熱工儀表檢定裝置建標方法及不確定度探討

金卓飛，施可登

（浙江省火電建設公司，杭州 310016）

隨著電力建設的飛速發展，發電廠熱工檢測對計量標準裝置有了更高的要求。熱工二次儀表計量綜合檢定裝置可以開展溫度指示調節儀、溫度巡回檢測儀、數據采集系統、溫度變送器、信號隔離處理器等多種熱工二次儀表檢定，為保證計量的準確性，有必要對熱工二次儀表計量綜合檢定裝置進行不確定度分析和建標方法的探討。

1 建立計量標準的主要工作

為了取到計量測量檢定資質，整套綜合檢定裝置籌建完成后，必須向上一級計量行政部門申請計量考核，考評合格并獲得有效證書，才能成為計量標準裝置。建標程序主要包括以下7個方面：

（1）科學合理配置計量標準器及配套設備。

（2）計量標準器及主要配套設備進行有效溯源，并取得有效檢定或校準證書。本裝置對3種信號輸入參數作測量不確定度的分析評定，以確定不同信號產生的測量不確定度。

（3）計量標準試運行期間的穩定性考察。計量標準保持其計量特性隨時間恒定的能力。整套裝置試運行期間，在遞交申請報告之前6個月內，在均勻的時間間隔內做5次以上的校驗工作，必須使用同一主標準器，并且針對同一被校儀表用同種方式校驗，其目的是為了衡量主標準器的穩定性能良好與否。

（4）計量標準試運行期間的測量重復性考察。在相同測量條件下，重復測量同一被測量，計量標準提供相近示值的能力。通常用測量結果的分散性來定量地表示，即用單次測量結果的實驗標準差來表示。

（5）申請資料準備完善。《計量標準考核申請書》及《計量標準技術報告》等申請資料撰寫完整，數據確鑿。

（6）環境條件及設施應當滿足開展檢定的要求，并按要求對環境條件進行有效監督和控制。

（7）建立標準裝置文件檔案，檢定人員須持有效證件。

2 熱工二次儀表檢定裝置配置的選擇

在實驗室檢定熱力系統二次儀表，檢定時所需的標準儀器可根據被檢儀器的準確度、型號規格進行選擇并組合成套，沒有必要選擇高準確度的標準儀表，應選擇性價比最高的配置。原則上，成套后的標準器檢定時引入的擴展不確定度U95（置信概率為95%）應不超過被檢儀器最大允許誤差絕對值的1/4。

二次儀表型號種類繁多、檢定范圍廣，每次檢定時需進行不確定度計算來驗證所選的標準器是否符合要求，計算復雜煩瑣。為此將熱工二次儀表按其輸入信號類別進行系統歸類，綜合為熱電偶、熱電阻、電流3種輸入信號的顯示儀表，由標準器輸出相應高準確度的熱電勢、標準電阻、電流信號，與以熱電偶、熱電阻、弱電流為輸入信號的二次顯示儀表比對,標準器最好選擇熱電阻或熱電偶多功能校準器，如FLUKE744或FLUKE743B等,根據實際情況，選擇性價比最高的配置，不同主標準器的不確定度評定都是采用B類標準，僅是擴展不確定度數值不同而已。建成后的標準裝置可以開展0.5級及以下熱工二次儀表的檢定。

3 熱工測量儀表的不確定度

過去測量的質量曾用誤差表示，測量完成后需要做誤差分析。但現在按國際標準規定，測量的質量要用不確定度表示，測量完成后，應作不確定度評定。測量不確定度是通過測量過程的分析和評定得出的一個區間，在實際工作中用不確定度評定測量的質量才有意義。

