楊保成,楊　立,謝志輝

(1 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢　430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶　246161)

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300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

楊保成1,2,楊立1,謝志輝1

(1 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033；2.中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶246161)

摘要：為了評(píng)定300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度，依據(jù)GJB3756—99《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》、JJF1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》和JJG351—96《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)方案，分析了測(cè)量不確定度的來(lái)源，建立了測(cè)量模型；分別采用A類(lèi)和B類(lèi)方法對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行評(píng)定，在確定合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度之后，得到測(cè)量不確定度。

關(guān)鍵詞：廉金屬熱電偶；測(cè)量模型；不確定度

300℃以下工業(yè)用熱電偶在工廠使用十分廣泛，且溫度測(cè)量范圍在100℃～200℃。工業(yè)用Ⅱ級(jí)廉金屬熱電偶300℃以下的校準(zhǔn)點(diǎn)在相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中均未明確給出[1]。雖然JJG351—1996《工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》[1]中沒(méi)有明確規(guī)定工業(yè)用鎳鉻-鎳硅熱電偶(K型)300℃以下的測(cè)量點(diǎn)，但是，為了確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，保證產(chǎn)品的品質(zhì)，對(duì)300℃以下工業(yè)用熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)是十分必要的。目前，300℃以上工業(yè)用廉金屬熱電偶的示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定在相關(guān)的參考文獻(xiàn)中已有大量的評(píng)定實(shí)例，朱敏[2]、韋應(yīng)恒[3]、智勇斌[4]等人研究了300℃以上工業(yè)用熱電偶的測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，季曉燁等[5]也給出了300℃以上工業(yè)用廉金屬熱電偶的示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定實(shí)例。李遠(yuǎn)興等[6]研究了楊氏模量實(shí)驗(yàn)的不確定度評(píng)定。曲垠靈[7]研究了300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶的示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，但他僅給出了100℃測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果的不確定度。宗文莉[8]提及到300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶的示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定問(wèn)題，但沒(méi)有給出具體實(shí)例，其他有關(guān)300℃以下工業(yè)用熱電偶的測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定實(shí)例的文獻(xiàn)極少。

為了更加科學(xué)、合理、完整地表示測(cè)量結(jié)果，工廠計(jì)量站在出具的熱電偶檢定證書(shū)或校準(zhǔn)證書(shū)中，測(cè)量結(jié)果應(yīng)包含測(cè)量不確定度的相關(guān)信息，即不僅要給出示值誤差(或修正值)，還應(yīng)按照GJB2749A—2009 《軍事計(jì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)建立與保持通用要求》[9]，對(duì)于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)所開(kāi)展檢定、校準(zhǔn)項(xiàng)目的典型被測(cè)件，編制測(cè)量結(jié)果的不確定評(píng)定實(shí)例，作為報(bào)告測(cè)量結(jié)果時(shí)不確定度評(píng)定的范例。

本文依據(jù)JJG351—96 《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》[1]、JJF1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[10]以及GJB3756—99《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》[11]對(duì)300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定方法進(jìn)行研究，所得結(jié)果可為300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定提供參考[12]。

1測(cè)量過(guò)程

4812工廠購(gòu)置了某型溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、溫控技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)于一體的自動(dòng)化檢定系統(tǒng)。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上工廠建立了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)“二等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置”，由熱工計(jì)量室定期對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。“二等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置”主要由二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、K2000型數(shù)字多用表、多路掃描裝置、恒溫油槽、計(jì)算機(jī)、CST4001系統(tǒng)軟件、多路串口卡組成。

依據(jù)文件：測(cè)量過(guò)程依據(jù)JJG351—96《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》[1]展開(kāi)。

環(huán)境條件：測(cè)量過(guò)程的環(huán)境條件濕度為45%RH～75%RH；溫度為(23±5)℃。

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及主要計(jì)量特性：電測(cè)設(shè)備為K2000型數(shù)字多用表，測(cè)量毫伏電壓最大允許誤差為±(0.005%RD+3.5 μV)，分辨力為0.1 μV；測(cè)量電阻100 Ω檔時(shí)MPE=±(0.01%RD+0.004 Ω)，分辨力為0.1 mΩ。主標(biāo)準(zhǔn)器采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，分度號(hào)為Pt25。

