熱工儀表檢定裝置建標(biāo)方法及不確定度探討

金卓飛，施可登

（浙江省火電建設(shè)公司，杭州 310016）

隨著電力建設(shè)的飛速發(fā)展，發(fā)電廠熱工檢測(cè)對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置有了更高的要求。熱工二次儀表計(jì)量綜合檢定裝置可以開(kāi)展溫度指示調(diào)節(jié)儀、溫度巡回檢測(cè)儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫度變送器、信號(hào)隔離處理器等多種熱工二次儀表檢定，為保證計(jì)量的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)熱工二次儀表計(jì)量綜合檢定裝置進(jìn)行不確定度分析和建標(biāo)方法的探討。

1 建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要工作

為了取到計(jì)量測(cè)量檢定資質(zhì)，整套綜合檢定裝置籌建完成后，必須向上一級(jí)計(jì)量行政部門申請(qǐng)計(jì)量考核，考評(píng)合格并獲得有效證書(shū)，才能成為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。建標(biāo)程序主要包括以下7個(gè)方面：

（1）科學(xué)合理配置計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備。

（2）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及主要配套設(shè)備進(jìn)行有效溯源，并取得有效檢定或校準(zhǔn)證書(shū)。本裝置對(duì)3種信號(hào)輸入?yún)?shù)作測(cè)量不確定度的分析評(píng)定，以確定不同信號(hào)產(chǎn)生的測(cè)量不確定度。

（3）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)試運(yùn)行期間的穩(wěn)定性考察。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。整套裝置試運(yùn)行期間，在遞交申請(qǐng)報(bào)告之前6個(gè)月內(nèi)，在均勻的時(shí)間間隔內(nèi)做5次以上的校驗(yàn)工作，必須使用同一主標(biāo)準(zhǔn)器，并且針對(duì)同一被校儀表用同種方式校驗(yàn)，其目的是為了衡量主標(biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定性能良好與否。

（4）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)試運(yùn)行期間的測(cè)量重復(fù)性考察。在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一被測(cè)量，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)提供相近示值的能力。通常用測(cè)量結(jié)果的分散性來(lái)定量地表示，即用單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示。

（5）申請(qǐng)資料準(zhǔn)備完善。《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核申請(qǐng)書(shū)》及《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報(bào)告》等申請(qǐng)資料撰寫(xiě)完整，數(shù)據(jù)確鑿。

（6）環(huán)境條件及設(shè)施應(yīng)當(dāng)滿足開(kāi)展檢定的要求，并按要求對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行有效監(jiān)督和控制。

（7）建立標(biāo)準(zhǔn)裝置文件檔案，檢定人員須持有效證件。

2 熱工二次儀表檢定裝置配置的選擇

在實(shí)驗(yàn)室檢定熱力系統(tǒng)二次儀表，檢定時(shí)所需的標(biāo)準(zhǔn)儀器可根據(jù)被檢儀器的準(zhǔn)確度、型號(hào)規(guī)格進(jìn)行選擇并組合成套，沒(méi)有必要選擇高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)儀表，應(yīng)選擇性價(jià)比最高的配置。原則上，成套后的標(biāo)準(zhǔn)器檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度U95（置信概率為95%）應(yīng)不超過(guò)被檢儀器最大允許誤差絕對(duì)值的1/4。

二次儀表型號(hào)種類繁多、檢定范圍廣，每次檢定時(shí)需進(jìn)行不確定度計(jì)算來(lái)驗(yàn)證所選的標(biāo)準(zhǔn)器是否符合要求，計(jì)算復(fù)雜煩瑣。為此將熱工二次儀表按其輸入信號(hào)類別進(jìn)行系統(tǒng)歸類，綜合為熱電偶、熱電阻、電流3種輸入信號(hào)的顯示儀表，由標(biāo)準(zhǔn)器輸出相應(yīng)高準(zhǔn)確度的熱電勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電流信號(hào)，與以熱電偶、熱電阻、弱電流為輸入信號(hào)的二次顯示儀表比對(duì),標(biāo)準(zhǔn)器最好選擇熱電阻或熱電偶多功能校準(zhǔn)器，如FLUKE744或FLUKE743B等,根據(jù)實(shí)際情況，選擇性價(jià)比最高的配置，不同主標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度評(píng)定都是采用B類標(biāo)準(zhǔn)，僅是擴(kuò)展不確定度數(shù)值不同而已。建成后的標(biāo)準(zhǔn)裝置可以開(kāi)展0.5級(jí)及以下熱工二次儀表的檢定。

