Ⅲ級鉑銠30-鉑銠6熱電偶的測量不確定度

[摘要]鉑銠30-鉑銠6(B型)熱電偶在高溫測量中得到廣泛應用。文章遵從JJFI059.1--2012《測量不確定度評定與表示》所推薦的評估方法，介紹了II級B型熱電偶檢定結果的不確定度評定過程，為實際測量的不確定度評定提供了很好的范例。
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶因抗沾污能力好，機械強度高，高溫下熱電特性更為穩定，室溫下熱電動勢小，在使用時一.般不必進行參考段溫度，補正，在高溫測量中得到廣泛應用。熱電偶檢定結果的不確定度評估，主要為確定標準器和電測設備選擇的合理性。檢定結果不確定度的評估方法和結果為日常檢定提供參考。
1檢定對象.
　　工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶，檢定點及最大允許誤差如表1所示"
 
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶各檢定點的微分熱電勢[1]為:S1100C=9.77μV/C,S1300℃=10.87μV/℃，S1500℃=11.56μV/℃
2測量標準及設備
2.1標準器.
　　標準器為一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶,主要技術指標如表2所示"
 
2.2電測設備
　　數字多用表:0~100mV量程內相對誤差為
(37±9)x10^-6。
2.3測量方法
　　將一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶和工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶捆扎后放人高溫檢定爐，采用雙極比較法檢定1100℃、1300℃、1500℃三個溫度點，分別計算算術平均值，得出被檢熱電偶在各溫度點的熱電勢值。雙極比較法的連接線路圖如圖1所示。
 
2.4測量模型
　　根據JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規程，采用雙極比較法，檢定點測量結果的測量模型:
Et=E證+(E被-E標)
　　式中:Et為被檢熱電偶在檢定點上的熱電勢值,mV;E證為標準熱電偶證書上給出的熱電動勢值,mV;E被為被檢熱電偶測得的熱電動勢算術平均值，mV;E標為檢定時標準熱電偶測得的熱電動勢算術平均值，mV。
3標準不確定度評定
　　實際檢定結果的不確定度來源于測量模型中三個參量的不確定度，而E被和E標的測量過程及計算方法相同，因而其不確定度來源與評定過程也相同，不確定度分量主要來源于測量重復性、電測設備、分度復現性、多路開關、參考端、爐溫變化等。
3.1標準熱電偶引入的不確定度u;
　　一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶引入的標準不確定度由標準熱電偶測量結果的不確定度u11以及其年不穩定性u12引起。標準偶檢定證書中各溫度點的擴展不確定度U=2.3℃，k=2.58，則
U(1100℃)=22.47μV,k=2.58
U(1300℃)=25.00μV,k=2.58
U(1500℃)=26.59μV,k=2.58
取正態分布,p=99%,則
u11(1100℃)=8.71μV
U11(1300℃)=9.69μV
U11(1500℃)=10.31μV
　　根據JJG167--1995《標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶》檢定規程，使用中的一-等鉑銠30-鉑銠6熱電偶年穩定性≤12μV，取均勻分布，則由年穩定性引入的標準不確定度u12=6.93μV。
　　則一等鉑銠30-鉑銠6熱電偶在各溫度點引人的標準不確定度分別為:
U1(1100℃)=u²11(1100℃)+u²12μV=11.13μV
U1(1300℃)=u²11(1300℃)+u²12μV=11.91μV
U1(1500℃)=u²11(1500℃)+u²12μV=12.42μV
3.2測量重復性引入的不確定度分量u。
　　三個溫度點檢定時，測量重復性情況大致相同，故對任一檢定點進行重復性分析，可代表其他溫度點的重復性情況，下面以1500℃溫度點為例介紹。用一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶作為標準檢定I級鉑銠30-鉑銠6熱電偶。測得工作偶的五組每組10個重復性實驗數據，合并樣本標準偏差sp1(1500℃)為:
 
 
　　實際測量結果為4次測量值的平均值,則:
Ua2(1500℃)=sp2(1500℃)/4=0.18μV.
　　電測設備的測量分辨力為0.1μV,由其引入的不確定度分量ub=0.1μV/23=0.029μV,ub,(1500℃),u2(1500℃)相比很小,ub忽略不計,只考慮重復性引入的不確定度分量。
　　依此類推，在1100℃、1300℃溫度點由測量重復性引入的不確定度分量分別為:
 
