雙金屬溫度計(jì)的測量不確定度評(píng)定

高旭輝 李姣姣 楊超 劉浩然 王艷

摘要：文中按照J(rèn)JF1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》的要求，對(duì)工作用雙金屬溫度計(jì)100℃溫度點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分量進(jìn)行分析，對(duì)典型測量不確定度進(jìn)行評(píng)定，并提出提高測量準(zhǔn)確度的方法。

關(guān)鍵詞：雙金屬溫度計(jì)；校準(zhǔn)；不確定度

Evaluation of Measurement Uncertainty for Bimetallic Thermometers

GAO Xuhui， LI Jiaojiao， YANG Chao， LIU Haoran， WANG Yan

（Shanxi Institute of Metrology Science， Xi?an 710100， Shanxi， China）

Abstract： According to the requirements of JJF1059.1-2012， the uncertainty components of the calibration result of the working bimetallic thermometer at 100℃temperature point are analyzed， the typical measurement uncertainty is evaluated， and the methods to improve the measurement accuracy are put forward.

Key Words： Bimetallic thermometer; Calibration; Uncertainty

0引言

雙金屬溫度計(jì)是一種適合中、低溫測量的溫度儀表，它是利用膨脹系數(shù)不同的兩種純金屬片或合金片牢固結(jié)合在一起形成感溫元件，一般繞制成螺旋形，其一端固定，另一端（自由端）裝有指針。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)溫度變化時(shí)，感溫元件曲率發(fā)生變化，自由端旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針在度盤上指示出溫度數(shù)值。雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，性能穩(wěn)定耐振動(dòng)，讀數(shù)方便，如安裝電接點(diǎn)裝置還可以對(duì)溫度進(jìn)行現(xiàn)場控制，在能源化工、醫(yī)藥食品、輕工紡織、航空航海等行業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅一套石油常壓蒸餾裝置，使用的雙金屬溫度計(jì)就有數(shù)千支。雙金屬溫度計(jì)按使用功能可分為指示型和帶電接點(diǎn)型，按外形可分為角型（軸向型）、直型（徑向型）、鈍角型和可調(diào)角型。

2021年，市場監(jiān)管總局發(fā)布了JJF1908-2021《雙金屬溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》[1]，并于2022年實(shí)施，代替JJG226-2001《雙金屬溫度計(jì)》檢定規(guī)程。新的校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行了更新，對(duì)恒溫設(shè)備的技術(shù)要求發(fā)生了變化，因此有必要對(duì)雙金屬溫度計(jì)的測量不確定度進(jìn)行重新評(píng)定。文中按照J(rèn)JF 1059.1-2012《測量不確定度評(píng)定與表示》[2]的要求，對(duì)雙金屬溫度計(jì)示值的不確定度分量進(jìn)行分析，對(duì)典型測量不確定度進(jìn)行評(píng)定，并提出提高測量準(zhǔn)確度的方法。

1不確定度評(píng)定

1.1測量方法

雙金屬溫度計(jì)的測量范圍一般為-80℃～600℃，其校準(zhǔn)采用比較法，即將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)（測量范圍-60℃～300℃）或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)（測量范圍-196℃～630.74℃）與被校雙金屬溫度計(jì)同時(shí)置于恒溫槽中，比較二者在同一溫度點(diǎn)的差值。雙金屬溫度計(jì)的量值溯源體系如圖2所示。

在本例中，被校雙金屬溫度計(jì)測量范圍為0℃～100℃，表盤分度值2℃；校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測量范圍為50℃～100℃，校準(zhǔn)點(diǎn)為100℃，標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)示值為99.92℃（分度值0.1℃，估讀至0.01℃），其修正值+0.04℃；由于校準(zhǔn)點(diǎn)為被校雙金屬溫度計(jì)的示值上限，因此只進(jìn)行正行程（升溫）的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果（雙金屬溫度計(jì)的示值）為99.8℃（分度值2℃，估讀至0.2℃）；恒溫槽采用恒溫油槽，溫度范圍95℃～300℃。

1.2測量模型

雙金屬溫度計(jì)在校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差可以用式（1）表示：

Δt=t0-（ts+A）=99.8-（99.92+0.04）=-0.16℃? ? ?（1）

式（1）中，Δt為雙金屬溫度計(jì)在100℃的示值誤差，t0為雙金屬溫度計(jì)示值，ts為標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)示值，A為標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在100℃的修正值，單位均為℃。

1.3不確定度分量

1.3.1不確定度分量的A類評(píng)定

1.3.1.1標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)讀數(shù)引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)估讀至其分度值的1/10，即0.01℃，區(qū)間半寬為0.005℃，為均勻分布。標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)讀數(shù)引入的不確定度分量為：

1.3.1.2被校雙金屬溫度計(jì)的示值估讀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

雙金屬溫度計(jì)的示值估讀到其分度值的1/10，即為0.2℃，區(qū)間半寬0.1℃，為均勻分布。則示值估讀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