3 熱工測(cè)量?jī)x表的不確定度

過(guò)去測(cè)量的質(zhì)量曾用誤差表示，測(cè)量完成后需要做誤差分析。但現(xiàn)在按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)量的質(zhì)量要用不確定度表示，測(cè)量完成后，應(yīng)作不確定度評(píng)定。測(cè)量不確定度是通過(guò)測(cè)量過(guò)程的分析和評(píng)定得出的一個(gè)區(qū)間，在實(shí)際工作中用不確定度評(píng)定測(cè)量的質(zhì)量才有意義。

在檢定結(jié)果的測(cè)量不確定度中，由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所引入的不確定度分量，它包括計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備所引入的不確定度分量。測(cè)量不確定度評(píng)定方法分為A類和B類，互相之間不存在任何聯(lián)系，但并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，基于概率分布并都用方差或標(biāo)準(zhǔn)差s定量表示。區(qū)別在于A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的估計(jì)方差u（xi）是由一系列重復(fù)觀測(cè)值計(jì)算得到；而B(niǎo)類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的估計(jì)方差u（xi）是根據(jù)有關(guān)信息來(lái)評(píng)定，通過(guò)一個(gè)假定的概率密度函數(shù)得到，即主觀概率或先驗(yàn)概率。估計(jì)值（xi）可以來(lái)源于制造部門的說(shuō)明書(shū)、完善的證書(shū)或其他資料。其中還明確給出了其擴(kuò)展不確定度 U（x）是標(biāo)準(zhǔn)差 s（x）的 k 倍， 指明了包含因子k的大小，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以取U（x）/k。本次分析評(píng)定對(duì)誤差主要來(lái)源u（xi）定義為：主標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x1）。采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定方法，對(duì)由被檢儀表測(cè)量重復(fù)性Δ1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x2）評(píng)定，采用A類評(píng)定法，其合成不確定度為：

置信概率取95%，則可近似認(rèn)為 k95≈2，擴(kuò)展不確定度分析評(píng)定為：

這是A類和B類相結(jié)合的綜合評(píng)定方法，吸取了各自的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)際操作的便利。

在此分析中采用的被檢定儀器有模擬式指示調(diào)節(jié)儀和數(shù)字式指示儀表。不同分辨力的數(shù)字式指示儀表具有不同的測(cè)量重復(fù)性。檢定時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行，溫度濕度及磁場(chǎng)影響均應(yīng)符合要求。

4 配熱電偶的溫度指示儀表不確定度評(píng)定

4.1 數(shù)學(xué)模型和輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

式中：ΔT為被檢儀表檢定點(diǎn)的溫度誤差；T為被檢儀表檢定點(diǎn)的溫度值；TC為輸入量；Δ1為測(cè)量重復(fù)性分量。

輸入量TC引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x1）的評(píng)定∶u（x1）的主要來(lái)源是準(zhǔn)確度為0.05級(jí)的直流電位差計(jì)UJ33a帶來(lái)的誤差，可以采用B類評(píng)定法。主標(biāo)準(zhǔn)器由上級(jí)檢定出具的檢定證書(shū)可知UJ33a的準(zhǔn)確度為0.05級(jí)量程，F(xiàn)S為1000℃，允許誤差：

1.732被檢儀表檢定點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性分量Δ1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u（x2）的評(píng)定：u（x2） 的主要來(lái)源是被檢儀表檢定點(diǎn)的測(cè)量重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量值序列，采用A類評(píng)定法。

