工业用K型热电偶测量结果不确定度评定

摘要:介绍采用二等标准铂铑10-铂热电偶检定工业用K型热电偶,分析误差的来源,并对其测量结果的不确定度进行评定。
0引言
　　热电偶作为一种常见的测温仪器,广泛应用于电厂的高温测量。随着火电厂自动化水平的日益提高,运行人员对电厂温度测量的准确性也提出了更高的要求。为了得到较为准确的测量结果,热电偶的检定工作非常重要。
1测量方法
　　测量依据:JG351-1996《工业用廉金属热电偶检定规程》。测量环境条件:环境温度(20±2)℃,湿度45%~75%RH。测量标准仪器:二等标准铂铑10-铂热电偶(S型)、热电偶自动检定装置、管式检定炉。测量对象:工业用镍铬-镍硅热电偶(K型),在300~1100℃范围内,误差不超过±2.5℃。
　　测量方法:将二等标准热电偶与被检K型热电偶捆扎在一起,置于管式热电偶检定炉中,采用比较法进行检定;按照要求连接线路,接通电源,启动热电偶自动检定系统程序,设置检定系统参数,按下检定按钮后,进入自动检定过程;通过测量标准偶和被测偶在相同温度点的热电动势,由标准偶与被检偶的微分热电动势求得被检偶在所需温度点的热电动势,对被测热电偶示值误差的不确定度进行评定。
2建立数学模型
　　被测偶在需测量温度点1的热电动势的数学模型：
 
　　式中,e被(t)为被测热电偶在需测量温度点t的热电动势,mV;e被(t')为被测热电偶在测温点t'的热电动势，mV;E标(t)为标准热电偶在需测量温度点t的热电动势,mV/℃;e标(t')测热电偶在需测量温度点t'的微分电动势,μV/℃;S标(t)为标准热电偶在需测量温度点t的微分电动势,μV/℃。
　　上述数学模型可简化为:
 
3各输入量的标准不确定度评定
3.1u1的评定.
　　U1来源于被测热电偶测量重复性,数字电压表测量误差、检定炉温场分布不均、测量回路寄生电动势以及热电偶参考温度不均等。
3.1.1被测热电偶测量重复性引入的标准不确定度u(e'被)
　　采用A类方法进行评定。
　　在任一温度点测量时,被测热电偶重复性情况类似,以600℃为例进行分析。
　　将一支二等标准S型热电偶作为测量标准,对它在600℃温度点进行10次同条件的重复测量，测得被检偶热电势的数据为:24.9021mV,24.9036mV,24.9042mV,24.9037mV,24.9025mV,24.9026mV,24.9041mV,24.9031mV,24.9038mV,249033mV。则`x=249033mV,
 
3.1.2数字电压表测量误差引入的标准不确定度u(e'被2)
　　采用B类方法进行评定。
　　数字电压表在量程为100mV时的允许误差为±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈4.75μV,在区间内可认为均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a被2为2.375μV，标准不确定度u(e'被2)=2.375/√3=1.371μV。
3.1.3检定炉工作温场分布不均匀引入的标准不确定度u(e'被3)
　　采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,工业用K型热电偶由检定炉工作温场分布不均匀引起的最大误差不超过±10μV。在区间内可认为均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a楼3为10μV,标准不确定度u(e'被3)=10/√3=5.774μV。
3.1.4测量回路寄生电动势引入的标准不确定度u(e'被4)
　　测量回路寄生电动势包括补偿导线.转换开关等引起的电动势,采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,测量回路寄生电动势带来的误差不超过±0.4μV,在区间内可认为均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a被4为0.4μV,标准不确定度u(e'被4)=0.4/√3=0.231μV。
3.1.5被测热电偶参考端温度不均引入的标准不确定度u(e'被5)
　　采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,被测热电偶参考端温度不均引起的误差不超过±4μV(±0.1℃),在区间内可认为服从均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a被5为4μV,标准不确定度u(e'被5)=4/√3=2.310μV。
3.1.6u1的合成
　　u(e'被1).,u(e'被2)、u(e'被3)、u(e'被4)、u(e'被5)184个分项彼此独立,互不相关,故合成标准不确定度:
 
