返回一次主导实验室，进行期间稳定性核查后再次发出样品，继续进行比对标准的传递，最后传递标准返回主导实验室后，由主导实验室再次进行传递标准的稳定性核查和固定点热电势值的测量，比较传递标准在传递前后以及中期的量值变化，若其变化量符合比对稳定性的要求，则确认本次比对传递有效。在整个比对中，除主导实验室在比对准备阶段对传递标准进行清洗、退火以外，任何参比实验室在比对进行过程中不可对传递标准进行清洗和退火。为了提高工作用贵金属热电偶量值比对的有效性和准确性，文章为主导实验室提供了一种对传递样品进行不确定度评定的思路。

2 概述

（1）测量依据：JJG 141-2013《工作用贵金属热电偶》检定规程。

（2）环境条件：温度15～35 ℃；相对湿度＜85%。

（3）测量标准：标准铂铑10-铂热电偶工作基准、2010 数字多用表、低电势扫描仪、卧式热电偶检定炉。

（4）被测对象：一等标准铂铑10-铂热电偶。

（5）测量过程：按照规程要求进行捆扎和装炉，由低温向高温逐点在419.527 ℃（锌凝固点）、660.323 ℃（铝凝固点）、1 084.62 ℃（铜凝固点）进行测量，测量方法为双极比较法（同名极法、微差法因线路连接方法不同，不适用于本文中的分析）。

（6）文章不确定度评定结果的使用：若标准器、配套设备、被测对象与上述条件一致，则该情况下得到的测量结果，一般可直接使用本文的不确定度分析过程和评定结果。

3 数学模型和不确定度传播率

3.1 数学模型

本次比对用双极比较法进行热电偶的分度，被测热电偶在各测量点上的热电势为E被。

式中：E标证——标准热电偶（标准铂铑10-铂热电偶工作基准）有效溯源证书中固定点的热电势，mV；Δe——比对实验中测得的被检热电偶（一等铂铑10-铂热电偶）和标准热电偶的热电动势平均值的差值，比对实验中测得的被检热电偶的热电势平均值，比对实验中测得的标准热电偶的热电势平均值，mV。

3.2 不确定度传播率

E标证和Δe互不相关，灵敏系数：

4 标准不确定度分量的分析

4.1 标准热电偶 E标证的标准不确定度u(E标证)

4.1.1 标准热电偶量值溯源引入的标准不确定度分量u1(E标证)

根据量值传递，标准铂铑10-铂热电偶工作基准分度值的扩展不确定度U=0.℃3，k=2.5 8，可得则

锌点：u1(E标证)=0.105℃·S锌=1.0 1μV

铝点：u1(E标证)=0.105℃·S铝=1.0 9μV

铜点：u1(E标证)=0.105℃·S铜=1.24μV

式中，S为微分热电动势值，S锌=9.64μV/℃，S铝=1 0.4 0μV/℃，S铜=1 1.8 0μV/℃。

4.1.2 标准热电偶年稳定性引入的标准不确定度分量u2(E标证)

根据标准器证书的检定结果：锌点年稳定性最大为0.2 μV ，铝点年稳定性最大为0.3 μV，铜点年稳定性最大为0.7 μV。按均匀分布考虑，取则

锌点：u2(E标证)=0.2μV/3=0.1 2μV

铝点：u2(E标证)=0.3μV/3=0.1 7μV

铜点：u2(E标证)=0.7μV/3=0.4 0μV

u1(E标证)和u2(E标证)彼此独立不相关，则

?

4.2 被检热电偶和标准热电偶的热电动势平均值的差值 (Δ e的标准不确定度 u (Δ e)

4.2.1 测量重复性的影响量u1( Δe)

在每个测量点，共得到四组数据，每组4 次重复测量，根据极差法计算可得到si(i=1,2,3,4)，合并样本标准偏差可得。最终测量结果实际是取4次测量结果的平均值，则计算结果如下：

?

4.2.2 数字多用表测量误差引入的标准不确定度分量u2(Δe)

测量时使用KEITHLEY2010 数字多用表，其基本误差计算公式为±（0.003 7%red+0.000 9%FS）mV，按均匀分布处理，经计算得：

4.2.3 检定炉温场均匀性引入的标准不确定度分量u3( Δe)

该标准不确定度分量是由检定炉温场不均匀，标准热电偶与被检热电偶工作端接触差异引起的。由经验可得：标准热电偶和被检热电偶测量端之间的温差不超过±0.1 ℃。用B 类方法进行评定，估算区间半宽为0.1 ℃，按均匀分布处理，则u3(Δe)0.058℃，得到：

?

4.2.4 测量回路寄生电势引入的标准不确定度分量u4(Δe)

由经验可知，转换开关寄生电势不大于0.4 μV。用B 类方法进行评定，区间半宽为0.4 μV，按均匀分布处理，则

4.2.5 热电偶参考端温差引入的标准不确定度分量u5( Δe)

由经验可知：在同一冰点恒温器内，热电偶各参考端温差不超过±0.05 ℃。采用B 类方法进行评定，取区间半宽为0.05 ℃，铂铑10-铂热电偶在冰点的微分热电势为5.40 μV/℃，温差换算热电势为0.27μV，按均匀分布处理，则

4.2.6 炉温波动引入的标准不确定度分量u6(Δe)

该标准不确定度分量是由炉温变化引起的，测量时炉温可控制在0.1 ℃/min，每次读数时间小于1 min，炉温变化差不超过0.1 ℃，用B 类方法进行评定，区间半宽为0.05 ℃，按反正弦分布处理，得

?

以上各项彼此独立不相关，则

?

5 标准不确定度的合成

5.1 不同温度测量点标准不确定度的汇总

?

5.2 合成标准不确定度

?

6 扩展不确定度

取包含因子k=2，则U=uc×2，工作用贵金属热电偶测量结果的扩展不确定度见下表：

?

换算成温度值为：

?

7 结果分析

使用性能更稳定的一等铂铑10-铂热电偶代替工作用贵金属热电偶作为量值比对的传递标准，可降低传递过程中带来的稳定性偏离过大、重复性偏大等风险，使得比对可以更有序顺利地进行，本文采用的方法是科学合理的。在进行计量比对时可采用合并样本标准偏差来评定重复性引入的不确定度分量，以提高可靠性，并建议在计量比对中采用高一等级的标准计量器具作为传递标准。