在檢定結果的測量不確定度中，由計量標準所引入的不確定度分量，它包括計量標準器及配套設備所引入的不確定度分量。測量不確定度評定方法分為A類和B類，互相之間不存在任何聯系，但并無本質上的區別，基于概率分布并都用方差或標準差s定量表示。區別在于A類標準不確定度分量的估計方差u（xi）是由一系列重復觀測值計算得到；而B類標準不確定度分量的估計方差u（xi）是根據有關信息來評定，通過一個假定的概率密度函數得到，即主觀概率或先驗概率。估計值（xi）可以來源于制造部門的說明書、完善的證書或其他資料。其中還明確給出了其擴展不確定度 U（x）是標準差 s（x）的 k 倍， 指明了包含因子k的大小，則標準不確定度可以取U（x）/k。本次分析評定對誤差主要來源u（xi）定義為：主標準器引入的標準不確定度u（x1）。采用B類標準不確定度評定方法，對由被檢儀表測量重復性Δ1引入的標準不確定度u（x2）評定，采用A類評定法，其合成不確定度為：

置信概率取95%，則可近似認為 k95≈2，擴展不確定度分析評定為：

這是A類和B類相結合的綜合評定方法，吸取了各自的優點，有利于實際操作的便利。

在此分析中采用的被檢定儀器有模擬式指示調節儀和數字式指示儀表。不同分辨力的數字式指示儀表具有不同的測量重復性。檢定時在實驗室環境進行，溫度濕度及磁場影響均應符合要求。

4 配熱電偶的溫度指示儀表不確定度評定

4.1 數學模型和輸入量標準不確定度

式中：ΔT為被檢儀表檢定點的溫度誤差；T為被檢儀表檢定點的溫度值；TC為輸入量；Δ1為測量重復性分量。

輸入量TC引入的標準不確定度u（x1）的評定∶u（x1）的主要來源是準確度為0.05級的直流電位差計UJ33a帶來的誤差，可以采用B類評定法。主標準器由上級檢定出具的檢定證書可知UJ33a的準確度為0.05級量程，FS為1000℃，允許誤差：

1.732被檢儀表檢定點測量重復性分量Δ1引入的標準不確定度 u（x2）的評定：u（x2） 的主要來源是被檢儀表檢定點的測量重復性，可以通過連續測量得到測量值序列，采用A類評定法。

選擇穩定的被測對象：1.0級配鎳鉻—鎳硅熱電偶輸入信號的XMT-101數字顯示式儀表。選擇常用點400℃為檢定點，在規定的條件下重復性測量10次，得到測量值見表1。

表1 XMT-101數字顯示式儀表在400℃檢定點時的測量值

其中：n為測量次數，n＝10。

單次測量標準差：

則得到標準不確定度u（x2）＝0.79℃。

4.2 合成標準及擴展不確定度

表2 XMT-101數字顯示式儀表不確定度匯總表

根據式（1），合成不確定度u＝0.84℃。根據式（2）， 擴展不確定度 U95＝1.69℃。

5 配熱電阻的溫度指示儀表不確定度評定

5.1 數學模型和輸入量標準不確定度

數學模型如式（3）所示。輸入量T的標準不確定度 u（x1）的評定∶u（x1）的主要來源是準確度為0.02級的標準電阻箱ZX25a帶來的誤差，采用B類評定法。由主標準器上級檢定出具的檢定證書可知ZX25a的準確度為0.02級，FS為600℃，根據式（4）允許誤差a＝0.12℃，呈均勻分布，根據式（5）標準不確定度分量 u（x1）＝0.069℃。

被檢儀表檢定點的測量重復性Δ1引入的不確定度 u（x2）的評定： u（x2）的主要來源是被檢儀表檢定點的測量重復性，可以通過連續測量得到測量值序列，采用A類評定法。

選擇穩定的被測對象：XMT-102型，Pt100鉑熱電阻為輸入信號儀表的常用點200℃處作重復性測試，根據式（6）和（7），可得到標準不確定度u（x2）＝0.52℃。

5.2 合成標準及擴展不確定度

靈敏系數：c1＝1，標準不確定度匯總見表3。

表3 熱電阻溫度指示儀不確定度匯總表

根據式（1），合成不確定度為u＝0.53℃。根據式（2）， 擴展不確定度 U95＝1.05℃。

6 配電流信號的溫度指示儀表不確定度評定

6.1 數學模型和輸入量標準不確定度

數學模式如式（3）所示。輸入量T引入的標準不確定度 u（x1）的評定： u（x1）的主要來源是由主標準器多功能數字萬用表34401A帶來的誤差，采用B類評定法。主標準器送上級檢定機關檢定后，出具檢定合格證書，由此可查它的擴展不確定度U＝26E-6。