選擇穩(wěn)定的被測(cè)對(duì)象：1.0級(jí)配鎳鉻—鎳硅熱電偶輸入信號(hào)的XMT-101數(shù)字顯示式儀表。選擇常用點(diǎn)400℃為檢定點(diǎn)，在規(guī)定的條件下重復(fù)性測(cè)量10次，得到測(cè)量值見(jiàn)表1。

表1 XMT-101數(shù)字顯示式儀表在400℃檢定點(diǎn)時(shí)的測(cè)量值

其中：n為測(cè)量次數(shù)，n＝10。

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差：

則得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x2）＝0.79℃。

4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展不確定度

表2 XMT-101數(shù)字顯示式儀表不確定度匯總表

根據(jù)式（1），合成不確定度u＝0.84℃。根據(jù)式（2）， 擴(kuò)展不確定度 U95＝1.69℃。

5 配熱電阻的溫度指示儀表不確定度評(píng)定

5.1 數(shù)學(xué)模型和輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。輸入量T的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u（x1）的評(píng)定∶u（x1）的主要來(lái)源是準(zhǔn)確度為0.02級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻箱ZX25a帶來(lái)的誤差，采用B類評(píng)定法。由主標(biāo)準(zhǔn)器上級(jí)檢定出具的檢定證書(shū)可知ZX25a的準(zhǔn)確度為0.02級(jí)，F(xiàn)S為600℃，根據(jù)式（4）允許誤差a＝0.12℃，呈均勻分布，根據(jù)式（5）標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u（x1）＝0.069℃。

被檢儀表檢定點(diǎn)的測(cè)量重復(fù)性Δ1引入的不確定度 u（x2）的評(píng)定： u（x2）的主要來(lái)源是被檢儀表檢定點(diǎn)的測(cè)量重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量值序列，采用A類評(píng)定法。

選擇穩(wěn)定的被測(cè)對(duì)象：XMT-102型，Pt100鉑熱電阻為輸入信號(hào)儀表的常用點(diǎn)200℃處作重復(fù)性測(cè)試，根據(jù)式（6）和（7），可得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（x2）＝0.52℃。

5.2 合成標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)展不確定度

靈敏系數(shù)：c1＝1，標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總見(jiàn)表3。

表3 熱電阻溫度指示儀不確定度匯總表

根據(jù)式（1），合成不確定度為u＝0.53℃。根據(jù)式（2）， 擴(kuò)展不確定度 U95＝1.05℃。

6 配電流信號(hào)的溫度指示儀表不確定度評(píng)定

6.1 數(shù)學(xué)模型和輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度

數(shù)學(xué)模式如式（3）所示。輸入量T引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u（x1）的評(píng)定： u（x1）的主要來(lái)源是由主標(biāo)準(zhǔn)器多功能數(shù)字萬(wàn)用表34401A帶來(lái)的誤差，采用B類評(píng)定法。主標(biāo)準(zhǔn)器送上級(jí)檢定機(jī)關(guān)檢定后，出具檢定合格證書(shū)，由此可查它的擴(kuò)展不確定度U＝26E-6。

被檢儀表檢定點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性Δ1引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u（x2）的評(píng)定： u（x2） 的主要來(lái)源是被檢儀表檢定點(diǎn)的測(cè)量重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量值序列，采用A類評(píng)定法。

選擇穩(wěn)定的被測(cè)對(duì)象：DXZ-110型，1.5級(jí),測(cè)量范圍0～10 MPa儀表的常用點(diǎn) 5 MPa處進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，根據(jù)式（6）和（7），得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u（x2）＝0.008 5mA。

6.2 合成標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度

靈敏系數(shù)：c1＝1。標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總見(jiàn)表4。根據(jù)式（1），合成不確定度 u＝8.5×10-3mA。根據(jù)式（2）， 擴(kuò)展不確定度 U95＝0.017 mA。

