熱電偶檢定誤差及不確定度的分析

摘要:熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)制成的溫度測量元件，是一種廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的溫度傳感器，它由兩種不同材料的熱電極構(gòu)成，并將其兩端的溫度差，以電勢(shì)值的形式輸入給二次儀表———溫度顯示儀表，以完成溫度測量的全過程。因此，熱電偶就是測量儀表的基礎(chǔ)元件，其示值的正確性，可靠性與否，將影響著整個(gè)控溫的精度。因而熱電偶在檢定過程中，其標(biāo)準(zhǔn)裝置，檢定方法等，是否滿足檢定規(guī)程要求，將從根本上影響著檢定結(jié)果的正確性和可靠性。
1概述
　　根據(jù)JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》要求，檢定方法有雙極比較法和同名極比較法，根據(jù)單位的情況采用雙極比較法。其檢定原理圖應(yīng)按照?qǐng)D1所示進(jìn)行。規(guī)程要求檢定時(shí)檢定標(biāo)準(zhǔn)與所有被檢熱電偶的參考端應(yīng)全部直接插入1個(gè)0℃的冰點(diǎn)槽里，這樣經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)，由低電勢(shì)直流電位差計(jì)或其他等精度電測儀器測得的熱電勢(shì)值為E(t0)，即檢定爐的爐溫t，相對(duì)于0℃的熱電勢(shì)值，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱電偶誤差修正后，就可以從熱電偶分度表中直接查得熱電偶所測實(shí)際溫度，或計(jì)算出被檢熱電偶的誤差值。2熱電偶的檢定方法及所用標(biāo)準(zhǔn)裝置通常熱電偶的檢定方法有雙極比較法、同名極比較法，一般使用的是同名極比較法，其檢定原理如圖1所示。
 
　　熱電偶在檢定前先清洗、退火、然后捆扎入爐。檢定在鋅(419．527℃)、鋁(660．323℃)、銅(1084．62℃)3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行，開始測量時(shí)，其測量順序?yàn)橛傻蜏氐礁邷刂瘘c(diǎn)檢定，檢定爐爐溫偏離檢定點(diǎn)溫度不得超過±5℃，當(dāng)爐溫升到設(shè)定檢定點(diǎn)后觀測到爐溫變化小于0．1℃/min(S型、Ｒ型熱電偶)時(shí)，開始測量，其測量順序?yàn)?
 
　　測量時(shí)每只熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)測量次數(shù)不少于4次，整個(gè)測量過程爐內(nèi)溫度變化低于0．5℃。測量讀數(shù)保留到小數(shù)點(diǎn)后4位(0．1μv)。由于檢定點(diǎn)是在鋅、鋁、銅3個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行的，合格的熱電偶在鑒定證書中還須給出300℃～1300℃各整百度上的熱電勢(shì)值。計(jì)算式為:
 
　　式中:et溫度t時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)值，e1、e2、e3被檢定的熱電偶在3個(gè)固定點(diǎn)t1、t2、t3時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)值，φ1(t)，φ2(t)，φ3(t)，分別為t1，t2，t3溫度下的影響函數(shù)
 
3誤差來源、產(chǎn)生原因及計(jì)算分析
　　誤差來源主要以人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面分析。
1)一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10－鉑熱電阻的不確定度評(píng)定為0．6℃，正態(tài)分布，取k=2．58。則:
 
2)一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2。由檢定規(guī)程JJG75－1995得知，其在銅點(diǎn)的年穩(wěn)定性不超過5μv，假設(shè)按均勻分布，K=3。其結(jié)果相當(dāng)于0．24℃。
 
3) 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。對(duì)分度號(hào)為S、編號(hào)為47－1S－11的熱電偶在短時(shí)間內(nèi)測量8次，在銅點(diǎn)測量數(shù)據(jù)如下:
10． 5679，10．5676，10．5675，10．5668，10．5665，10．5663，10．5666，10．6569
實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sn=0．049℃，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
 
4)電測儀表讀數(shù)不正確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。2010型7位半數(shù)字多用表由使用說明書得知在測量銅點(diǎn)熱電勢(shì)為10．575mv時(shí)的極限誤差為±(0．0037%讀數(shù)+0.0009%量程)，得允差e4=±1．29μv(S熱電偶在銅點(diǎn)時(shí))，相當(dāng)于0．11℃，假設(shè)按均勻分布，k槡=3。其結(jié)果相當(dāng)于0．06℃。
 
5)轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢(shì)引入的不確定度分量u5。檢定規(guī)程規(guī)定，轉(zhuǎn)換開關(guān)各路寄生電勢(shì)小于0．4μv，相當(dāng)于0．03℃。假設(shè)按均勻分布k=。其結(jié)果相當(dāng)于0．02℃。
 
6)檢定爐溫場不均勻性引入的不確定分量u6。檢定規(guī)程規(guī)定，管式檢定爐溫均勻溫場內(nèi)溫度變化梯度0．4℃/10mm，半寬度e6=0．2℃。按均勻分布k=。
 
4被檢熱電偶總不確定度計(jì)算1)總不確定度由以上8項(xiàng)不確定度合成，上述8項(xiàng)不確定度彼此獨(dú)立，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc:
 
2) 拓展不確定度U=KUC=0．78℃(k取2)
　　被檢熱電偶在使用溫度上限允許基本誤差=1600℃×0.25%=4．0℃
5結(jié)語
　　鉑銠10———鉑熱電偶檢定裝置的總不確定度為0．78℃，小于被檢熱電偶的允許基本誤差4．0℃，達(dá)到了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不確定度為被校準(zhǔn)檢測設(shè)備不確定度的1/3～1/10點(diǎn)要求，滿足熱電偶檢定要求。從以上分析中可知，由于在熱電偶檢定中采取了許多消除或避免誤差產(chǎn)生的措施，使得被檢熱電偶的總不確定度為最低限度。因此，在檢定工作中，要嚴(yán)格遵守檢定規(guī)程，不斷學(xué)習(xí)，要從人員、裝置、方法、環(huán)境及被檢熱電偶特性等多方面做些更細(xì)致的工作，使測量不確定度減小到最低限度，以保證熱電偶的傳遞精度。為企業(yè)更好更快持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。