可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)示值誤差的分析

摘 要：本文將詳細(xì)介紹可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)的示值誤差和角度調(diào)整誤差的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，分析徑向位置和軸向位置示值誤差的一些問(wèn)題。通過(guò)對(duì)示值誤差的分析，幫助有關(guān)人員更好地開(kāi)展可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)示值誤差的校準(zhǔn)工作。

關(guān)鍵詞：可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)，示值誤差，軸向，徑向

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.22.030

雙金屬溫度計(jì)是一種常用于中低溫測(cè)量的儀器。它在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中，廣泛應(yīng)用于對(duì)環(huán)境溫度的監(jiān)控。在輕工行業(yè)的生產(chǎn)制造中，對(duì)環(huán)境溫度有嚴(yán)格要求時(shí)，可用雙金屬溫度計(jì)對(duì)其進(jìn)行控溫。

雙金屬溫度計(jì)應(yīng)用廣泛，其準(zhǔn)確性直接影響到對(duì)溫度的嚴(yán)格控制。如果使用的雙金屬溫度計(jì)測(cè)溫不準(zhǔn)，對(duì)要求控溫的產(chǎn)品或?qū)嶒?yàn)都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因而，要根據(jù)實(shí)際情況定期對(duì)其校準(zhǔn)，以確保其測(cè)得的溫度示值準(zhǔn)確可靠。

雙金屬溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范上要求可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)示值誤差的校準(zhǔn)應(yīng)在軸向位置上完成。本篇文章通過(guò)對(duì)8個(gè)同批次可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)各進(jìn)行10組軸向位置和徑向位置示值誤差的校準(zhǔn)，證實(shí)了軸向位置上的示值更準(zhǔn)確可靠。

1 雙金屬溫度計(jì)的原理和分類

雙金屬溫度計(jì)是利用膨脹系數(shù)不同的兩種純金屬片或合金片組成感溫元件，一端固定，另一端（自由端）帶有指針。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[1-2]，以此來(lái)測(cè)量溫度。

雙金屬溫度計(jì)按主要功能分為普通指示型和電接點(diǎn)型；按指示裝置和感溫元件的連接位置分為角型（軸向型）、直型（徑向型）和可調(diào)角型?？烧{(diào)角型的雙金屬溫度計(jì)要校準(zhǔn)其角度調(diào)整誤差?？烧{(diào)角型雙金屬溫度計(jì)由軸向（或徑向）位置調(diào)整到徑向（或軸向）位置時(shí)的溫度示值的最大變化，即為角度調(diào)整誤差。

2 示值誤差和角度調(diào)整誤差的校準(zhǔn)

按照現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1908—2021《雙金屬溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，對(duì)可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)示值誤差和角度調(diào)整誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)器及其配套設(shè)備

本次校準(zhǔn)用的主標(biāo)準(zhǔn)器是兩支經(jīng)檢定合格的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，測(cè)量范圍分別是（0～50）℃/0.1℃、（50～10 0）℃/0.1℃，分度值均為0.1℃，最大允許誤差（MPE）均為±0.15℃。主要配套設(shè)備為恒溫水槽和恒溫油槽，其中恒溫水槽的介質(zhì)是防凍液，能夠降溫到0℃，測(cè)量范圍為-10～90℃，均勻性≤0.01℃，波動(dòng)性≤0.04℃/10m i n ；恒溫油槽的介質(zhì)是硅油，測(cè)量范圍為90～30 0℃，均勻性≤0.01℃，波動(dòng)性≤0.0 4℃/10min，均符合JJF 1908—2021的要求。

2.2 校準(zhǔn)方法

選取同一批次的8個(gè)可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)作為被校儀器，其生產(chǎn)廠家為紅旗儀表有限公司，型號(hào)為（0～100）℃/2℃，分度值為2℃，準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)。

校準(zhǔn)點(diǎn)選擇測(cè)量范圍內(nèi)的上下限溫度點(diǎn)和中間點(diǎn)，分別為0℃、50℃、100℃，共三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。從下限點(diǎn)開(kāi)始校準(zhǔn)，先正行程，再反行程，上、下限點(diǎn)只做單行程校準(zhǔn)。

將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和被?？烧{(diào)角型雙金屬溫度計(jì)按規(guī)定的浸沒(méi)深度插入恒溫槽中，將角度調(diào)整到徑向，待示值穩(wěn)定后開(kāi)始讀數(shù)，視線垂直于標(biāo)度盤，并估讀到分度值的1/10，分別記下標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和被校雙金屬溫度計(jì)示值。然后再調(diào)整角度到軸向，讀數(shù)示值。再按正行程校準(zhǔn)下一個(gè)溫度點(diǎn)，然后再做反行程。由于上、下限點(diǎn)只做單行程校準(zhǔn)，所以校準(zhǔn)順序?yàn)?℃、50℃、100℃、50℃。可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)從徑向位置調(diào)整軸向位置時(shí)，記錄該過(guò)程中溫度示值的最大變化量，即為角度調(diào)整誤差。示值誤差和角度調(diào)整誤差的校準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 原始數(shù)據(jù)