表5 熱電偶溫度指示儀檢定點(diǎn)為600℃時(shí)的測(cè)量表

表4 電流信號(hào)溫度指示儀不確定度匯總表

7 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量重復(fù)性考核

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量重復(fù)性考核是指選擇穩(wěn)定被測(cè)對(duì)象，在一定時(shí)間內(nèi)、同一環(huán)境溫度下，對(duì)相同檢定點(diǎn)按檢定規(guī)程作10次上下行程校驗(yàn)，計(jì)算計(jì)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其值要求小于本裝置的合成不確定度。本裝置要對(duì)各種信號(hào)參數(shù)均作此校驗(yàn)。

7.1 配熱電偶的溫度指示儀表

用直流電位差計(jì)UJ33a作為標(biāo)準(zhǔn)器，輸出溫度值。選1個(gè)穩(wěn)定被測(cè)對(duì)象：XMT-101數(shù)顯式儀表，配鎳鉻-鎳硅熱電偶，即K分度信號(hào)作為儀表的輸入信號(hào)，以其常用工作點(diǎn)600℃為檢定點(diǎn)，用升溫的方法進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，每次檢定須降溫，再升溫至檢定點(diǎn)（見(jiàn)表5）。

記錄數(shù)據(jù)，按公式（6）和（7）計(jì)算裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差∶Si＝0.74℃。小于本裝置的合成不確定度：1.69℃，重復(fù)性驗(yàn)證合格。

7.2 配熱電阻的溫度指示儀表

用直流電阻箱ZX25a作為標(biāo)準(zhǔn)器，輸出溫度值。選擇穩(wěn)定的被測(cè)對(duì)象：XMT-102型，Pt100鉑熱電阻作為儀表的輸入信號(hào)，以常用工作點(diǎn)200℃為檢定點(diǎn)，用升溫的方法檢10次，每次檢定須降溫至檢定點(diǎn)之下，然后再升溫至檢定點(diǎn)，做上行程校驗(yàn)。

經(jīng)同樣方法計(jì)算本裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差Si＝0.48℃。小于本裝置的合成不確定度：1.05℃，重復(fù)性驗(yàn)證合格。

7.3 配電流信號(hào)的溫度指示儀表

用信號(hào)發(fā)生器，經(jīng)6位半多用表輸出標(biāo)準(zhǔn)毫安信號(hào)，被校驗(yàn)儀表型號(hào)：DXZ-110型，1.5級(jí)，測(cè)量范圍0～10 MPa，在儀表的常用測(cè)點(diǎn)5 MPa處進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，相對(duì)應(yīng)12 mA為檢定點(diǎn)，用升壓的方法檢10次，每次檢定須降壓，再升壓至檢定點(diǎn)。經(jīng)同樣方法計(jì)算本裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差Si＝0.005 3 mA。小于本裝置的合成不確定度：0.017 mA，重復(fù)性驗(yàn)證合格。

8 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核方法》的有關(guān)規(guī)定向主管部門提出考核申請(qǐng)，并按要求遞交相關(guān)申請(qǐng)資料，經(jīng)過(guò)資料審核、現(xiàn)場(chǎng)考評(píng)，順利通過(guò)了對(duì)熱工二次儀表綜合檢定裝置的考核，取得了有效資質(zhì)證書(shū)。新標(biāo)準(zhǔn)裝置可以開(kāi)展0.5級(jí)及以下數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀、工業(yè)過(guò)程測(cè)量記錄儀、溫度指示控制儀、溫度巡回檢測(cè)儀、帶位式控制自動(dòng)平衡式顯示儀表、模擬式溫度指示調(diào)節(jié)儀等多種熱工二次儀表，拓展了工作范圍，滿足了對(duì)新建火電廠熱工測(cè)量?jī)x表的檢定要求。

[1]上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院.常用測(cè)量不確定度評(píng)定方法及應(yīng)用實(shí)例[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001.

[2]JJF 1033-2008計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[S].

[3]JJF 1059-1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].

[4]JJG 74-2005工業(yè)過(guò)程測(cè)量記錄儀檢定規(guī)程[S].

[5]JJG 874-94溫度指示控制儀檢定規(guī)程[S].