短型熱電偶校準方法及測量不確定度分析

[摘要]從分析短型熱電偶校準技術難點人手,梳理了近幾年來行業內短型熱電偶校準技術發展應用情況,研制的一套短型熱電偶校準裝置,開展了短型熱電偶校準實驗和測量結果不確定度分析,供有短型熱電偶校準需求的單位參考。
引言
　　熱電偶是兩種不同材料的導體基于塞貝克效應制成的溫度計,是溫度測量領域中,應用最廣泛的感溫元件之一。
　　為了更好地開展好工廠短型熱電偶校準工作,從分析短型熱電偶校準技術難點人手,梳理了近幾年來短型熱電偶校準技術的發展應用情況,依托工廠計量站與國防科技工業電學--級計量站共同研制的一套短型熱電偶校準裝置,開展了短型熱電偶校準實驗和測量結果不確定度分析,供其他有共同需求的單位參考。
1短型熱電偶校準存在的技術難點
　　根據熱電偶測溫理論,熱電偶回路處于端溫分別為和t0的溫場中,其回路電動勢EAB(t,t0)=E0,+△E,等式右邊第一項為均質熱電偶所產生的熱電勢,第二項為熱電偶的不均質性引起的誤差(寄生熱電勢),很顯然不均質性和溫度梯度共同作用才會產生寄生電動勢,因此,熱電偶在校準時,應將熱電偶的感溫頭插人爐體最高溫度點處,并且要有足夠長的溫坪。
　　選擇一個合適的標準熱源,是解決短型熱電偶校準的關鍵。
2短型熱電偶校準技術方法
2.1臥式檢定爐法
　　用臥式檢定爐校準短型熱電偶的原理和方法與長型熱電偶的校準方法相似,可采用雙極比較法或同名極性分度法,校準原理圖見圖1。
 
　　由于爐體長度較短,被校熱電偶的冷端受爐溫的影響很大,需加接補償導線才能提高校準結果可靠性,這種方法只能校準長度在200mm~700mm范圍內的熱電偶,也是國內采用較多的校準方法。
2.2干體爐法
　　對于長度小于200mm的短型熱電偶,國內還沒有定型的校準方法,也缺乏穩定可靠的國產校準裝置。中國計量科學研究院、中航工業304研究所等單位選用國外廠家生產的干體爐,采用雙極比較法開展了短型熱電偶的校準研究,取得了令人滿意的校準結果。
3解決工廠短型熱電偶校準問題的思路和方法
3.1問題分析
　　工廠各型發動機試車臺、部附件試驗臺上安裝使用的航空用熱電偶,長度為(150~250)mm,屬于短型熱電偶。300℃以下時,可放置在恒溫油槽中,用二等標準鉑電阻溫度計作比對校準。但校準時油槽介質會對短型熱電偶產生污染,導致絕緣強度降低,熱電性能下降。300C以上時,因短型熱電偶不能伸入到300mm檢定爐的溫場中心位置,不具備校準條件。
3.2解決思路和方法
　　依據問題分析,參考JJF1637-2017《廉金屬熱電偶校準規范》、JJG668-1997《工作用鉑銠10-鉑(鉑銠13-鉑)短型熱電偶檢定規程》技術要求,提出了采用干體爐法開展短型熱電偶校準的思路。
(1) 短型熱電偶溫度校準及干體爐溫場保證
　　被測熱電偶較短,目前市面上的臥式檢定爐不.能滿足計量的需求,短型熱電偶只能在恒溫油槽進行250℃以下溫度的校準。在短型熱電偶校準研制過程中,使用干體爐作為恒溫源,其恒溫溫場較短,處于干體爐底部位置,短型熱電偶的校準結果與被校準熱.電偶插入深度和位置有很大關系。
　　解決措施:溫度校準系統采用干體式計量爐、標準熱偶、標準鉑電阻配合使用,可解決短型熱電偶的校準問題。
(2)自動化校準系統的設計
　　短型熱電偶校準對人員要求較高,表現在準備工作時間較長,校準過程中等待溫度恒定時間長,判定是否滿足恒溫要求對經驗要求較高,數據處理繁瑣復雜。
　　解決措施:編寫自動控制軟件,實現以下功能:允許在檢定時中途(意外)退出,檢定數據不丟失。能自.動判斷被檢偶、阻開路或損壞以及正負極。支持各種熱電偶同爐混檢。設有到溫延時檢定功能,延時時間可以自動或手動設置。時間可以任意增加或減少,這樣進一步提高了熱電偶檢定數據的可靠性和準確性。
3.3試驗數據及效果分析
　　分別選取了1只長度為160mmK分度1級鎧裝廉金屬熱電偶和1只長度為200mms分度I級貴金屬熱電偶作為被測,在該系統中進行了實驗。
　　當被測熱電偶插人深度大于計量干體爐(9173型)軸向均勻性、徑向均勻性技術指標保證深度(100mm)時,測量結果受溫度梯度場、溫坪影響較小,校準情況較為滿意。
4測量結果不確定分析
4.1校準方法
　　采用雙極比較法,在干體爐中放置金屬均熱塊(柱.狀)。標準器使用-等標準鉑銠1鉑熱電偶,被校熱電偶為一支長160mm,精度等級1級,K分度鎧裝短型熱電偶。兩者分別插入均熱塊相鄰孔位中,進行比較測量,測量標準熱電偶和被校熱電偶的熱電動勢值。
4.2測量模型
　　校準短型熱電偶在某溫度點上的熱電動勢值采用下式計算:
 
