工作用廉金属热电偶的检定注意事项及不确定度评定

翟旭

摘要：廉金属热电偶是石油炼厂中应用广泛的接触式测温元件。为确保测温的准确性，检定人员需掌握热电偶的检定方法，避免影响检定结果的不良因素。因而热电偶在检定过程中，是否采用正确的检定方法，对检定结果的准确性和可靠性有着很大影响。本文主要阐述了影响热电偶检定结果的因素并对测量结果不确定度进行评定。

关键词：热电偶检定;不确定度;误差来源

一、热电偶的检定

热电偶的结构如图1所示，由不同的材料A和材料B组合成热电偶的两个热电极，图中接点T端称为测量端（也叫热端或工作端）;接点T0端称为参考端（也叫冷端或自由端）。检定时，两个接点温度不同，就会在热电偶回路中产生热电动势。

热电偶的检定一般采用比较测温法。比较测温法就是将被检热电偶和量值溯源图上比其准确度等级高的标准热电偶测量端捆扎良好放置在热源的均匀温度场中，设置热源温度加热到规定的检定点，恒温一段时间达到测量条件后通过电测设备比较标准热电偶和被检热电偶的热电势完成检定工作。

二、影响热电偶检定结果的因素

1.热电偶绑扎不规范的影响

热电偶检定中，必须将标准偶和被检偶一起捆扎成一束，注意其工作端必须保持齐平，且测量端在同一平面，这样做是为了将被检热电偶与标准热电偶置于同一温场内，减小检定误差。

捆扎好的偶必须悬空放入检定炉中适当的位置，切忌触碰到炉壁，是因为炉壁温度比腔内的温度高，碰触炉壁会导致热电偶受热不均匀，造成测量结果误差偏大。

对带绝缘磁珠的热电偶，在捆扎时应注意铁丝捆扎位置避开裸露的偶丝捆扎在磁珠上，若热电偶的两根偶丝碰到一起，造成测量数据不停波动，无法读数。

2.参考端温度均匀性的影响

热电偶检定时参考端通常置空气中，我厂检定装置参考端使用传感器补偿，检定时要注意参考端与检定炉的位置以及参考端温度补偿导线位置，切忌将参考端补偿导线置于地面。参考端温度的不稳定也会造成终端测量结果的不稳定为了使参考端处于相对稳定的环境中，还要注意避免检定试验室内的空气流动，保持室内恒温。

3.测量端插入深度的影响

依规程要求，装炉时将标准热电偶套上高铝保护管，与被检热电偶用细镍铬丝捆扎成圆形一束，捆扎时应将被检热电偶的测量端围绕标准热电偶的测量端均匀分布一周，并处于垂直标准热电偶同一截面上，热电偶的测量端应处于管式炉最高温区中心。在检定过程中，可能出现未将标准顶到保护管尽头的现象，导致标准热电偶与被检热电偶处于不同温场内，数据失稳，进而导致测量误差较大。

4.控温偶插入深度的影响

控温偶的测量端也应接近管式炉最高温区中心位置。控温偶一般在被检偶另一端插入炉内，若被检偶很长，反复插拔被检偶容易导致控温偶位置的偏移，导致控温偶和被检偶温场不同，這种情况往往导致控温时间长，温度波动容易超过±0.25℃/min，系统无法采集数据或采集后的数据造成误差偏大。

5.检定炉温度的影响

检定炉口两端和外界环境相接触，温差大，相应的热交换也大，炉温温场呈现中间高，两边低的情况，越是接近炉口，温度变化梯度也越大。检定过程中随着炉温的升高，炉内热量散出，会导致参考端温度的升高。因此在检定前，将管式炉炉口沿热电偶束周围，用绝缘耐火材料堵好，能在一定程度减少热量的扩散。

在热电偶检定前，多加检查从各个方面查找原因，尽可能避免或减小引起仪表数据不稳定的因素，从而减小测量结果的不确定度。

三、热电偶检定测量不确定度评定

1.建立数学模型

根据热电偶测温原理，热电偶在300℃以上热电动势误差误差的测量模型为：

2.灵敏度系数

3.标准不确定度的评定

3.1输入量引入的标准不确定度分量

（1）检定炉温场均匀性带来的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。因检定炉温场不均分布而引入的最大误差不超过20μV，在区间内服从均匀分布，取k=，故：=5.77μV

（2）热电偶自由端所引入的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。由经验和实验可得：因热电偶参考端不为0℃而引入的误差不超过±4.0μV，在区间内服从均匀分布，取k=，故：

（3）数字多用表引入的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。由KEITHLEY2000数字多用表用户手册可知，该表在DC100mV量程的年变化量（极限参数）为：50ppm读数±35ppm量程，即Up=50ppm×41.322mV+35ppm×100mV=5.6μV，Up的置信水平可达99%，所以k=2.576，故

（4）低电势扫描开关引入的不确定度分量

ZRJ-03低电势扫描器寄生电势≤0.4μV（0.01℃，该值为经验值），置信水平较高，可按p=99%，取k=2.576，故

（5）重复测量引入的不确定度分量

用A类标准不确定度评定。以1000℃测量情况为例分析：

在重复性前提下，用选定的标准偶对某II级K型廉金属热电偶重复测量10次，测得被检偶数据为：（41.324、41.320、41.325、41.322、41.323、41.322、41.322、41.324、41.321、41.320）

用贝塞尔公式测量不确定度得：

（6）输入量的合成标准不确定度

3.2 输入量引入的标准不确定度分量

（1）标准热电偶引入的不确定度分量

根据所选二等标准铂铑10-铂热电偶检定证书可知，该热电偶在1000℃点的标准不确定度为2.6μV，故：

3.3 输入量引入的标准不确定度分量

（1）数字多用表引入的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。

由上文可知Up=50ppm×9.58mV+35ppm×100mV=4.0μV，Up的置信水平可达99%，所以k=2.576，故

（2）低电势扫描开关引入的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。ZRJ-03低电势扫描器寄生电势≤0.4μV，置信水平较高，可按p=99%，取k=2.576，故

参考端温度均匀性引入的不确定度分量

用B类标准不确定度评定。由经验和实验可得：热电偶参考端不为0℃带来误差不超过±1μV，在区间内可认为是均匀分布，取k=，故：

重复测量引入的不确定度分量

用A类标准不确定度评定。以1000℃测量情况为例分析：

在重复性前提下，用选定的标准偶对某II级K型廉金属热电偶重复测量10次，测得标准偶数据为：（9.581，9.582，9.582，9.581，9.582，9.581，9.582，9.583，9.582，9.583）mV，

用贝塞尔公式计算测量不确定度得：

（5）输入量的合成标准不确定度

4.合成标准不确定度评定

上述各不确定度分量彼此互不相关，则合成标准不确定度uc为：

5.扩展不确定度评定

取k=2，则扩展不确定度U=13.3×2 =26.6μV（0.68℃）

四、结语

本文依据JJG351-1996《工作用廉金属热电偶》检定规程，分析了影响热电偶检定结果的影响因素，对工作用廉金属热电偶进行不确定度评定。评定结果满足规程要求，为工作用廉金属热电偶检定和不确定度评定提供借鉴。