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熱電偶檢定的誤差分析及總不確定度的分析論證

熱電偶檢定的誤差分析及總不確定度的分析論證

時間:2020-09-16 18:20:58

 摘 要: 熱電偶是根據熱電效應制成的溫度測量元件,是一種廣泛應用在各個領域的溫度傳感器,它由兩種不同材料的熱電極構成,并將其兩端的溫度差,以電勢值的形式輸入給二次儀表———溫度顯示儀表,以完成溫度測量的全過程。因 此,熱電偶就是測量儀表的基礎元件,其示值準確性,可靠性與否,將影響著整個控溫的準確度。因而熱電偶在檢定過程中,其標準裝置,檢定方法等,是否滿足檢定規程要求,將從根本上影響著檢定結果的準確性和可靠性。bzW壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
1、 概述
根據 JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規程》要 求,檢定方法有雙極比較法和同名極比較法,根據單位的情況采用雙極比較法。其檢定原理圖應按照圖 1 所示進行。規程要求檢定時檢定標準與所有被檢熱電偶的參考端應全部直接插入 1 個 0℃的冰點槽里,這樣經過轉換開關,由低電勢直流電位差計或其他等精度電測儀器測得的熱電勢值為 E( t0 ) ,即檢定爐的爐溫 t,相對于 0℃的熱電勢值,經過標準熱電偶誤差修正后,就可以從熱電偶分度表中直接查得熱電偶所測實際溫度,或計算出被檢熱電偶的誤差值。 
 
2 熱電偶的檢定方法及所用標準裝置
通常熱電偶的檢定方法有雙極比較法、同名極比較法,一般使用的是同名極比較法,其檢定原理如圖 1 所示。
雙極比較法檢定原理示意圖
熱電偶在檢定前先清洗、退火、然后捆扎入爐。檢定在鋅( 419. 527℃ ) 、鋁( 660. 323℃ ) 、銅( 1 084. 62℃ ) 3 個固定點進行,開始測量時,其測量順序為由低溫到高溫逐點檢定,檢定爐爐溫偏離檢定點溫度不得超過 ± 5℃,當爐溫升到設定檢定點后觀測到爐溫變化小于 0. 1℃ /min( S 型、R 型熱電偶) 時,開始測量,其測量順序為:
測量順序
測量時每只熱電偶的熱電動勢測量次數不少于 4 次,整個測量過程爐內溫度變化低于 0. 5℃。測量讀數保留到小數點后 4 位( 0. 1 μv) 。由于檢定點是在鋅、鋁、銅 3 個固定點進行的,合格的熱電偶在鑒定證書中還須給出 300℃ ~ 1 300℃ 各整百度上的熱電勢值。計算式為:
20200916182903.jpg
式中: et 溫度 t 時的熱電動勢值,e1、e2、e3 被檢定的熱電偶在 3 個固定點 t1、t2、t3 時的熱電動勢值,1 ( t) ,2 ( t) ,3 ( t) ,分別為 t1,t2,t3 溫度下的影響函數:
影響函數
 
3 誤差來源、產生原因及計算分析
誤差來源主要以人、機、料、法、環 5 個方面分析。 1) 一等標準鉑銠10 - 鉑熱電阻的不確定度評定為 0. 6℃,正
態分布,取 k = 2. 58。則:
20200916182937.jpg
2) 一等標準熱電偶的年穩定性引入的標準不確定度 u2。由檢定規程 JJG75 - 1995 得知,其在銅點的年穩定性不超過5 μv,假設按均勻分布,QQ截圖20200916183015.jpg。其結果相當于 0. 24℃。
QQ截圖20200916182954.jpg
 
3) 測量重復性引入的標準不確定度 u3。對分度號為 S、編號為 47 - 1S - 11 的熱電偶在短時間內測量 8 次,在銅點測量數據如下: 10. 567 9,10. 567 6,10. 567 5,10. 566 8,10. 566 5, 10. 566 3,10. 566 6,10. 656 9實驗標準偏差 Sn = 0. 049℃,則標準不確定度:
20200916183042.jpg
 
4) 電測儀表讀數不準確引入的標準不確定度分量 u4。 2010 型 7 位半數字多用表由使用說明書得知在測量銅點熱電勢為 10. 575 mv 時 的 極 限 誤 差 為 ± ( 0. 003 7% 讀 數 + 0. 000 9% 量程) ,得允差 e4 = ± 1. 29 μv( S 熱電偶在銅點時) ,相當 于 0. 11℃,假設按均勻分布,k = 槡3。其 結 果 相 當 于0. 06℃。
20200916183059.jpg
5) 轉換開關寄生電勢引入的不確定度分量 u5。檢定規程規定,轉換開關各路寄生電勢小于 0. 4 μv,相當于 0. 03℃。假設按均勻分布 QQ截圖20200916183015.jpg。其結果相當于 0. 02℃。
20200916183103.jpg
6) 檢定爐溫場不均勻性引入的不確定分量 u6。檢定規程
規定,管式檢定爐溫均勻溫場內溫度變化梯度 0. 4℃ /10 mm,半寬度 e6 = 0. 2℃。按均勻分布QQ截圖20200916183015.jpg。
20200916183106.jpg
 
4 被檢熱電偶總不確定度計算
1) 總不確定度由以上 8 項不確定度合成,上述 8 項不確定度彼此好立,因此合成標準不確定度 uc:
20200916183109.jpg
2) 拓展不確定度 U = KUC = 0. 78℃ ( k 取 2)
被檢熱電偶在使用溫度上限允許基本誤差 = 1 600℃ × 0. 25% = 4. 0℃ 
 
5 結語
鉑銠 10———鉑熱電偶檢定裝置的總不確定度為 0. 78℃,小于被檢熱電偶的允許基本誤差 4. 0℃,達到了計量標準設備不確定度為被校準檢測設備不確定度的 1 /3 ~ 1 /10 點要求,滿足熱電偶檢定要求。從以上分析中可知,由于在熱電偶檢定中采取了許多消除或避免誤差產生的措施,使得被檢熱電偶的總不確定度為非常低限度。因此,在檢定工作中,要嚴格遵守檢定規程,不斷學習,要從人員、裝置、方法、環境及被檢熱電偶特性等多方面做些更細致的工作,使測量不確定度減小到非常低限度,以保證熱電偶的傳遞精度。為企業更好更快持續發展作出貢獻。
 
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