工業(yè)用K型熱電偶測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

摘要:介紹采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶檢定工業(yè)用K型熱電偶,分析誤差的來源,并對(duì)其測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定。
0引言
　　熱電偶作為一種常見的測(cè)溫儀器,廣泛應(yīng)用于電廠的高溫測(cè)量。隨著火電廠自動(dòng)化水平的日益提高,運(yùn)行人員對(duì)電廠溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。為了得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,熱電偶的檢定工作非常重要。
1測(cè)量方法
　　測(cè)量依據(jù):JG351-1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》。測(cè)量環(huán)境條件:環(huán)境溫度(20±2)℃,濕度45%~75%RH。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀器:二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶(S型)、熱電偶自動(dòng)檢定裝置、管式檢定爐。測(cè)量對(duì)象:工業(yè)用鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型),在300~1100℃范圍內(nèi),誤差不超過±2.5℃。
　　測(cè)量方法:將二等標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢定;按照要求連接線路,接通電源,啟動(dòng)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)程序,設(shè)置檢定系統(tǒng)參數(shù),按下檢定按鈕后,進(jìn)入自動(dòng)檢定過程;通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偶和被測(cè)偶在相同溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì),由標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢偶的微分熱電動(dòng)勢(shì)求得被檢偶在所需溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì),對(duì)被測(cè)熱電偶示值誤差的不確定度進(jìn)行評(píng)定。
2建立數(shù)學(xué)模型
　　被測(cè)偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)1的熱電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型：
 
　　式中,e被(t)為被測(cè)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t的熱電動(dòng)勢(shì),mV;e被(t')為被測(cè)熱電偶在測(cè)溫點(diǎn)t'的熱電動(dòng)勢(shì)，mV;E標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t的熱電動(dòng)勢(shì),mV/℃;e標(biāo)(t')測(cè)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t'的微分電動(dòng)勢(shì),μV/℃;S標(biāo)(t)為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在需測(cè)量溫度點(diǎn)t的微分電動(dòng)勢(shì),μV/℃。
　　上述數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為:
 
3各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
3.1u1的評(píng)定.
　　U1來源于被測(cè)熱電偶測(cè)量重復(fù)性,數(shù)字電壓表測(cè)量誤差、檢定爐溫場(chǎng)分布不均、測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)以及熱電偶參考溫度不均等。
3.1.1被測(cè)熱電偶測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被)
　　采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　在任一溫度點(diǎn)測(cè)量時(shí),被測(cè)熱電偶重復(fù)性情況類似,以600℃為例進(jìn)行分析。
　　將一支二等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)它在600℃溫度點(diǎn)進(jìn)行10次同條件的重復(fù)測(cè)量，測(cè)得被檢偶熱電勢(shì)的數(shù)據(jù)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(shù)字電壓表測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被2)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　數(shù)字電壓表在量程為100mV時(shí)的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈4.75μV,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被2為2.375μV，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被2)=2.375/√3=1.371μV。
3.1.3檢定爐工作溫場(chǎng)分布不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被3)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,工業(yè)用K型熱電偶由檢定爐工作溫場(chǎng)分布不均勻引起的最大誤差不超過±10μV。在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a樓3為10μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被3)=10/√3=5.774μV。
3.1.4測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被4)
　　測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)包括補(bǔ)償導(dǎo)線.轉(zhuǎn)換開關(guān)等引起的電動(dòng)勢(shì),采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)帶來的誤差不超過±0.4μV,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被4為0.4μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被4)=0.4/√3=0.231μV。
3.1.5被測(cè)熱電偶參考端溫度不均引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e'被5)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,被測(cè)熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±4μV(±0.1℃),在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a被5為4μV,標(biāo)準(zhǔn)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(gè)分項(xiàng)彼此獨(dú)立,互不相關(guān),故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
 
3.2u2的評(píng)定
　　標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2來源于二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度值的不確定度u(E標(biāo)1)和其年不穩(wěn)定性u(píng)(E標(biāo)2),采用B類方法評(píng)定。
　　由二等鉑銠10-鉑熱電偶測(cè)量結(jié)果不確定度分析報(bào)告可知,其600℃檢定結(jié)果不確定度u(E標(biāo)1)為2.4μV。
　　在檢定周期內(nèi)的二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,其年熱電勢(shì)變化一般不超過±5μV,在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從正態(tài)分布,覆蓋因子k=3,半寬度ae標(biāo)為5μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(E標(biāo)2)=5/3=1.667μV。
 
3.3u3
　　U3來源于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量重復(fù)性、數(shù)字電壓表測(cè)量誤差、檢定爐溫場(chǎng)分布不均、測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)以及熱電偶參考溫度不均等。
3.3.1標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)1)
　　采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　在任一溫度點(diǎn)測(cè)量時(shí),標(biāo)準(zhǔn)熱電偶重復(fù)性情況類似,以600℃為例進(jìn)行分析。
　　用二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行10次同條件的重復(fù)測(cè)量，測(cè)得被檢偶熱電勢(shì)的數(shù)據(jù)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(cè)得值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,則該結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)1)=Sp/√n=0.406/√4=0.203μV。
3.3.2數(shù)字電壓表測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度.u(e標(biāo)2)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　數(shù)字電壓表在量程為100mV時(shí)的允許誤差為±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈3.76μV，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)2為1.88μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)2)=1.88/√3=1.085μV。
3.3.3檢定爐工作溫場(chǎng)分布不均勻引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)3)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶由檢定爐工作溫場(chǎng)分布不均勻引起的最大誤差不超過±5μV，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布,覆蓋因子k=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)3為5μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)3)=5√3=2.887μV。
3.3.4測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(e標(biāo)4)
　　測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)包括補(bǔ)償導(dǎo)線、轉(zhuǎn)換開關(guān)等引起的電動(dòng)勢(shì),采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,測(cè)量回路寄生電動(dòng)勢(shì)帶來誤差不超過±0.4μV，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為均勻分布，覆蓋因子k=√3,半寬度aw4為0.4μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)4)=0.4/√3=0.231μV。
3.3.5由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考端溫度不均引入的標(biāo)準(zhǔn).不確定度u(e標(biāo)5)
　　采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。
　　由經(jīng)驗(yàn)可得,標(biāo)準(zhǔn)熱電偶參考端溫度不均引起的誤差不超過±1μV,在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布,覆蓋因子h=√3,區(qū)間半寬度a標(biāo)5為1μV,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(e標(biāo)5)=1/√3=0.577μV。
3.3.6u3的合成
 
3.15μV。
3.4u(S標(biāo)).u(S被)的評(píng)定
　　輸入量S標(biāo)(t).S被(t)是在ITS--90溫標(biāo)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(shù)等原因引起的不確定度因微小而忽略。
4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
　　所需測(cè)溫度600℃,用二等標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶檢定工業(yè)用K型熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)e被(t)的測(cè)量不確定度如表1所示。
 
5擴(kuò)展不確定度Ugs評(píng)定
　　取置信概率p=0.95,包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度U95=k·uc=37.94μV。37.66μV換算成溫度為1.0℃。
6結(jié)果報(bào)告
　　用二等鉑銠10-鉑熱電偶作標(biāo)準(zhǔn)，采用比較法來校準(zhǔn)工業(yè)用K型熱電偶，其擴(kuò)展不確定度為1.0℃(k=2),小于2.5℃,符合規(guī)定要求。