 
3.3電測設備對被檢熱電偶引入的不確定度u2
　　根據說明書，數字多用表在(0~100)mV的量程內相對誤差為(37±9)x10^-6取測得值的最大值參與計算，采用B類方法評定，按均勻分布可得:
u2(1100℃)=△/3=46x10^-6x5.7893mV/3=0.15μV
u2(1300C)=△/3=46x10^-6x7.8544mV/3=0.21μV
u2(1500℃)=△/3=46x10^-6x10.0722mV/3=0.27μV
3.4電測設備對標準熱電偶引入的不確定度u3
　　被檢熱電偶和標準熱電偶同分度號，采用同一數字多用表測量，評估方法同3.3,測量值近似取檢定溫度點的分度值，鉑銠30-鉑銠6熱電偶在三個檢定點分度表上的熱電勢分別為:
5.780mV、7.848mV、10.099mV，則:
u3(1100℃)=△/3=0.15μV
u3(1300℃)=△/3=0.21μV
u3(1500℃)=△/3=0.27μV
3.5分度復現性引入的標準不確定度us
　　檢定時因兩次捆扎裝爐和爐子溫場的變化給測量結果帶來影響，這些影響主要表現在兩次分度測量的差值上，由JJG141--2013的7.3.6.4可知，II級B型熱電偶兩組測量值的差值應小于8.0μV，即測量值的變化區間為8.0μV，則區間半寬度a=4.0μV。按均勻分布處理，則:
U4(1100℃)=4.0μV/3=2.31μV
u4(1300℃)=4.0μV/3=2.31μV
u4(1500℃)=4.0μV/3=2.31μV
3.6測量回路寄生電勢引入的標準不確定度us
　　由JJG141--2013的7.2可知，轉換開關各.路之間最大寄生電勢之差小于0.4μV，標準熱電偶與被檢熱電偶測量回路因寄生電勢差變化帶來的影響小于0.4μV,取區間半寬度a為0.4μV,取均勻分布，則:
U5=0.4μV/3=0.23μV
3.7熱電偶參考段溫差引入的標準不確定度u6
　　由經驗和試驗可知，熱電偶參考端在同一冰點恒溫器內，各路之間最大溫差≤0.05°C，取區間半寬度α為0.05℃，鉑銠30-鉑銠6熱電偶在冰點的微分熱電勢為-0.247μV/℃，溫差換算為電勢值為-0.01235μV,取均勻分布，則:
u6=0.01235μV/3=0.007μV
　　鉑銠30-鉑銠6熱電偶的熱電勢在常溫下小，因此由參考端溫差引人的標準不確定度可忽略不計。
3.8爐溫變化引入的標準不確定度u,
　　根據規程JJG141--2013，檢定B型熱電偶時爐溫變化應小于0.2℃/min，整個測量過程中爐溫變化不得超過0.5℃，區間半寬度α=0.25℃，按均勻分布，則:
U7(1100℃)=0.25℃x9.77μV/℃/3=1.41μV
U7(1300℃)=0.25℃x10.87μV/℃/3=1.57μV
U7(1500℃)=0.25℃x11.56μV/℃/3=1.67μV
3.9合成標準不確定度
3.9.1靈敏系數
測量模型:
Et=E證+(E被-E標)
式中，靈敏系數:
C1=?Et/8E證=1
C2=?Et/8E被=1
C3=?Et/aE標=-1
3.9.2標準不確定度匯總
U1100(E證)=u1(1100℃)
U1300(E證)=u(1300℃)
u1500(E證)=u(1500℃)
 
 
3.9.3合成標準不確定度
　　各輸人量獨立不相關，則合成不確定度為:
 
4測量不確定度的表示
1100℃時,U1100℃(Et)=23.56μV,k=2
1300℃時,U1300℃(Et)=25.12μV,k=2
1500℃時,U1500℃(Et)=26.14μV,k=2
5小結
　　采用雙極比較法，與一等標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶比較檢定(1100~1500)℃溫區工作用I級B型熱電偶的熱電動勢誤差，并評定1100℃、1300℃、1500℃溫度點的測量不確定度，評定過程科學合理，結果的擴展不確定度符合相關技術要求。