一等標準鉑銠10-鉑熱電偶測量結果的不確定度

摘要:介紹了建立用熱電偶標準組檢定鉑銠10_鉑熱電偶的數字模型,并分析了一等標準鉑銠10-鉑熱電偶在三個(gè)固定點(diǎn)測量過(guò)程中的不確定度來(lái)源,并對測量結果進(jìn)行了不確定評定。
1測量原理
　　熱電偶是利用熱電動(dòng)勢與溫度之間具有的一定函數關(guān)系進(jìn)行溫度測量的,函數式為:
EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)
當t0=0℃時(shí):EAB(t,t0)=EAB(t)+常數
　　由此可知，熱電偶的熱電動(dòng)勢大小和方向只與兩種金屬材料的特性和工作端溫度有關(guān),而與熱電極的粗細無(wú)關(guān),當工作端溫度變化時(shí),熱電動(dòng)勢也隨著(zhù)變化,利用這種關(guān)系即可測量出溫度。
測量結果的計算公式:E被(t)=E標證(t)+△e(t)
　　式中:E被(t)-被檢熱電偶在固定點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢值,mV;E標證(t)一標準熱電偶證書(shū)中固定點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢值,mV;△e(t)-分度時(shí)測得的被檢和標準熱電偶的熱電動(dòng)勢平均值的差值,mV。
2數學(xué)模型
　　根據JJG75-1995《標準鉑銠10-鉑熱電偶》檢定規程,用同名極法分度時(shí)，被檢熱電偶在各固定點(diǎn)上的熱電動(dòng)勢采用下式計算:△e(t)=`E數(t)-`E整(t)
數學(xué)模型:D=Y1-Y2
靈敏系數:c1=1C2=1
知:u²₂(xi)=c1u²₁+c2u²₂經(jīng)
3測量不確定度來(lái)源
(1)熱電偶的復現性及分散性帶來(lái)的不確定度;
(2)熱電偶的年穩定度帶來(lái)的不確定度;
(3)標準器帶來(lái)的不確定度;
(4)電測設備在測量時(shí)帶來(lái)的不確定度;
(5)分度過(guò)程中熱電偶參考端帶來(lái)的不確定度;
(6)轉換開(kāi)關(guān)寄生電勢帶來(lái)的不確定度;
(7)標準器及被檢熱電偶的不均勻性帶來(lái)的不確定度。
3.1熱電偶的復現性及分散性帶來(lái)的不確定度
　　測量中的不確定度包含了熱電偶的短期復現性和熱電偶分度爐溫場(chǎng)不均勻帶來(lái)影響及熱電偶冷端的變化等因素的共同作用使得多次測量具有分散性?，F以各個(gè)固定點(diǎn)的短期復現性作為A類(lèi)標準不確定度。
　　一等標準熱電偶通常用兩支標準組熱電偶進(jìn)行兩次銅點(diǎn)重復測量,每支測量次數不少于四次,最后測量值取兩次8組數據的平均值作為最終的測量結果。
 
3.2熱電偶年穩定度的標準不確定度u1
　　一等標準熱電偶銅固定點(diǎn)一年內最大變化值為4μV,按鉑銠熱電偶變化規律,在鋁點(diǎn)最大變化值為3.0μV,在鋅點(diǎn)最大變化值為2.2μV,隨使用時(shí)間的長(cháng)短.而不同,符合三角分布k=√6。在銅、鋁、鋅固定點(diǎn)熱電偶年穩定度的標準不確定度為:
U1(Cu)=4/√6=1.63uV
U1(AI)=3.0/√6=1.22μV
U1(Zn)=2.2/√6=0.90uV
　　它為B類(lèi),可靠程度為90%,于是其自由度為:
 
3.3分度裝置中標準器帶來(lái)標準不確定度u2
　　根據量值傳遞系統表得知,由標準器帶來(lái)標準不確定度為:
u2(銅)=0.4/2.85x12=1.68μV
u2(鋁)=0.3/2.85x10=1.10pV
u2(鋅)=0.3/2.85x10=1.10μV
符合t分布為B類(lèi),自由度為:Y2(銅)=γ2(鋁)=γ2(鋅)=100
3.4電測設備引起的不確定度u3
　　根據檢定規程,檢定一等標準熱電偶時(shí),需配備測量精度不低于1x10^-4,分辨力不低于0.1μV的電測設備。
　　現檢定中使用的電測設備為71/2數字電壓表,分辨力為0.01μV。
u3=[0.004%x銅點(diǎn)讀數+0.0004%x量程]√3=[4x10.575x10^-5+4x10^-6x100]√3=0.48μV
　　按均勻分布，可靠程度為90%,為B類(lèi),其自由度
 
3.5不均勻性帶來(lái)的不確定度u4
　　標準器和被檢熱電偶的測量端的溫差及因捆扎所產(chǎn)生的標準與被測熱偶工作端接觸差異以及熱偶在管狀爐工作溫場(chǎng)中放置的不重復性引起的。由于熱電偶在分度測量時(shí)是處于一個(gè)有溫度梯度的溫場(chǎng)中,因此熱電偶的不均勻性會(huì )在有溫差的地方產(chǎn)生-一個(gè)測量結果變化不大于1.5pV熱電勢值。
u4=1.5/3=0.50μV
　　為正態(tài)分布，可靠程度為80%,為B類(lèi),其自由度為:ϒ4=12
3.6熱電偶參考端的影響引起的不確定度us
　　分度裝置使用的冰瓶中,冰水混合物種的雜質(zhì)以及測量導線(xiàn)與熱電偶參考端接觸附加電勢都會(huì )對測量產(chǎn)生一定的影響。由檢定規程:插人冰點(diǎn)恒溫其中的所有熱電偶的參考端和銅導線(xiàn)接點(diǎn)溫差≤0.05℃或(0±0.04)℃。
U5=0.05x12√3=0.35μV
　　為均勻分布,可靠程度為80%,為B類(lèi),其自由度為:ϒ5=12
3.7轉換開(kāi)關(guān)寄生電勢帶來(lái)標準不確定度u6
　　由于在熱電偶測量時(shí)被測熱電偶的測量是通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)與電測設備相連,因此轉換開(kāi)關(guān)的寄生電勢會(huì )直接附加在被測熱電偶的熱電勢上,按檢定規程要求轉換開(kāi)關(guān)最大寄生電勢≤0.4μV
u6=0.4/√3=0.23pV
　　為均勻分布,可靠程度為80%,為B類(lèi),其自由度為ϒ6=12
3.8標準不確定度一覽表
 
5擴展不確定度
　　由U95=k×uc,得:P=95,ϒ=100,k=1.98
U(Cu)=1.98×2.47=4.89μV(相當于0.41℃)
U(AI)=1.98×1.82=3.60pV(相當于0.35℃)
U(Zn)=1.98×1.62=3.21μV(相當于0.33℃)
6測量不確定度的報告與表示
　　等標準鉑銠10-鉑熱電偶在三固定點(diǎn)熱電動(dòng)勢得分度結果的擴展不確定度為:
銅點(diǎn):U95=4.89μV(k=1.98)(相當于0.41℃)
鋁點(diǎn):U95=3.60μV(k=1.98)(相當于0.35℃)
鋅點(diǎn):U95=3.21μV(k=1.98)(相當于0.33℃)