DTS温度扫描阀校准方法及测量不确定度分析

赵琪 王舜禹 蔡珏

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110001

引言

随着计量技术的飞速发展，温度扫描阀在一些试验现场得到了广泛应用。温度扫描阀可实现多通道热电偶信号的采集，其准确程度影响试验结果，因此对温度扫描阀进行科学有效的校准十分重要。

1 DTS温度扫描阀的原理和技术特性

DTS系列热电偶采集系统代表了新一代热电偶温度智能扫描仪。这种数字式热电偶扫描仪包含16、32或64组热电偶输入，一种典型的32通道温度扫描阀见图1，温度扫描阀的工作原理见图2。

图1 32通道温度扫描阀

图2 温度扫描阀原理框图

2 DTS温度扫描阀的校准方法

2.1 校准方法

校准DTS温度扫描阀需要的设备包括：（-10～131）mV范围内准确度不低于±1.5μV的多功能标准源，为扫描阀的校准提供标准电压值[1]；（0～30）V的直流稳压电源，为扫描阀供电；Windows XP或以上版本操作系统的计算机，用于安装温度扫描阀校准软件、执行校准过程、保存校准数据；网线，用于计算机与温度扫描阀之间的通信。

在校准前要进行以下准备工作：拆下温度扫描阀外壳并插上专用连接套件、插上电源线预热3h以上、插上网线并保证扫描阀与计算机能够正常连接、打开多功能标准源，预热30min以上[2]。

2.2 校准过程

温度扫描阀的校准包括RTD和T/C两部分，根据温度扫描阀校准软件Tempcal的规定流程执行校准过程，校准过程按顺序为：开始校准过程、设置、A/D测试、清除偏置量、A/D初始化、热电阻校准前比对、热电阻校准、热电阻校准后验证、热电偶校准前比对、热电偶校准、热电偶校准后验证、生成比对报告、生成验证报告、替换原始设置、将校准结果保存到扫描阀、结束校准过程[3]。

3 不确定度分析

3.1 数学模型

3.2 不确定度来源

3.2.1 输入量 的标准不确定度的主要来源为温度扫描阀校准软件显示值的测量重复性和分辨力。

3.2.2 输入量 的标准不确定度的主要来源为多功能标准源的输出误差。

3.3 标准不确定度评定

3.3.1 输入量 的标准不确定度 的计算。

3.3.1.1 测量重复性引入的不确定度 。输入量 的标准不确定度的主要来源为仪表指示值的测量重复性，用A类方法进行评定。对被校温度扫描阀在6mV点进行n=10次等精度测量，得到测量列 为：6.000mV、6.000mV、5.999mV、6.000mV、5.999mV、5.999mV、6.000mV、5.999mV、6.000mV、6.000mV。

此测量列的平均值为：

则单次实验标准偏差为：

则：

3.3.1.2 仪表分辨力引入的不确定度 。 可以采用B类方法进行评定。温度扫描阀校准软件显示的测量结果分辨力为0.001mV，由分辨力引入的示值误差区间半宽为显示分辨力值的1/2，其分布为矩形分布，取，则：

测量重复性引入的标准不确定度分量 大于仪表分辨力引入的标准不确定度分量 ，因此 直接取 的值，则：

3.3.2 输入量 的标准不确定度 的评定。输入量 的标准不确定度 主要来自于多功能标准源的输出误差。 采用B类方法进行评定，按矩形分布考虑，取 。

根据温度扫描阀使用手册中对标准源技术指标的要求，实验室现有的满足该要求的只有FLUKE 5700A。5700A 输出直流电压功能在0～220mV量程下的最大允许误差为±（8ppm输出+0.6μV），计算得5700A输出6mV时最大允许误差为Δ=±0.648μV，则以电量值表示的5700A输出误差导致的标准不确定度为：

3.4 合成标准不确定度

对测量模型中的各个分量求偏导，得到各个输入量的灵敏系数分别为：

根据软件生成的数据中温度与电压的转换计算得出各偶型的 ，见表2。

表2 各偶型转换系数

以K型热电偶为例，温度扫描阀在6mV校准点的标准不确 定度分量汇总见表3。

表3 标准不确定度汇总

以上各分量中， 与校准点有关，不同校准点下的 值见表4。

表4 不同校准点下的 值

以上各项不确定度来源独立不相关，则合成不确定度可按式（1）计算：

计算得不同温度点下的 ，见表5。

表5 K型热电偶测量结果的合成标准不确定度

其他偶型测量结果的不确定度计算方法与K型热电偶一致，不再赘述。

3.5 扩展不确定度

扩展不确定度根据 计算，取k=2，可得各温度点下的扩展不确定度见表6。

表6 扩展不确定度汇总

温度扫描阀的出厂技术指标见表1。从上述测量不确定度评定结果可以看出，校准结果的扩展不确定度（k=2）小于被校温度扫描阀各偶型下最大允许误差的1/4，符合GJB 2749A-2009《军事计量测量标准建立与保持通用要求》。

表1 温度扫描阀出厂技术指标

4 结束语

本文介绍了DTS系列温度扫描阀的工作原理和技术特性，重点阐述了DTS系列温度扫描阀的校准方法及测量结果的不确定度评定分析过程，并验证了不确定度评定结果的合理性。由于温度扫描阀被广泛应用于试验现场，有效的不确定度评定可以保证其量值溯源的准确可靠。