一等铂铑30-铂铑6热电偶标准装置建标方案与不确定度分析

赵琪 王舜禹 陈龙

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110001

引言

在很多试验现场，工作用铂铑30-铂铑6热电偶被应用于实现温度参数的测量。一等铂铑30-铂铑6热电偶标准装置可检定工作用铂铑30-铂铑6热电偶，完成（1100～1500）℃温区内温度量值的传递，保证温度量值的准确可靠。

1 计量标准装置建标方案

1.1 计量标准装置的组成

该标准装置主要由一等标准铂铑30-铂铑6热电偶、高温检定炉、退火炉、零度恒温器、转换开关及电测仪器组成。

1.2 计量标准的工作原理

该标准装置采用一等标准铂铑30-铂铑6热电偶与被检工作用铂铑30-铂铑6热电偶直接比较的方法进行检定。也就是把标准热电偶和被检热电偶捆扎在一起送入检定炉内，将热电偶测量端置于均匀温场内，用电测仪器测出它们的热电动势，通过计算得到被检热电偶在校准温度点的电势值。其工作原理框图如图1所示。

图1 测量标准的工作原理图

1.3 环境条件

表1 环境条件列表

2 计量标准器具不确定度的评定

2.1 测量依据及方法

依据JJG 141-2013《工作用贵金属热电偶》检定规程，将一等标准铂铑30-铂铑6热电偶（以下简称标准热电偶）和工作用铂铑30-铂铑6热电偶（以下简称被检热电偶）捆扎后放入管式检定炉，用双极比较法在1100℃、1300℃、1500℃3个温度点进行检定[1]。分别计算算术平均值，最后得到被检热电偶在各温度点的热电势值。

2.2 测量数学模型

不确定度分析检定点测量结果的测量模型：

式中：

2.3 标准不确定度评定

主要不确定来源：测量重复性、标准热电偶、电测设备、多路开关、参考端和炉温变化等影响。

2.3.1 测量重复性引入的不确定度分量。测量重复性引入的不确定度分量，用A类方法进行评定。

在1100℃、1300℃、1500℃分别测得被检热电偶的10个重复性实验数据，根据贝塞尔公式计算得：

2.3.2 标准热电偶证书值引入的不确定度分量。标准热电偶证书值引入的不确定度分量，用B类方法进行评定。一等标准铂铑30-铂铑6热电偶在1100℃、1300℃、1500℃3点的扩展不确定度为：，则标准不确定度为，1100℃、1300℃、1500℃3点对应的微分热电势分别为9.77μV/℃、10.87μV/℃、11.56μV/℃，则：

2.3.3 标准热电偶年稳定性引入的标准不确定度分量。标准热电偶年稳定性引入的标准不确定度，用B类方法进行评定。根据JJG 75-1995《标准铂铑30-铂铑6热电偶》检定规程[2]，标准偶的年稳定性不应超过±12μV，按均匀分布考虑，取区间半宽度a=12μV，则标准不确定度为：

2.3.4 电测设备引入的标准不确定度分量。电测设备对被检偶引入的标准不确定度分量，用B类方法进行评定。测量仪器纳伏表允许基本误差：±（3×10-5×读数+4×10-6×量程）（100mV档），区间半宽度a为（3×10-5×读数+4×10-6×量程），按均匀分布考虑，[3]。铂铑30-铂铑6热电偶在1100℃、1300℃、1500℃3个检定点标称热电势分别为：5.780mV、7.848mV、10.099mV，则：

2.3.5 测量回路寄生电势引入的标准不确定度分量。测量回路寄生电势引入的标准不确定度分量，用B类方法进行评定。规程JJG 141-2013《工作用贵金属热电偶》规定转换开关各路之间最大寄生电势之差小于0.4μV，实际设备满足此要求，用0.4μV进行计算，认为均匀分布，，则：

2.3.6 热电偶参考端引入的标准不确定度分量。热电偶参考端引入的标准不确定度分量，用B类方法进行评定。规程JJG 141-2013《工作用贵金属热电偶》规定插入冰点恒温器中的所有热电偶的参考端和铜导线的接点相互温差不超过0.05℃，实际工作中满足此要求，用0.05℃进行计算。铂铑30-铂铑6热电偶在0℃的微分热电势为-0.25μV/℃，温差换算成电势值为0.02μV，按均匀分布考虑，，则：

2.3.7 炉温变化引入的标准不确定度分量。炉温变化引入的标准不确定度分量，用B类方法进行评定。根据规程中双极比较法的规定，炉温变化小于0.1℃/min时开始测量，对标准偶和被检偶的测量1min内可完成，即每次测量标准偶与被检偶时炉温变化不超过0.1℃，检定炉温度变化的区间半宽为0.1℃，认为均匀分布，，得，则：

2.4 合成不确定度

表2 标准不确定度汇总

合成标准不确定度为：

计算得1100℃、1300℃和1500℃温度点的合成不确定度分别为：

通过塞贝克系数转化为温度，分别为：

表3 整百度点合成不确定度计算

2.5 扩展不确定度

3 计量标准器具不确定度的验证

选取一支工作用铂铑30-铂铑6热电偶，经自检测得数据后，送上一级法定计量机构检定一组数据，检定结果合格。其测得值如下：

表4 不确定度验证数据

4 结束语

本文介绍了一等铂铑30-铂铑6热电偶标准装置的组成和工作原理，重点阐述了标准装置不确定度评定过程，给出了一等铂铑30-铂铑6热电偶标准装置在（1100～1500）℃整百度点的扩展不确定度，并通过不确定度验证证明了不确定度的正确性。