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小型箱式电阻炉炉温测量结果不确定度评定

2015-11-07经验人

中国科技信息 2015年24期
关键词:炉温输入量箱式

经验人:高 丽

小型箱式电阻炉炉温测量结果不确定度评定

经验人:高 丽

本文对小型箱式电阻炉炉温均匀度、稳定度的测量结果进行了不确定度评定。

箱式炉是以电为能源,在某一规定时间内,电流通过加热元件产生热量,其传热方式为辐射、传导、对流等,是使炉料间接得到加热的设备。箱式电阻炉具有体积小、升温快、热损小、均匀性好、维修方便、使用安全等优点,目前广泛应用于化学分析、物理测定、钢件热处理、高温灭菌等方面,故对箱式电阻炉计量性能的准确测量具有非常重要的现实意义。因炉温均匀度、稳定度是箱式电阻炉的最主要技术指标,本文以箱式炉最常用温度800℃点为例,对炉温均匀度、稳定度的测量结果进行不确定度评定。

箱式电阻炉测量的技术要求

(1)测量依据:JJF1376-2012 《箱式电阻炉校准规范》。

(2)测量方法:比较法。

(3)标准器: 5支I级K型工作用廉金属热电偶,编号为0,1,2,3,4,修正值分别为

-0.79℃,-1.23℃,-0.52℃,-0.42℃,-0.24℃。

(4)主要配套设备:极限误差为(0.02%RD+0.005%FS)的热工仪表校验仪、低电势转换开关。

(5)被测对象:箱式电阻炉。

(6)主要技术要求:箱式电阻炉大致分为C级、B级、A级,其中C级为最优,应符合如下要求:炉温稳定度≤±1℃,炉温均匀度:(300~750)℃时≤±4℃;(750~1200)℃时≤±6℃;(1150~1300)℃时≤±8℃。

数学模型

炉温均匀度是在各测温点上测得的最高、最低实际温度分别与中心点实际温度之差。Δθ+= tpmax-tp Δθ-= tpmin-tp

式中:Δθ+ 、Δθ-— 炉温均匀度;tpmax、tpmin— 各测温点实际温度的最大、最小值;tp —中心点的实际温度;℃。

炉温稳定度是指箱式炉在校准温度下,达到稳定状态时,中心(监控)点上测得温度的最大、最小值分别与平均值之差。Δδ+= th-tp Δδ-= tl-tp

式中:Δδ+、Δδ-—炉温稳定度;th、tl—中心点测得的实际温度的最大、最小值;℃。

实验数据

依据箱式炉的校准规范要求布置传感器,使0号传感器位于被测箱式炉中央。当炉温升到800℃并达到热稳定状态后开始读取数据,在60min内每个3min记录各测温点的温度1次,测量20次,每一次记录均在1min内完成,得到以下数据:

0号传感器20次的测量结果分别为:802.11℃、804.22℃、802.53℃、803.64℃、803.15℃、802.16℃、802.97℃、802.18℃、803.19℃、802.10℃、802.92℃、802.34℃、803.66℃、804.78℃、803.60℃、802.31℃、803.63℃、804.75℃、803.37℃、804.19℃;

1号传感器测得最低实际温度,20次的测量结果分别为:

800.53℃、801.35℃、802.23℃、801.52℃、803.26℃、802.51℃、802.91℃、800.57℃、803.23℃、804.55℃、802.90℃、802.35℃、801.51℃、802.60℃、801.51℃、802.30℃、801.52℃、802.60℃、802.61℃、803.80℃;

3号传感器测得最高实际温度,20次的测量结果分别为:

803.51℃、804.64℃、805.82℃、805.25℃、804.32℃、803.50℃、804.63℃、803.57℃、804.35℃、806.54℃、804.68℃、803.39℃、804.61℃、805.73℃、804.65℃、803.38℃、804.62℃、805.71℃、802.54℃、804.93℃。

不确定度的评定

炉温均匀度的不确定度评定

各分量的相对不确定度评定

(1)输入量tpmax、tpmin引入的不确定度u(tpmax)、u(tpmin)

a.输入量tpmax、tpmin重复测量引入的不确定度u(tpmax1)、u(tpmin1)

3号传感器测得炉内最高实际温度值,20次测量值的平均值为804.10℃,Si为1.00,平均值的标准不确定度:属A类不确定度分量,服从正态分布。

1号传感器测得炉内最低实际温度值,20次测量值的平均值为801.09℃,Si为1.02,平均值的标准不确定度:属A类不确定度分量,服从正态分布。

b.实际最大、最小值测量传感器量传引入的不确定度u(tx1)

由工作用廉金属热电偶检定规程可知,I级廉金属热电偶的允许误差为±1.5℃,属正态分布,标准不确定度为u(tx1)=1.5/2.58≈0.58℃

(2)输入量tp引入的不确定度u(tp)

a.输入量tp重复测量引入的不确定度u(tpk)

中心点0号传感器20次测量值的平均值为802.40℃,Si为0.87,平均值的标准不确定度:u(tpk)属A类不确定度分量,服从正态分布。

b.中心点测量值测量传感器量传引入的不确定度u(tx1)

I级工作用廉金属热电偶的允许误差为±1.5℃,属正态分布,标准不确定度为u(tpd)=1.5/2.58≈0.58℃

c.输入量tp的合成不确定度为u(tp)

(3)电测设备引入的不确定度u(td)

a.电测设备分辨力引入的不确定度u(td1)

本校准装置所用电测设备最小分辨力为0.01℃,半宽为0.005℃,满足均匀分布,u(td1)=0.005/1.732≈0.0029℃

b.电测设备稳定性引入的不确定度u(td1)

由电测设备的使用说明书可知,其极限误差为(0.02%RD+0.005%FS),属正态分布,则 u(td2)= (0.0002×800+0.00005×2000)/2.58≈0.1008℃

c.电测设备的合成不确定度为u(td)

合成标准不确定度

炉温稳定度的不确定度评定

各分量的相对不确定度评定

(1) 输入量th、tl引入的不确定度u(th)、u(tl)

a.输入量th、tl重复测量引入的不确定度u(th1)、u(tl1)

由上文中的实验数据经计算可知,中心点测量结果的平均值为802.40℃,Si为0.87,平均值的标准不确定度:u(th1)=u(tl1)=u(tpk)≈0.20℃,属A类不确定度分量,服从正态分布。

b.测量传感器量传引入的不确定度u(tx1)≈0.58℃

c.经计算可得:输入量th、tl的合成不确定度u(th)=u(tl)=0.61℃

(2)与炉温均匀度的分析相同,输入量tp引入的不确定度u(tp)= 0.61℃

(3)与炉温均匀度的分析相同,电测设备引入的不确定度u(td)=0.10℃

合成标准不确定度

由上文中的分析可得:

扩展不确定度评定

因主要分量为正态分布,是对称分布,因此P=95%时,可取包含因子k = 2,箱式电阻炉炉温均匀度、稳定度测量结果的扩展不确定度 U= k×uc,最后结果取小数点后一位。

炉温均匀度测量结果的扩展不确定度:

U(Δθ+) = 1.8 ℃;k=2, U (Δθ-)= 1.8 ℃;k=2。

炉温稳定度测量结果的扩展不确定度:

U(Δδ+) = 1.8 ℃;k=2, U (Δδ-)= 1.8 ℃;k=2。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.051

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