摘 要: 熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)制成的溫度測量元件,是一種廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的溫度傳感器,它由兩種不同材料的熱電極構(gòu)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(chǔ)元件,其示值準(zhǔn)確性,可靠性與否,將影響著整個(gè)控溫的準(zhǔn)確度。因而熱電偶在檢定過程中,其標(biāo)準(zhǔn)裝置,檢定方法等,是否滿足檢定規(guī)程要求,將從根本上影響著檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
熱電偶檢定的誤差分析及總不確定度的分析論證
1、 概述
根據(jù) JJG141—2013《工作用貴金屬熱電偶檢定規(guī)程》要 求,檢定方法有雙極比較法和同名極比較法,根據(jù)單位的情況采用雙極比較法。其檢定原理圖應(yīng)按照圖 1 所示進(jìn)行。規(guī)程要求檢定時(shí)檢定標(biāo)準(zhǔn)與所有被檢熱電偶的參考端應(yīng)全部直接插入 1 個(gè) 0℃的冰點(diǎn)槽里,這樣經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān),由低電勢直流電位差計(jì)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(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際溫度,或計(jì)算出被檢熱電偶的誤差值。
2 熱電偶的檢定方法及所用標(biāo)準(zhǔn)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。
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(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行,開始測量時(shí),其測量順序?yàn)橛傻蜏氐礁邷刂瘘c(diǎn)檢定,檢定爐爐溫偏離檢定點(diǎn)溫度不得超過 ± 5℃,當(dāng)爐溫升到設(shè)定檢定點(diǎn)后觀測到爐溫變化小于 0. 1℃ /min( S 型、R 型熱電偶) 時(shí),開始測量,其測量順序?yàn)?
測量時(shí)每只熱電偶的熱電動(dòng)勢測量次數(shù)不少于 4 次,整個(gè)測量過程爐內(nèi)溫度變化低于 0. 5℃。測量讀數(shù)保留到小數(shù)點(diǎn)后 4 位( 0. 1 μv) 。由于檢定點(diǎn)是在鋅、鋁、銅 3 個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)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(jì)算式為:
式中: et 溫度 t 時(shí)的熱電動(dòng)勢值,e1、e2、e3 被檢定的熱電偶在 3 個(gè)固定點(diǎn) t1、t2、t3 時(shí)的熱電動(dòng)勢值,1 ( t) ,2 ( t) ,3 ( t) ,分別為 t1,t2,t3 溫度下的影響函數(shù):
3 誤差來源、產(chǎn)生原因及計(jì)算分析
誤差來源主要以人、機(jī)、料、法、環(huán) 5 個(gè)方面分析。 1) 一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10 - 鉑熱電阻的不確定度評定為 0. 6℃,正
態(tài)分布,取 k = 2. 58。則:
2) 一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的年穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u2。由檢定規(guī)程 JJG75 - 1995 得知,其在銅點(diǎn)的年穩(wěn)定性不超過5 μv,假設(shè)按均勻分布,。其結(jié)果相當(dāng)于 0. 24℃。
3) 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u3。對分度號(hào)為 S、編號(hào)為 47 - 1S - 11 的熱電偶在短時(shí)間內(nèi)測量 8 次,在銅點(diǎn)測量數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差 Sn = 0. 049℃,則標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
4) 電測儀表讀數(shù)不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u4。 2010 型 7 位半數(shù)字多用表由使用說明書得知在測量銅點(diǎn)熱電勢為 10. 575 mv 時(shí) 的 極 限 誤 差 為 ± ( 0. 003 7% 讀 數(shù) + 0. 000 9% 量程) ,得允差 e4 = ± 1. 29 μv( S 熱電偶在銅點(diǎn)時(shí)) ,相當(dāng) 于 0. 11℃,假設(shè)按均勻分布,k = 槡3。其 結(jié) 果 相 當(dāng) 于0. 06℃。
5) 轉(zhuǎn)換開關(guān)寄生電勢引入的不確定度分量 u5。檢定規(guī)程規(guī)定,轉(zhuǎn)換開關(guān)各路寄生電勢小于 0. 4 μv,相當(dāng)于 0. 03℃。假設(shè)按均勻分布 。其結(jié)果相當(dāng)于 0. 02℃。
6) 檢定爐溫場不均勻性引入的不確定分量 u6。檢定規(guī)程
規(guī)定,管式檢定爐溫均勻溫場內(nèi)溫度變化梯度 0. 4℃ /10 mm,半寬度 e6 = 0. 2℃。按均勻分布。
4 被檢熱電偶總不確定度計(jì)算
1) 總不確定度由以上 8 項(xiàng)不確定度合成,上述 8 項(xiàng)不確定度彼此好立,因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 uc:
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(jié)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(dá)到了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不確定度為被校準(zhǔn)檢測設(shè)備不確定度的 1 /3 ~ 1 /10 點(diǎn)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(chǎn)生的措施,使得被檢熱電偶的總不確定度為#低限度。因此,在檢定工作中,要嚴(yán)格遵守檢定規(guī)程,不斷學(xué)習(xí),要從人員、裝置、方法、環(huán)境及被檢熱電偶特性等多方面做些更細(xì)致的工作,使測量不確定度減小到#低限度,以保證熱電偶的傳遞精度。為企業(yè)更好更快持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
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