4.4標準不確定度分量的評定
　　以校準溫度點為400℃為例。
4.4.1被校熱電偶輸入量`e`被引入的標準不確定度分量
　　輸人量`e被的標準不確定度u(`e被),其來源有被校熱電偶的測量重復性引人,電測設備測量誤差引人,爐內均熱塊徑向溫場的不均勻性引人,爐溫的波動性引人,轉換開關寄生熱電勢引人,參考端溫度不等于0℃引入,熱電偶測量端熱量損失引入。
4.4.2被校熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u1,A類方法評定。
　　用一支一等標準熱電偶對被校熱電偶在400℃進行測量,測得5組,每組10個重復性測量數據,用A類方法進行評定,合并樣本標準偏差Sp1為:
 
4.4.3電測設備測量被校熱電偶的測量誤差引入的標準不確定度分量u2,B類方法評定。
　　電測設備為6^1/2位數字多用表,其測量值的誤差按一年內的精度±(50×10^-6×測量值+35×10^-6×量程）計算對應校準點度數16.5mV,量程為(0~100)mV,讀數誤差為±4325μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為2.16μV,則標準不確定度分量
u2=216/√3=1.25μV
4.4.4均溫塊徑向溫場不均勻引入的標準不確定度分量u3,,B類方法評定。
　　校準時,由于爐內放置的均溫塊徑向溫場不均勻性,最大差值為0.5℃,換算成熱電勢值為20μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為10μV,則標準不確定度分量
U3=10/√3=5.77μV
4.4.5爐溫波動性引入的標準不確定度分量u4,B類方法評定。
　　由經驗可知,讀數時,標準偶測得溫場實際變化不超過3.0μV,以微分熱電勢9.567μV/℃計算(相當于0.31℃),再以微分電勢42.24μV/℃計算,帶來的誤差為13.09uV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為6.55μV,則標準不確定度分量
U4=6.55√3=3.78μV
4.4.6轉換開關寄生熱電勢引入的標準不確定度分量u5,B類方法評定。.
　　根據掃描開關的說明書可知,各路之間最大寄生電勢不大于0.5μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為0.5μV,則標準不確定度分量
U5=0.5N√3=0.29μV
4.4.7參考端溫度不等于0℃引入的標準不確定度分量u6,B類方法評定。
　　經過測量參考端不等于0℃,誤差為±0.1℃,換算成熱電勢值為±394μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為3.94μV,則標準不確定度分量
u6=3.94/√3=2.27μV
4.4.8熱電偶測量端熱量損失引入的標準不確定度分量u7,B類方法評定。
　　根據經驗測量端熱量損失對熱電偶示值的影響
　　不超過1.6℃,換算成熱電勢值為67.58μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為3379μV,則標準不確定度分量
U7=33.79/√3=19.51μV
由于各輸人量彼此之間相互獨立,則:
 
4.4.9標準熱電偶分度計算e_標證引入的標準不確定度分量u(e_標證),B類方法評定。
　　根據證書值計算得出,標準熱電偶在400℃校準溫度點標準不確定度為
u(e標證)=3.63μV
4.4.10標準熱電偶重復性測量引入的標準不確定度分量u(`e標),A類方法評定。.
　　標準熱電偶測得5組,每組10個重復性測量數據,用A類方法進行評定,合并樣本標準偏差Sp2為:
 
　　實際測量以4次測量值的平均值作為測量結果,
故u(`e補)=sp2/√4=040μV
4.4.11補償導線示值誤差引入的標準不確定度分量u(`e補),B類方法評定。
　　經過測量,K型補償導線在50℃時,誤差±0.5℃,換算成熱電勢值為20.62μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為20.62μV,則標準不確定度分量
u(e補)=20.62/√3=11.91μV
合成標準不確定度
　　各輸人量之間相互獨立,則合成標準不確定度為:
 
5結束語
　　通過上述實驗數據分析,采用干體爐法開展短型熱電偶校準工作,選配的系統裝置技術指標滿足預期要求。通過對測量結果不確定度評定,可明確影響測量結果不確定度的主要因素包括三個方面:溫場穩定性及波動性,冷端補償情況和測量重復性。