一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置建標(biāo)方案與不確定度分析

趙琪 王舜禹 陳龍

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 遼寧 沈陽(yáng) 110001

引言

在很多試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)的測(cè)量。一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置可檢定工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，完成（1100～1500）℃溫區(qū)內(nèi)溫度量值的傳遞，保證溫度量值的準(zhǔn)確可靠。

1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置建標(biāo)方案

1.1 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

該標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶、高溫檢定爐、退火爐、零度恒溫器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及電測(cè)儀器組成。

1.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理

該標(biāo)準(zhǔn)裝置采用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶與被檢工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶直接比較的方法進(jìn)行檢定。也就是把標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶捆扎在一起送入檢定爐內(nèi)，將熱電偶測(cè)量端置于均勻溫場(chǎng)內(nèi)，用電測(cè)儀器測(cè)出它們的熱電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)計(jì)算得到被檢熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的電勢(shì)值。其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的工作原理圖

1.3 環(huán)境條件

表1 環(huán)境條件列表

2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具不確定度的評(píng)定

2.1 測(cè)量依據(jù)及方法

依據(jù)JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規(guī)程，將一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)熱電偶）和工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶（以下簡(jiǎn)稱被檢熱電偶）捆扎后放入管式檢定爐，用雙極比較法在1100℃、1300℃、1500℃3個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行檢定[1]。分別計(jì)算算術(shù)平均值，最后得到被檢熱電偶在各溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值。

2.2 測(cè)量數(shù)學(xué)模型

不確定度分析檢定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的測(cè)量模型：

式中：

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

主要不確定來(lái)源：測(cè)量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、電測(cè)設(shè)備、多路開(kāi)關(guān)、參考端和爐溫變化等影響。

2.3.1 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，用A類方法進(jìn)行評(píng)定。

在1100℃、1300℃、1500℃分別測(cè)得被檢熱電偶的10個(gè)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算得：

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書(shū)值引入的不確定度分量。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書(shū)值引入的不確定度分量，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶在1100℃、1300℃、1500℃3點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為：，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為，1100℃、1300℃、1500℃3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微分熱電勢(shì)分別為9.77μV/℃、10.87μV/℃、11.56μV/℃，則：

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)JJG 75-1995《標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶》檢定規(guī)程[2]，標(biāo)準(zhǔn)偶的年穩(wěn)定性不應(yīng)超過(guò)±12μV，按均勻分布考慮，取區(qū)間半寬度a=12μV，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.4 電測(cè)設(shè)備引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。電測(cè)設(shè)備對(duì)被檢偶引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。測(cè)量?jī)x器納伏表允許基本誤差：±（3×10-5×讀數(shù)+4×10-6×量程）（100mV檔），區(qū)間半寬度a為（3×10-5×讀數(shù)+4×10-6×量程），按均勻分布考慮，[3]。鉑銠30-鉑銠6熱電偶在1100℃、1300℃、1500℃3個(gè)檢定點(diǎn)標(biāo)稱熱電勢(shì)分別為：5.780mV、7.848mV、10.099mV，則：

2.3.5 測(cè)量回路寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。測(cè)量回路寄生電勢(shì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。規(guī)程JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》規(guī)定轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)各路之間最大寄生電勢(shì)之差小于0.4μV，實(shí)際設(shè)備滿足此要求，用0.4μV進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為均勻分布，，則：

2.3.6 熱電偶參考端引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。熱電偶參考端引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。規(guī)程JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》規(guī)定插入冰點(diǎn)恒溫器中的所有熱電偶的參考端和銅導(dǎo)線的接點(diǎn)相互溫差不超過(guò)0.05℃，實(shí)際工作中滿足此要求，用0.05℃進(jìn)行計(jì)算。鉑銠30-鉑銠6熱電偶在0℃的微分熱電勢(shì)為-0.25μV/℃，溫差換算成電勢(shì)值為0.02μV，按均勻分布考慮，，則：

2.3.7 爐溫變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。爐溫變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，用B類方法進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)規(guī)程中雙極比較法的規(guī)定，爐溫變化小于0.1℃/min時(shí)開(kāi)始測(cè)量，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶的測(cè)量1min內(nèi)可完成，即每次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢偶時(shí)爐溫變化不超過(guò)0.1℃，檢定爐溫度變化的區(qū)間半寬為0.1℃，認(rèn)為均勻分布，，得，則：

2.4 合成不確定度

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

計(jì)算得1100℃、1300℃和1500℃溫度點(diǎn)的合成不確定度分別為：

通過(guò)塞貝克系數(shù)轉(zhuǎn)化為溫度，分別為：

表3 整百度點(diǎn)合成不確定度計(jì)算

2.5 擴(kuò)展不確定度

3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具不確定度的驗(yàn)證

選取一支工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，經(jīng)自檢測(cè)得數(shù)據(jù)后，送上一級(jí)法定計(jì)量機(jī)構(gòu)檢定一組數(shù)據(jù)，檢定結(jié)果合格。其測(cè)得值如下：

表4 不確定度驗(yàn)證數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成和工作原理，重點(diǎn)闡述了標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)定過(guò)程，給出了一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶標(biāo)準(zhǔn)裝置在（1100～1500）℃整百度點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度，并通過(guò)不確定度驗(yàn)證證明了不確定度的正確性。