熱電偶檢定爐溫場測量不確定度評定

摘要參照國家計量技術規范,基于實際工作情況對各型熱電偶檢定爐、退火爐溫場測量的不確定度進行了分析和評定,給出了S型貴金屬偶爐(包括工作用和標準)、廉金屬偶爐、退火爐和B型貴金屬偶爐(包括工作用和標準)各溫度點上的擴展不確定度評定結果。
1研究目的
      熱電偶檢定爐是工業領域中大量應用的高溫熱源,其溫場均勻性和波動性對于應用對象的測量正確性尤為重要。通過對檢定爐溫場測量結果的不確定度分析和評定,得到某一類檢定爐各輸人量的不確定度分量,分析出溫場測量方法中影響較大的因素，通過改進測量設備和測量方法提高測量精度。所得的擴展不確定度和檢定爐溫場允差進行比較,得出該測量方法所測得的結果是否可信。
2研究對象
       研究對象為300~1500℃溫度范圍內包括帶溫控器的和不帶溫控器的臥式管式熱電偶檢定爐(以下簡稱“檢定爐”)。其也可按照用途分為貴金屬偶爐(S型標準偶爐、B型標準偶爐、S型工作偶爐、B型工作偶爐、S/R型工作偶短爐)、廉金屬偶爐(600mm長和300mm長)和退火爐。
3測量條件
3.1環境條件
      環境溫度:(23士5)℃;相對濕度:≤80%;其他條件應滿足所用儀器設備的各項要求。
3.2測量標準和配套設備
測量所使用的測量標準和配套設備如表1所示。
4試驗方案
4.1測量方法
      選用兩支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶。其中,一支做移動標準偶,在檢定爐軸向或徑向規定位置移動;另一支做固定標準偶(參考標準偶),固定于軸向或徑向規定位置不動,用微差法測量移動標準偶在任意一點相對于固定“0”點位置的溫度差值[1,如圖1所示，

詳細內容見JJF1184—2007中的“6測試方法”。
不確定度分析評定過程以廉金屬偶爐(1000℃)為例。
4.2測量模型
      移動標準偶在任一點相對于“0”點的溫度產值采用下式計算:

       式中:Δt(t)i0為移動標準偶在任一點相對于“0”點的溫度差值,℃;ΔE(t)i為移動標準偶與固定標準偶在任一點的熱電動勢差值的算術平均值,μV;ΔE(t)0為移動標準偶與固定標準偶在“0”點的熱電動勢差值的算術平均值,μV;S(t)為標準偶在測試點的微分熱電動勢值(標準鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃的微分熱電動勢為11.54μV/℃)。


式中:u為標準不確定度分量,℃;uc為合成標準不確定度,℃;c1,c2為各輸入量的靈敏系數;∂為求偏導。
5標準不確定度分量的評定
      輸入量Δt(t)i(任一位置)引入的標準不確定度u(Δt(t)i),其來源有標準偶重復性引入、電測儀器測量誤差引入、爐溫波動引入、兩次測量位置的一致性引入、標準偶電極不均勻性引入、參考端溫差引入、轉換開關寄生熱電勢引入。
      輸入量Δt(t)0(固定“0”位置)引入的標準不確定度u(Δt(t)0),其來源有標準偶重復性引入、電測儀器測量誤差引入、爐溫波動引入、兩次測量位置的一致性引入、轉換開關寄生熱電勢引入、參考端溫差引入。
5.1標準不確定度u(Δt(t)i)的評定
5.1.1標準不確定度分量u(Δt(t)i1)
      由被測熱電偶重復性測量引入,A類方法評定[2]。用一支二等標準鉑銠10-鉑熱電偶在1000℃進行10次獨立重復性測量,單次實驗標準偏差為:

5.1.2標準不確定度分量u(Δt(t)i2)
      由電測設備測量標準偶的測量誤差引入,B類方法評定。電測設備為6位半數字多用表,其測量值的誤差按一年內的最大允許誤差±(50×10^-6×測量值+35×10^-6×量程)計算。對應溫度點的讀數取值如下:標準偶1000℃讀數=9.587mV[3];擋位為(0~100)mV,則量程為100mV。
經計算,1000℃溫度點的最大允許誤差為±3.979μV。
按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為3.979μV,則標準不確定度分量u(Δt(t)i2)=2.30μV(相當于0.199℃)。
5.1.3標準不確定度分量u(Δt(t)i3)
      由熱電偶檢定爐爐溫波動引入,B類。由經驗可知,每個測量位置讀數量時標準偶的示值變化不超過3.0μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為1.5μV,則標準不確定度分量u(Δt(t)i3)=0.87μV(相當于0.075℃)。
5.1.4標準不確定度分量u(Δt(t)i4)
      由兩次測量位置的一致性引入,B類。移動偶來回移動測量,第1次和第2次測量時位置的不一致會引起兩次測量結果有差異,最大差值估計值不大于2μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間分別為1μV,則標準不確定度分量u(Δt(t)i4)=0.29μV(相當于0.025℃)。
5.1.5標準不確定度分量u(Δt(t)i5)
      標準偶電極不均勻性引入,B類。由于熱電偶測量時處于有溫度梯度的溫場中,電極不均勻會產生很小的附加熱電勢,其估計值為±1μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為1μV,則標準不確定度分量u(Δt(t)i5)=0.29μV(相當于0.025℃)。
5.1.6標準不確定度分量u(Δt(t)i6)
      由參考端溫差引入,B類。根據零度恒溫器的證書可知,溫度精度(0±0.05)℃,造成熱電偶參考端和銅導線的接點溫差為±0.05℃。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為0.05℃,則標準不確定度分量u(Δt(t)i6)=0.029℃。
5.1.7標準不確定度分量u(Δt(t)i7)
      由轉換開關寄生熱電勢引入,B類。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0.4μV。按均勻分布考慮,包含因子k=√3,取半寬區間為0.4μV,則標準不確定度分量u(Δt(t)i7)=0.23μV(相當于0.020℃)。
由于各輸入量彼此之間相互獨立,則:

5.2標準不確定度u(Δt(t)0)的評定
      由于各分量引入不確定度的來源與u(Δt(t)i)相同,則過程省略,結果為:
u(Δt(t)0)=0.223℃
6擴展不確定度
各輸入量之間相互獨立,則合成標準不確定度為:

7各型熱電偶檢定爐的擴展不確定度表示
      根據以上的不確定度分析評定過程,評定出其他各型熱電偶檢定爐的擴展不確定度(主要區分標準器使用鉑銠10-鉑熱電偶或使用鉑銠30-鉑銠6熱電偶),采用CMC單值表示。
S型貴金屬偶爐(包括工作用和標準)、廉金屬偶爐和退火爐的擴展不確定度如表2所示。

      B型貴金屬偶爐(包括工作用和標準)的擴展不確定度如表3所示。

8研究結論
      由評定結果可得,1000℃的擴展不確定度為0.63,小于檢定爐溫場允差的模,說明測量結果可信。各不確定度分量較大的為u(Δt(t)i2)和u(Δt(t)i3)。它們的不確定度來源分別為電測儀器測量誤差引入和爐溫波動引入。電測儀器可以使用7位半數字多用表替換,可大幅度減小這一分量。爐溫波動引入的不確定度,將恒溫時間從30min延長為45min,可將半寬降低到1μV。