热电偶检定炉是各级计量技术机构和各类实验室检定热电偶时所用的一种电加热设备,正确开展热电偶检定炉温场测量结果的不确定评定,对于精密测温有着非常重要的意义。
( 1) 测量依据: JJF 1184—2007 《热电偶检定炉温度场测试技术规范》
( 2) 测 量 条 件: 环 境 温 度 21℃、相 对 湿 度:53% RH。
( 3) 测量标准器: 二等标准铂铑 10 - 铂热电偶2 支。
( 4) 测量方法: 将 2 支二等标准铂铑 10 - 铂热电偶中的一支作为移动标准偶,在检定炉轴向或径向规定位置移动,另一支作固定标准偶 ( 参考标准偶) ,固定于轴向或径向规定位置不动,用微差法测量移动标准偶在任意一点相对于固定 “0”点位置的温度差值。
本次测量以 1000℃为例。
1 数学模型
移动标准偶在任一点相对于 “0”点的温度差值为
将电势值转化成温度值,式 ( 1) 可写为
式中: Δt( t) i为移动标准偶与固定标准偶在任意位置点的温度差值,℃; Δt( t) 0为移动标准偶与固定标准偶在固定点 “0”点的温度差值,℃。
2 输入量标准不确定度的评定
2. 1 输入量 Δt( t) i
( 任一位置) 的标准不确定度 u1输入量 Δt( t) i( 任一位置) 的标准不确定度来源有: 标准偶测量重复性、电测设备测量误差、参考端温度影响、转换开关寄生电势、两次测量位置不一致性、热电偶电极不均匀、炉温波动。
( 1) 标准偶测量重复性引入的标准不确定度 u1. 1
测量时,由于热电偶的短期不稳定性引起的测量结果具有分散性,选用一支二等标准铂铑 10 - 铂热电偶,在1000℃等精度测量 10 次 ( 单位: μV) ,数据为: 9582. 6、 9583. 3、 9582. 9、 9582. 4、 9583. 9、9584. 0、9583. 7、9584. 2、9584. 0、9583. 5。 用贝塞尔公式计算:
由于测量结果取两次测量的平均值,故 m =2,则
( 2) 电测设备测量误差引入的标准不确定度 u1. 2
本系统采用 KEITHLEY2000 型 6(1/2)数字电压表,分辨力 0. 1μV,在测量两支标准偶时主要影响来自于数字电压表的短期稳定性,其值不大于 1μV,按均匀分布处理,则
( 3) 参考端温度影响引入的标准不确定度 u1. 3
标准热电偶参考端至于同一冰点器中,任意两参考端间最大温差≤0. 05℃,取半宽区间为 0. 025℃,按均匀分布处理,则
( 4) 转换开关寄生电势引入的标准不确定度 u1. 4
测量时,转换开关寄生电势≤0. 4μV,按均匀分布处理,则
( 5) 两次测量位置的不一致性引入的标准不确定度 u1. 5
移动偶来回移动测量,第 1 次和第 2 次测量时位置的不一致会引起两次测量结果有差异,最大差值估计值不大于 2μV,取半宽区间为 1μV,按均匀分布处理,则
( 6) 热电偶电极不均匀性引入的标准不确定度 u1. 6
由于热电偶测量时处于有温度梯度的温场中,电极不均匀会产生一很小的附加电势,其值估计为1μV,取半宽区间为 1μV,按均匀分布处理,则
( 7) 炉温波动引入的标准不确定度 u1. 7
根据规程规定,炉温变化不大于 0. 1℃ /min,以炉温单向变化为极端情况,每支 4 个读数后对测量结果可能有 0. 050℃ 的影响,取半宽区间为 0. 025℃,按反正弦分布处理,则
2. 2 输入量 Δt( t) 0( 固定 “0”点位置) 的标准不确定度 u2
输入量 Δt( t) 0( 固定 “0”点位置) 的标准不确定度来源有: 电测设备测量误差、参考端温度影响、转换开关寄生电势、两次测量位置不一致性、热电偶电极不均匀、炉温波动。
( 1) 电测设备测量标准偶引入的标准不确定度与 1. 2 情况相同,即: u2. 1= u1. 2= 0. 050℃
( 2) 参考端温度影响引入的标准不确定度 u2. 2与1. 3 情况相同,即: u2. 2= u1. 3= 0. 014℃
( 3) 转换开关寄生电势引入的标准不确定度 u2. 3与 1. 4 的情况相同,即: u2. 3= u1. 4= 0. 020℃
( 4) 两次测量位置的一致性引入的标准不确定度u2. 4与 1. 5 的情况相同,即: u2. 4= u1. 5= 0. 050℃
( 5) 热电偶电极不均匀性引入的标准不确定度u2. 5与 1. 6 情况相同,即: u2. 5= u1. 6= 0. 050℃
( 6) 炉温波动引入的标准不确定度 u2. 6与 1. 7 情况相同,即: u2. 6= u1. 7= 0. 018℃
3 标准不确定度汇总表
4 合成标准不确定度
输入量 Δt( t) i、Δt( t) 0互不相关、彼此独立,则
5 测量结果的扩展不确定度
取包含因子 k =2,则扩展不确定度为U = k × uc= 0. 27℃
6 测量结果不确定度的报告与表示
S 型标准热电偶检定炉在 1000℃ 时温度误差Δt( t) io= 0. 1℃ , 测量结果的扩展不确定度为 U =0. 27℃ ,k = 2。
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