測(cè)量對(duì)象：Ⅱ級(jí)K型熱電偶，依據(jù)檢定規(guī)程，各校準(zhǔn)點(diǎn)的最大允許誤差均為±2.5℃。

選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)：100℃、150℃、200℃。

方法與步驟：因?yàn)闇囟鹊陀?00℃，所以檢定過(guò)程在恒溫油槽中進(jìn)行。按要求與溫控儀表接線(xiàn)，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，再打開(kāi)攪拌旋鈕至7檔左右，當(dāng)恒溫油槽升至100℃后，攪拌旋鈕至5檔，開(kāi)啟溫控儀表(溫控儀表應(yīng)先預(yù)熱30 min)。打開(kāi)電腦，啟動(dòng)系統(tǒng)軟件，驗(yàn)證熱電偶與溫控儀表端口通訊良好，設(shè)定100℃、150℃、200℃，開(kāi)始檢定。檢定完成后，測(cè)量數(shù)據(jù)由系統(tǒng)軟件自動(dòng)處理，

2測(cè)量模型

300℃以下熱電動(dòng)勢(shì)誤差用下式計(jì)算[1]：

(1)

由于 ΔT=ΔT/S，將式(1)同除S被，可轉(zhuǎn)化為

(2)

(3)

式(3)中：δt為被測(cè)熱電偶溫度誤差值(℃)；δt被為被測(cè)熱電偶偏離分度點(diǎn)溫度誤差值(℃)；δt標(biāo)為實(shí)際溫度與某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度的差值(℃)。

3標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

3.1評(píng)定輸入量δt被的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δt被)

u(δt被)來(lái)源于數(shù)字多用表熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量誤差、被測(cè)熱電偶測(cè)量的重復(fù)性、恒溫油槽溫場(chǎng)分布不均勻、測(cè)量回路寄生電勢(shì)、恒溫油槽溫場(chǎng)的波動(dòng)度、熱電偶參考端溫度測(cè)量誤差等。

3.1.1評(píng)定u(δt被1)

u(δt被1)來(lái)源于被測(cè)熱電偶測(cè)量的重復(fù)性，采用A類(lèi)方法評(píng)定。選一支Ⅱ級(jí) k型熱電偶做被測(cè)件，一支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，分別在100℃、150℃、200℃點(diǎn)重復(fù)10次測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)，數(shù)據(jù)如表1所示。

由JJF1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》第4.3.2.2 條、公式(10)[9]，即貝塞爾公式：

經(jīng)過(guò)計(jì)算并將測(cè)量單位換算成微伏(μV)可得：

100℃：S(xi)=5.69 μV

150℃：S(xi)=4.21 μV

200℃：S(xi)=3.68 μV

實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)量次數(shù)為4次，以測(cè)量值的平均值為測(cè)量結(jié)果。則該結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

100℃：U(ΔT被1)=2.84 μV，換算成溫度值約為0.069℃；

150℃：U(ΔT被1)=2.10 μV，換算成溫度值約為0.052℃；

200℃：U(ΔT被1)=1.84 μV，換算成溫度值約為0.046℃。

3.1.2評(píng)定U(ΔT被2)

3.1.3評(píng)定U(ΔT被3)

表1　熱電偶重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)　mV

3.1.4評(píng)定U(ΔT被4)

3.1.5評(píng)定U(ΔT被5)

3.1.6評(píng)定U(ΔT被6)

3.1.7標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(ΔT被)的合成

假設(shè)各個(gè)不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)JJF1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》第4.4.2條、公式(26)[9]，可以得到：

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：

100℃：U(ΔT被)=0.145℃；

150℃：U(ΔT被)=0.138℃，

200℃：U(ΔT被)=0.137℃。

3.2評(píng)定輸入量ΔT標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(ΔT標(biāo))

U(ΔT標(biāo))主要來(lái)自溫度計(jì)的檢定周期不穩(wěn)定性、自熱效應(yīng)、數(shù)字多用表電阻測(cè)量誤差、恒溫油槽溫場(chǎng)分布不均勻、恒溫油槽溫場(chǎng)的波動(dòng)度等。

3.2.1評(píng)定U(ΔT標(biāo)1)

