溫度測(cè)量裝置系統(tǒng)誤差的分析與處理

1溫度測(cè)量裝置系統(tǒng)誤差原理標(biāo)準(zhǔn)裝置由高密度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)裝置和干井爐組成。將溫度測(cè)量裝置中的溫度傳感器放入干井爐中,由干井爐提供一個(gè)恒定的溫度場(chǎng),同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)器也放入干井爐中,待溫度穩(wěn)定后,通過(guò)對(duì)高精密測(cè)量?jī)x表和溫度控制儀表的讀數(shù)對(duì)比,計(jì)算出溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差,其原理框圖如圖1。2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以下以本實(shí)驗(yàn)室所配置的校準(zhǔn)設(shè)備為例進(jìn)行介紹:2.1井式低溫校準(zhǔn)爐流量計(jì)由工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器、二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和干井式低溫校準(zhǔn)爐溫度計(jì)組成?？蓪?shí)現(xiàn)采用鉑電阻、銅電阻、熱敏電阻等型號(hào)電阻為一次傳感元件的溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)檢測(cè)。2.2帶單獨(dú)電導(dǎo)爐的高溫校準(zhǔn)爐由工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器、一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶和高溫校準(zhǔn)爐組成?？蓪?shí)現(xiàn)采用K、E、N、B、S等多種型號(hào)熱電偶為一次傳感元件的溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)檢測(cè)。3標(biāo)準(zhǔn)方法3.1熱電阻的校準(zhǔn)校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇通常根據(jù)所采用的溫度傳感器而定,當(dāng)溫度測(cè)量裝置使用溫度傳感器為鉑、銅熱電阻時(shí),通常選取0℃、100℃兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn);當(dāng)溫度測(cè)量裝置使用溫度傳感器為熱電偶時(shí),通常按照溫度范圍,選取不超過(guò)4個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。由于企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,所選用的溫度點(diǎn)通常是固定的,故也可根據(jù)客戶實(shí)際使用要求選擇校準(zhǔn)點(diǎn)。3.2溫度檢測(cè)儀器將清潔后的溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器放入校驗(yàn)爐內(nèi),并使用保溫棉塞住爐口,連接高精密溫度測(cè)量?jī)x。溫度恒定后,讀取高精密溫度測(cè)量?jī)x和溫度控制儀表的溫度顯示值ts和td。重復(fù)測(cè)量6次,取平均值,計(jì)算得出溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差。3.3系統(tǒng)誤差分析按式(1)計(jì)算:Δt=ˉtd-ˉts(1)Δt=tdˉˉˉ?tsˉˉˉ(1)式中:Δt—溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差;ˉtdtdˉˉˉ—溫度測(cè)量裝置中溫度控制儀表的示值平均值;ˉtstsˉˉˉ—工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器的示值平均值。4例子4.1標(biāo)準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的組成被測(cè)對(duì)象:溫度測(cè)量裝置,溫度范圍(0～1000)℃。由熱電偶(分度號(hào)K,等級(jí)Ⅱ)、數(shù)字顯示儀(型號(hào)SR97,準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí))、補(bǔ)償導(dǎo)線(型號(hào):KX)組成。校準(zhǔn)設(shè)備:(1)標(biāo)準(zhǔn)器:標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,型號(hào):S型,準(zhǔn)確度等級(jí):一等。(2)配套設(shè)備:工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器,型號(hào):741B,準(zhǔn)確度等級(jí):±0.9℃(S型時(shí))高溫校驗(yàn)爐,型號(hào):9150,爐溫均勻性:±1.0℃。4.2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)400℃、600℃、800℃、1000℃4.3溫度顯示值的計(jì)算將K型熱電偶和S型熱電偶同時(shí)放入高溫校驗(yàn)爐,分別設(shè)定高溫校驗(yàn)爐的溫度為400℃、600℃、800℃、1000℃,待溫度穩(wěn)定后,分別讀取溫度控制儀表和工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器的溫度顯示值,重復(fù)讀取6次,按式(1)計(jì)算溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差,表1以400℃為例計(jì)算具體結(jié)果。其中:工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器示值平均值:ˉts=402.1℃tsˉˉˉ=402.1℃,溫度控制儀表顯示值平均值:ˉtd=405.0℃tdˉˉˉ=405.0℃則:溫度測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差:Δt=ˉtd-ˉts=2.9℃Δt=tdˉˉˉ?tsˉˉˉ=2.9℃5測(cè)量的不確定度評(píng)估評(píng)定對(duì)象:如4實(shí)例中描述,以下對(duì)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)400℃為例評(píng)定。