工業用K型熱電偶測量結果不確定度評定

摘要:介紹采用二等標準鉑銠10-鉑熱電偶檢定工業用K型熱電偶,分析誤差的來源,并對其測量結果的不確定度進行評定。
0引言
　　熱電偶作為一種常見的測溫儀器,廣泛應用于電廠的高溫測量。隨著火電廠自動化水平的日益提高,運行人員對電廠溫度測量的準確性也提出了更高的要求。為了得到較為準確的測量結果,熱電偶的檢定工作非常重要。
1測量方法
　　測量依據:JG351-1996《工業用廉金屬熱電偶檢定規程》。測量環境條件:環境溫度(20±2)℃,濕度45%~75%RH。測量標準儀器:二等標準鉑銠10-鉑熱電偶(S型)、熱電偶自動檢定裝置、管式檢定爐。測量對象:工業用鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型),在300~1100℃范圍內,誤差不超過±2.5℃。
　　測量方法:將二等標準熱電偶與被檢K型熱電偶捆扎在一起,置于管式熱電偶檢定爐中,采用比較法進行檢定;按照要求連接線路,接通電源,啟動熱電偶自動檢定系統程序,設置檢定系統參數,按下檢定按鈕后,進入自動檢定過程;通過測量標準偶和被測偶在相同溫度點的熱電動勢,由標準偶與被檢偶的微分熱電動勢求得被檢偶在所需溫度點的熱電動勢,對被測熱電偶示值誤差的不確定度進行評定。
2建立數學模型
　　被測偶在需測量溫度點1的熱電動勢的數學模型：
 
　　式中,e被(t)為被測熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢,mV;e被(t')為被測熱電偶在測溫點t'的熱電動勢，mV;E標(t)為標準熱電偶在需測量溫度點t的熱電動勢,mV/℃;e標(t')測熱電偶在需測量溫度點t'的微分電動勢,μV/℃;S標(t)為標準熱電偶在需測量溫度點t的微分電動勢,μV/℃。
　　上述數學模型可簡化為:
 
3各輸入量的標準不確定度評定
3.1u1的評定.
　　U1來源于被測熱電偶測量重復性,數字電壓表測量誤差、檢定爐溫場分布不均、測量回路寄生電動勢以及熱電偶參考溫度不均等。
3.1.1被測熱電偶測量重復性引入的標準不確定度u(e'被)
　　采用A類方法進行評定。
　　在任一溫度點測量時,被測熱電偶重復性情況類似,以600℃為例進行分析。
　　將一支二等標準S型熱電偶作為測量標準,對它在600℃溫度點進行10次同條件的重復測量，測得被檢偶熱電勢的數據為:24.9021mV,24.9036mV,24.9042mV,24.9037mV,24.9025mV,24.9026mV,24.9041mV,24.9031mV,24.9038mV,249033mV。則`x=249033mV,
 
3.1.2數字電壓表測量誤差引入的標準不確定度u(e'被2)
　　采用B類方法進行評定。
　　數字電壓表在量程為100mV時的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈4.75μV,在區間內可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a被2為2.375μV，標準不確定度u(e'被2)=2.375/√3=1.371μV。
3.1.3檢定爐工作溫場分布不均勻引入的標準不確定度u(e'被3)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,工業用K型熱電偶由檢定爐工作溫場分布不均勻引起的最大誤差不超過±10μV。在區間內可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a樓3為10μV,標準不確定度u(e'被3)=10/√3=5.774μV。
3.1.4測量回路寄生電動勢引入的標準不確定度u(e'被4)
　　測量回路寄生電動勢包括補償導線.轉換開關等引起的電動勢,采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,測量回路寄生電動勢帶來的誤差不超過±0.4μV,在區間內可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a被4為0.4μV,標準不確定度u(e'被4)=0.4/√3=0.231μV。
3.1.5被測熱電偶參考端溫度不均引入的標準不確定度u(e'被5)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,被測熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±4μV(±0.1℃),在區間內可認為服從均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a被5為4μV,標準不確定度u(e'被5)=4/√3=2.310μV。
3.1.6u1的合成
　　u(e'被1).,u(e'被2)、u(e'被3)、u(e'被4)、u(e'被5)5個分項彼此獨立,互不相關,故合成標準不確定度:
 