3.2.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(ΔT標(biāo)2)的評(píng)定

3.2.3評(píng)定U(ΔT標(biāo)3)

100℃：U(ΔT標(biāo)3)=4.33×10-3Ω，換算成溫度值約為0.043℃；

150℃：U(ΔT標(biāo)3)=4.62×10-3Ω，換算成溫度值約為0.046℃；

200℃：U(ΔT標(biāo)3)=4.91×10-3Ω，換算成溫度值約為0.049℃。

3.2.4評(píng)定U(ΔT標(biāo)4)

3.2.5評(píng)定U(ΔT標(biāo)5)

3.2.6標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(ΔT標(biāo))的合成

假設(shè)各個(gè)不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)JJF1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》第4.4.2條中公式(26)[9]可以得到：

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：

100℃:U(ΔT標(biāo))=0.047℃

150℃:U(ΔT標(biāo))=0.050℃

200℃:U(ΔT標(biāo))=0.053℃

4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的確定

因?yàn)?ΔT=ΔT被+ΔT標(biāo)，所以有：

確定的各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表2所示。以上各個(gè)不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)JJF1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》4.4.1 不確定度傳播律的定義及第4.4.2條中公式(26)可以得到：

表2　標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

5擴(kuò)展不確定度的報(bào)告與表示

依據(jù)GJB2749A—2009《軍事計(jì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)建立與保持通用要求》[9]第5.2.10.4條推薦的方法，取k=2，經(jīng)計(jì)算和修約，300℃以下Ⅱ級(jí)K型熱電偶在3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度均可表示為 U=0.30℃，k=2。

6結(jié)束語(yǔ)

主標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量對(duì)示值誤差測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度貢獻(xiàn)較小，幾乎可以忽略不計(jì)；由被測(cè)件引入的不確定度分量對(duì)示值誤差測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度貢獻(xiàn)較大，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字多用表的引入的不確定度分量較大，如果把六位半K2000型數(shù)字多用表更換成七位半數(shù)字多用表或八位半數(shù)字多用表，可以明顯地減小測(cè)量不確定度，提高測(cè)量能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]韋應(yīng)恒.工作用K型熱電偶測(cè)量結(jié)果的不確定度分析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2013(4)：56-58.

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[5]季曉燁，范鎧，吳建英等.溫度計(jì)量[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

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[9]GJB2749A—2009，軍事計(jì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)建立與保持通用要求[S].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[10]JJF1059.1—2012,測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2013.

[11]GJB3756—99，測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定[S].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

(責(zé)任編輯楊繼森)

本文引用格式：楊保成,楊立,謝志輝.300℃以下Ⅱ級(jí)工業(yè)用廉金屬熱電偶示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):168-172.

Citation format:YANG Bao-cheng,YANG Li,XIE Zhi-hui.Uncertainty Estimation of Measurement Result of Grade ⅡInexpensive Metal Thermocouple for an Industrial Use Below 300℃[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):168-172.

Uncertainty Estimation of Measurement Result of Grade ⅡInexpensive Metal Thermocouple for an Industrial Use Below 300℃

YANG Bao-cheng1,2,YANG Li1,XIE Zhi-hui1

(1.School of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.The No.4812ndFactory of PLA,Anqing 246161,China)

Abstract:In order to estimate the uncertainty of measurements error of gradeⅡinexpensive metal thermocouple for industrial use below 300℃,based on standards and specifications GJB3756—99 Calibration Procedure of Inexpensive Metal Thermocouple for Working,JJF1059.1—2012 Representation and Evaluation of Uncertainty Measurement and JJG351—96 Representation and Evaluation of Uncertainty Measurement,a calibration method was designed,and the sources of the uncertainty of measurement was analyzed,and the measuring model was established,and the uncertainty components were assessed using class A and class B method respectively.The uncertainty of measurements was obtained after the synthetic standard uncertainty and the expanded uncertainty were determined.

Key words:inexpensive metal thermocouple; measurement model; uncertainty

doi:【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】10.11809/scbgxb2016.05.040

收稿日期：2015-10-18；修回日期：2015-11-22

基金項(xiàng)目：CAST基金(2014A06)

作者簡(jiǎn)介：楊保成(1974—)，男，工程碩士，主要從事動(dòng)力工程研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0168-05