3.2u2的评定
　　标准不确定度u2来源于二等标准热电偶分度值的不确定度u(E标1)和其年不稳定性u(E标2),采用B类方法评定。
　　由二等铂铑10-铂热电偶测量结果不确定度分析报告可知,其600℃检定结果不确定度u(E标1)为2.4μV。
　　在检定周期内的二等标准热电偶,其年热电势变化一般不超过±5μV,在区间内可认为服从正态分布,覆盖因子k=3,半宽度ae标为5μV,标准不确定度u(E标2)=5/3=1.667μV。
 
3.3u3
　　U3来源于标准热电偶测量重复性、数字电压表测量误差、检定炉温场分布不均、测量回路寄生电动势以及热电偶参考温度不均等。
3.3.1标准热电偶测量重复性引入的标准不确定度u(e标1)
　　采用A类方法进行评定。
　　在任一温度点测量时,标准热电偶重复性情况类似,以600℃为例进行分析。
　　用二等标准热电偶进行10次同条件的重复测量，测得被检偶热电势的数据为:5.2371mV,5.2378mV，5.2374mV，5.2383mV，5.2375mV,5.2377mV,5.2380mV.
5.2381mV，5.2379mV，5.2372mV。则`x=5.2377mV,单次
 
　　0.406μV。以测得值的算术平均值作为测量结果,则该结果的标准不确定度为u(e标1)=Sp/√n=0.406/√4=0.203μV。
3.3.2数字电压表测量误差引入的标准不确定度.u(e标2)
　　采用B类方法进行评定。
　　数字电压表在量程为100mV时的允许误差为±(0.005%x示值+0.0035%量程)≈3.76μV，在区间内可认为均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a标2为1.88μV,标准不确定度为u(e标2)=1.88/√3=1.085μV。
3.3.3检定炉工作温场分布不均匀引入的标准不确定度u(e标3)
　　采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,二等标准热电偶由检定炉工作温场分布不均匀引起的最大误差不超过±5μV，在区间内可认为均匀分布,覆盖因子k=√3,区间半宽度a标3为5μV,标准不确定度u(e标3)=5√3=2.887μV。
3.3.4测量回路寄生电动势引入的标准不确定度u(e标4)
　　测量回路寄生电动势包括补偿导线、转换开关等引起的电动势,采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,测量回路寄生电动势带来误差不超过±0.4μV，在区间内可认为均匀分布，覆盖因子k=√3,半宽度aw4为0.4μV,标准不确定度为u(e标4)=0.4/√3=0.231μV。
3.3.5由标准热电偶参考端温度不均引入的标准.不确定度u(e标5)
　　采用B类方法进行评定。
　　由经验可得,标准热电偶参考端温度不均引起的误差不超过±1μV,在区间内服从均匀分布,覆盖因子h=√3,区间半宽度a标5为1μV,标准不确定度为u(e标5)=1/√3=0.577μV。
3.3.6u3的合成
 
3.15μV。
3.4u(S标).u(S被)的评定
　　输入量S标(t).S被(t)是在ITS--90温标下用近似方法得到的,但其精度完全可满足该类热电偶使用精度的要求,由有效位数等原因引起的不确定度因微小而忽略。
4合成标准不确定度评定
　　所需测温度600℃,用二等标准S型热电偶检定工业用K型热电偶热电动势e被(t)的测量不确定度如表1所示。
 
5扩展不确定度Ugs评定
　　取置信概率p=0.95,包含因子k=2,扩展不确定度U95=k·uc=37.94μV。37.66μV换算成温度为1.0℃。
6结果报告
　　用二等铂铑10-铂热电偶作标准，采用比较法来校准工业用K型热电偶，其扩展不确定度为1.0℃(k=2),小于2.5℃,符合规定要求。