被檢儀表檢定點測量重復性Δ1引入的標準不確定度 u（x2）的評定： u（x2） 的主要來源是被檢儀表檢定點的測量重復性，可以通過連續測量得到測量值序列，采用A類評定法。

選擇穩定的被測對象：DXZ-110型，1.5級,測量范圍0～10 MPa儀表的常用點 5 MPa處進行重復性測試，根據式（6）和（7），得到標準不確定度 u（x2）＝0.008 5mA。

6.2 合成標準擴展不確定度

靈敏系數：c1＝1。標準不確定度匯總見表4。根據式（1），合成不確定度 u＝8.5×10-3mA。根據式（2）， 擴展不確定度 U95＝0.017 mA。

表5 熱電偶溫度指示儀檢定點為600℃時的測量表

表4 電流信號溫度指示儀不確定度匯總表

7 計量標準的測量重復性考核

計量標準的測量重復性考核是指選擇穩定被測對象，在一定時間內、同一環境溫度下，對相同檢定點按檢定規程作10次上下行程校驗，計算計量裝置的標準偏差，其值要求小于本裝置的合成不確定度。本裝置要對各種信號參數均作此校驗。

7.1 配熱電偶的溫度指示儀表

用直流電位差計UJ33a作為標準器，輸出溫度值。選1個穩定被測對象：XMT-101數顯式儀表，配鎳鉻-鎳硅熱電偶，即K分度信號作為儀表的輸入信號，以其常用工作點600℃為檢定點，用升溫的方法進行10次獨立重復測量，每次檢定須降溫，再升溫至檢定點（見表5）。

記錄數據，按公式（6）和（7）計算裝置的標準偏差∶Si＝0.74℃。小于本裝置的合成不確定度：1.69℃，重復性驗證合格。

7.2 配熱電阻的溫度指示儀表

用直流電阻箱ZX25a作為標準器，輸出溫度值。選擇穩定的被測對象：XMT-102型，Pt100鉑熱電阻作為儀表的輸入信號，以常用工作點200℃為檢定點，用升溫的方法檢10次，每次檢定須降溫至檢定點之下，然后再升溫至檢定點，做上行程校驗。

經同樣方法計算本裝置的標準偏差Si＝0.48℃。小于本裝置的合成不確定度：1.05℃，重復性驗證合格。

7.3 配電流信號的溫度指示儀表

用信號發生器，經6位半多用表輸出標準毫安信號，被校驗儀表型號：DXZ-110型，1.5級，測量范圍0～10 MPa，在儀表的常用測點5 MPa處進行重復性測試，相對應12 mA為檢定點，用升壓的方法檢10次，每次檢定須降壓，再升壓至檢定點。經同樣方法計算本裝置的標準偏差Si＝0.005 3 mA。小于本裝置的合成不確定度：0.017 mA，重復性驗證合格。

8 結語

依據《計量標準考核方法》的有關規定向主管部門提出考核申請，并按要求遞交相關申請資料，經過資料審核、現場考評，順利通過了對熱工二次儀表綜合檢定裝置的考核，取得了有效資質證書。新標準裝置可以開展0.5級及以下數字溫度指示調節儀、工業過程測量記錄儀、溫度指示控制儀、溫度巡回檢測儀、帶位式控制自動平衡式顯示儀表、模擬式溫度指示調節儀等多種熱工二次儀表，拓展了工作范圍，滿足了對新建火電廠熱工測量儀表的檢定要求。

[1]上海市計量測試技術研究院.常用測量不確定度評定方法及應用實例[S].北京：中國計量出版社，2001.

[2]JJF 1033-2008計量標準考核規范[S].

[3]JJF 1059-1999測量不確定度評定與表示[S].

[4]JJG 74-2005工業過程測量記錄儀檢定規程[S].

[5]JJG 874-94溫度指示控制儀檢定規程[S].