1.3.1.3被校雙金屬溫度計(jì)測量重復(fù)性引入的

標(biāo)準(zhǔn)不確定度

對(duì)被校雙金屬溫度計(jì)連續(xù)進(jìn)行10次重復(fù)測量，結(jié)果如表1所示。

測量重復(fù)性引入的不確定度以單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差表示：

對(duì)于示值估讀引入的不確定度分量和測量重復(fù)性引入的不確定度分量，取二者中較大的，即：

u3=s=0.16℃（5）

1.3.2不確定度分量的B類評(píng)定

1.3.2.1標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)修正值引入的不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的不確定度評(píng)定報(bào)告，100℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)示值修正值的擴(kuò)展不確定度為=0.03℃，=2，則示值修正引入的不確定度分量為：

u4=0.03/2=0.015℃（6）

1.3.2.2標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在檢定周期內(nèi)不做

零位修正引入的不確定度

水銀溫度計(jì)的玻璃外殼在升溫和降溫過程中，由于熱脹冷縮和內(nèi)部應(yīng)力不均勻造成的影響，貯液泡的體積會(huì)發(fā)生變化，使得水銀溫度計(jì)的零位發(fā)生變化[3]。經(jīng)檢定合格的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，其在檢定周期內(nèi)零位的變化量不超過0.06℃，為均勻分布。其引入的不確定度分量為：

1.3.2.3恒溫槽波動(dòng)性引入的不確定度

按照雙金屬溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范的要求，選用的恒溫油槽溫度波動(dòng)性不超過0.10℃/10min，區(qū)間半寬為0.05℃，為均勻分布。其引入的不確定度分量為：

1.3.2.4恒溫槽溫度均勻性引入的不確定度

恒溫油槽的溫度均勻性不超過0.20℃，區(qū)間半寬為0.10℃，為均勻分布。其引入的不確定度分量為：

1.4合成不確定度

以上標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見表2。

表中各不確定度分量互不相關(guān)，可采用方和根法合成，則有：

2測量結(jié)果不確定度表示和驗(yàn)證

2.1擴(kuò)展不確定度

雙金屬溫度計(jì)的測量不確定度可以用擴(kuò)展不確定度表示，取=2，則有：

U=k·uc=2×0.18=0.4℃（11）

2.2測量結(jié)果的表示和測量不確定度的驗(yàn)證

以上測量結(jié)果可以表示為：被校雙金屬溫度計(jì)在100℃的示值誤差為-0.16℃，測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.4℃，擴(kuò)展因子為2。

按照校準(zhǔn)規(guī)范的要求，對(duì)5支2.0級(jí)的雙金屬溫度計(jì)使用同一標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在同一恒溫槽中校準(zhǔn)，根據(jù)JJF1094-2002《測量儀器特性評(píng)定》[4]的要求，示值誤差的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于其最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，當(dāng)被評(píng)定測量儀器的示值誤差t的絕對(duì)值小于等于其最大允許誤差的絕對(duì)值MPEV與示值誤差的擴(kuò)展不確定度之差時(shí)可判為合格，即：

丨Δt丨≤MPEV-U（12）

結(jié)果如表3所示。

可以看出，示值誤差的擴(kuò)展不確定度符合規(guī)范要求，說明不確定度評(píng)定過程合理。被校雙金屬溫度計(jì)的示值誤差均滿足式（12），可以判定為合格。

3結(jié)語

對(duì)雙金屬溫度計(jì)示值誤差評(píng)定過程中的不確定度分量進(jìn)行分析，可以看出，對(duì)其測量不確定度貢獻(xiàn)較大的分量是被校雙金屬溫度計(jì)測量重復(fù)性引入的不確定度。雙金屬溫度計(jì)一般作為在線測量儀表安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，因此不能通過增加測量次數(shù)的方式減小測量重復(fù)性，而應(yīng)采用對(duì)多支溫度計(jì)進(jìn)行測量合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差的方式來進(jìn)行[5]。

在使用雙金屬溫度計(jì)時(shí)，其插入被測介質(zhì)的深度應(yīng)大于敏感元件的長度，對(duì)于插入長度小于300mm的雙金屬溫度計(jì)，其插入深度應(yīng)大于70mm，插入長度大于300mm的雙金屬溫度計(jì)，其插入深度應(yīng)大于100mm[6]。讀取雙金屬溫度計(jì)示值時(shí)應(yīng)輕敲溫度計(jì)外殼，以避免指針卡頓；雙金屬溫度計(jì)在安裝使用維修過程中，應(yīng)避免使保護(hù)管彎曲變形；部分雙金屬溫度計(jì)含有鐵磁材料，在強(qiáng)磁場中工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大測量誤差，甚至發(fā)生不可逆改變，應(yīng)盡量避免。

參考文獻(xiàn)

[1]全國溫度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).雙金屬溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1908-2021[S].北京：2021.

[2]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).測量不確定度評(píng)定與表示：JJF 1059.1-2012[S].北京：2012.

[3]金志軍，劉薇，陳偉昕，曾永春，張軍.標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)替代研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J].工業(yè)計(jì)量，2021，31（05）：50-51.DOI：10.13228/j.boyuan.issn1002-1183.2021.0042.

[4]全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).測量儀器特性評(píng)定：JJF 1094-2002[S].北京：2002.

[5]吳建英.溫度計(jì)量 [M].北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社：2021.

[6]于秀甲.雙金屬溫度計(jì)檢定方法及注意事項(xiàng)[J].石化技術(shù)，2018，25（09）：265.