3.2u2的評定
　　標準不確定度u2來源于二等標準熱電偶分度值的不確定度u(E標1)和其年不穩定性u(E標2),采用B類方法評定。
　　由二等鉑銠10-鉑熱電偶測量結果不確定度分析報告可知,其600℃檢定結果不確定度u(E標1)為2.4μV。
　　在檢定周期內的二等標準熱電偶,其年熱電勢變化一般不超過±5μV,在區間內可認為服從正態分布,覆蓋因子k=3,半寬度ae標為5μV,標準不確定度u(E標2)=5/3=1.667μV。
 
3.3u3
　　U3來源于標準熱電偶測量重復性、數字電壓表測量誤差、檢定爐溫場分布不均、測量回路寄生電動勢以及熱電偶參考溫度不均等。
3.3.1標準熱電偶測量重復性引入的標準不確定度u(e標1)
　　采用A類方法進行評定。
　　在任一溫度點測量時,標準熱電偶重復性情況類似,以600℃為例進行分析。
　　用二等標準熱電偶進行10次同條件的重復測量，測得被檢偶熱電勢的數據為:5.2371mV,5.2378mV，5.2374mV，5.2383mV，5.2375mV,5.2377mV,5.2380mV.
5.2381mV，5.2379mV，5.2372mV。則`x=5.2377mV,單次
 
　　0.406μV。以測得值的算術平均值作為測量結果,則該結果的標準不確定度為u(e標1)=Sp/√n=0.406/√4=0.203μV。
3.3.2數字電壓表測量誤差引入的標準不確定度.u(e標2)
　　采用B類方法進行評定。
　　數字電壓表在量程為100mV時的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈3.76μV，在區間內可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a標2為1.88μV,標準不確定度為u(e標2)=1.88/√3=1.085μV。
3.3.3檢定爐工作溫場分布不均勻引入的標準不確定度u(e標3)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,二等標準熱電偶由檢定爐工作溫場分布不均勻引起的最大誤差不超過±5μV，在區間內可認為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區間半寬度a標3為5μV,標準不確定度u(e標3)=5√3=2.887μV。
3.3.4測量回路寄生電動勢引入的標準不確定度u(e標4)
　　測量回路寄生電動勢包括補償導線、轉換開關等引起的電動勢,采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,測量回路寄生電動勢帶來誤差不超過±0.4μV，在區間內可認為均勻分布，覆蓋因子k=√3,半寬度aw4為0.4μV,標準不確定度為u(e標4)=0.4/√3=0.231μV。
3.3.5由標準熱電偶參考端溫度不均引入的標準.不確定度u(e標5)
　　采用B類方法進行評定。
　　由經驗可得,標準熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±1μV,在區間內服從均勻分布,覆蓋因子h=√3,區間半寬度a標5為1μV,標準不確定度為u(e標5)=1/√3=0.577μV。
3.3.6u3的合成
 
3.15μV。
3.4u(S標).u(S被)的評定
　　輸入量S標(t).S被(t)是在ITS--90溫標下用近似方法得到的,但其精度完全可滿足該類熱電偶使用精度的要求,由有效位數等原因引起的不確定度因微小而忽略。
4合成標準不確定度評定
　　所需測溫度600℃,用二等標準S型熱電偶檢定工業用K型熱電偶熱電動勢e被(t)的測量不確定度如表1所示。
 
5擴展不確定度Ugs評定
　　取置信概率p=0.95,包含因子k=2,擴展不確定度U95=k·uc=37.94μV。37.66μV換算成溫度為1.0℃。
6結果報告
　　用二等鉑銠10-鉑熱電偶作標準，采用比較法來校準工業用K型熱電偶，其擴展不確定度為1.0℃(k=2),小于2.5℃,符合規定要求。