5.1數(shù)學(xué)模型Δt=ˉtd-ˉtsΔt=tdˉˉˉ?tsˉˉˉ5.2不確定度的計(jì)算測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度;工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器測(cè)量誤差引入的不確定度;標(biāo)準(zhǔn)熱電偶引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;高溫校驗(yàn)爐的不均勻性引入的不確定度;數(shù)字顯示儀的分辨力引入的不確定度等。5.3不確定的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估(1)td1.1儀表分辨力①u(td1)由溫度顯示儀的測(cè)量重復(fù)性引入,采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。在400℃時(shí),連續(xù)讀取溫度顯示儀的示值6次,測(cè)得數(shù)據(jù)如表1,測(cè)量結(jié)果按平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算:u(td1)=s/√n=√6∑i=1(tdi-ˉtd)2√n(n-1)=0.058℃u(td1)=s/n√=∑i=16(tdi?tdˉˉˉ)2ue001?ue000ue000n(n?1)√=0.058℃②u(td2)由儀表分辨力引入,溫度控制儀表的分辨力為0.1℃,半寬度為0.05℃。符合均勻分布,取k=√3k=3√,則:u(td2)=0.05/√3=0.029℃u(td2)=0.05/3√=0.029℃③u(td3)由高溫校驗(yàn)爐中徑向溫場(chǎng)的不均勻性引入,根據(jù)校準(zhǔn)爐技術(shù)指標(biāo),軸向不均勻性最大不超過(guò)1.0℃,符合均勻分布,取k=√3k=3√,則:u(td3)=1.0/√3=0.577℃u(td3)=1.0/3√=0.577℃④輸入量td的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(td)的合成u(td)=√u(td1)2+u(td2)2+u(td3)2=0.581℃u(td)=u(td1)2+u(td2)2+u(td3)2?????????????????????√=0.581℃(2)utd的測(cè)量不一,uts多,utd多,5.2.3①u(ts1)由一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)不確定度引入,由檢定證書(shū)知:一等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在銅點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為7.08μV(k=2.58),則:u(ts1)=7.08/2.58=2.74μV折算為溫度:u(ts1)=2.74/11.8=0.232℃②u(ts2)由工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器的測(cè)量誤差引入,根據(jù)使用說(shuō)明書(shū),在對(duì)S型熱電偶測(cè)量時(shí),其測(cè)量不準(zhǔn)確度為0.9℃,符合均勻分布,取k=√3,則:u(ts2)=0.9/√3=0.52℃③u(ts3)由冷端溫度修正引入,當(dāng)使用工業(yè)校準(zhǔn)器上內(nèi)部自動(dòng)冷端補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償誤差≤0.2℃,符合均勻分布,取k=√3,則:u(ts3)=0.2/√3=0.115℃④輸入量ts的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ts)的合成u(td)=√u(ts1)2+u(ts2)2+u(ts3)2=0.581℃5.4合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度因?yàn)樯鲜龈鞣至康牟淮_定度彼此獨(dú)立不相關(guān),故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:uc=√(c1u(td))2+(c2u(ts))2=0.82℃5.5擴(kuò)展不確定度的評(píng)估取置信概率p=95%,k=2,則擴(kuò)展不確定度為:U=k·uc=2×0.82=1.6℃6與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比6.1傳統(tǒng)的測(cè)量方法(1)555555.555.5555.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.555555555555555555555555555555555.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.數(shù)字顯示儀表:最大允許誤差Δ1=±(1200-0)×0.5%=±6℃熱電偶:最大允許誤差為Δ2=±7.5℃(在400℃為±3℃)補(bǔ)償導(dǎo)線(根據(jù)等級(jí)劃分):A級(jí):最大允許誤差Δ3=±1.5℃B級(jí):最大允許誤差Δ4=±2.5℃(2)合格判定按單個(gè)部件進(jìn)行檢定時(shí),各部件的誤差只要在最大允差范圍都可視為合格。按照誤差的兩個(gè)極限方向計(jì)算,該溫度測(cè)量裝置在400℃的誤差范圍為(-11.5～+11.5)℃,而滿程的誤差范圍可達(dá)(-16.0～+16.0)℃。6.2溫度計(jì)的系統(tǒng)校正(1)數(shù)據(jù)分析由實(shí)例中,可直接得到整套溫度測(cè)量裝置在400℃時(shí)的系統(tǒng)誤差為2.9℃,測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U=1.6℃(k=2)。(2)在線測(cè)量,方便處理①系統(tǒng)誤差的測(cè)量結(jié)果直觀,可用于系統(tǒng)的直接修正。②誤差量來(lái)源清楚豐富,不作為檢定項(xiàng)目的熱電