按上述方法對(duì)8個(gè)編號(hào)0～8的可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)在徑向和軸向從正行程再反行程在0℃、50℃、100℃、50℃四個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)分別重復(fù)測(cè)量10次，得到不同角度不同校準(zhǔn)點(diǎn)各8組數(shù)據(jù)。

3.2 異常值的判別及剔除

對(duì)于原始數(shù)據(jù)中異常值的判別和剔除，一般選擇格拉布斯準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行。設(shè)在一組重復(fù)測(cè)量結(jié)果xi中，求其平均值-x和標(biāo)準(zhǔn)偏差s，其殘差vi的絕對(duì)值∣vi∣最大者為可疑值xd，在給定的包含概率P =0.99或P =0. 95，也就是顯著性水平α=1-P = 0.01或0.05時(shí)，如果滿足式（1），可以判定xd為異常值。

3.3 示值誤差和角度調(diào)整誤差的計(jì)算

按格拉布斯準(zhǔn)則剔除了異常值后，剩余的測(cè)得值取平均值 ，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的測(cè)得值加標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)檢定證書上的修正值得到的值為參考值xs，則示值誤差Δx = -x- xs ，角度調(diào)整誤差為徑向位置與軸向位置示值差值的絕對(duì)值。如表1 、表2所示。

3.4 測(cè)量重復(fù)性

對(duì)可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)不同溫度校準(zhǔn)點(diǎn)下在徑向位置和軸向位置各重復(fù)測(cè)量10次，共測(cè)了8組，故合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差用來(lái)表征測(cè)量重復(fù)性。則合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差sp （x） ：

代入公式（2），計(jì)算的結(jié)果如表3所示。

3.5 結(jié)果分析

這8支雙金屬溫度計(jì)的量程是0～100℃，分度值為2℃，準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)，按照J(rèn)JF 1908—2021的要求，這些雙金屬溫度計(jì)的最大允許誤差為±1.5%FS，即為1.5℃，角度調(diào)整誤差為1.0℃。

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)處理，可以看出1號(hào)在100℃校準(zhǔn)點(diǎn)上軸向位置和徑向位置的示值誤差都超過(guò)最大允許誤差，3號(hào)在50℃校準(zhǔn)點(diǎn)上徑向位置的示值誤差超過(guò)最大允許誤差，4號(hào)在0℃校準(zhǔn)點(diǎn)上徑向位置的示值誤差超過(guò)最大允許誤差。

4號(hào)在0℃和1 0 0℃校準(zhǔn)點(diǎn)上的角度調(diào)整誤差都超過(guò)JJF 1908—2021的要求，5號(hào)在10 0℃和50℃（反行程）校準(zhǔn)點(diǎn)上的角度調(diào)整誤差都超過(guò)JJF1908的要求，6號(hào)和7號(hào)在100℃校準(zhǔn)點(diǎn)上的角度調(diào)整誤差都超過(guò)JJF 1908的要求。2號(hào)、8號(hào)在4個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)上徑向位置和軸向位置的示值誤差均低于最大允許誤差，在4個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)上的角度調(diào)整誤差也都符合JJF 1908的要求。

可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)在不同溫度校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，如表3所示，0℃時(shí)軸向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 . 1 6℃，小于徑向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 . 4 0℃；正行程5 0℃時(shí)軸向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 .14℃，小于徑向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 . 21℃；10 0℃時(shí)軸向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 . 1 9℃，小于徑向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 . 3 4℃；反行程5 0℃時(shí)軸向位置的測(cè)量重復(fù)性s p （x ） = 0 .14℃，小于徑向位置的測(cè)量重復(fù)性sp （x ）=0.27℃；故軸向位置的測(cè)量重復(fù)性要優(yōu)于徑向位置的測(cè)量重復(fù)性，則軸向位置由重復(fù)性引入的不確定度分量也更小，校準(zhǔn)測(cè)量能力也更好，故而對(duì)于可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)的示值誤差在軸向位置上校準(zhǔn)更準(zhǔn)確可靠[3-4]，正如JJF 1908所示的“可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)示值誤差的校準(zhǔn)應(yīng)在軸向位置上完成”。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在校準(zhǔn)可調(diào)角型雙金屬溫度計(jì)的時(shí)候要注意軸向位置和徑向位置的差別，校準(zhǔn)示值誤差時(shí)應(yīng)在軸向位置上完成，還要校準(zhǔn)角度調(diào)整誤差，對(duì)于測(cè)得的示值要進(jìn)行異常值判別和剔除，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)

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[4]張盼盼.雙金屬溫度計(jì)示值誤差的不確定度分析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017，44（5）：79+81.

作者簡(jiǎn)介

王慧，碩士，工程師，從事溫度計(jì)量、化學(xué)計(jì)量工作。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）