工作用貴金屬熱電偶作為比對傳遞標準的不確定度評定示例

高 麗

（山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院），山西 太原 030032）

1 引言

工作用貴金屬熱電偶作為一種無源傳感器，使用十分方便，所以常被用作測量爐子、管道內的溫度及固體的表面溫度，在冶金、機械、化工等領域的溫度控制中一直發揮著重要的作用，其中鉑銠10-鉑熱電偶因其準確度高、穩定性好、測溫溫區寬、響應時間短、使用壽命長等優點，在工業生產中的應用最為廣泛。山西省的地（市）級法定計量檢定機構及冶金、煤化工、電力等行業的部分企業已建立了一等鉑銠10-鉑熱電偶標準裝置社會公用計量標準和企業計量標準，開展工作用貴金屬熱電偶（S 型、R 型）的檢定工作，不同實驗室的檢定結果可能存在一定差異。

根據《關于組織實施2022 年省級計量比對項目的通知》（晉市監函[2022]209 號）的要求，2022年組織山西省內法定計量技術機構及授權機構開展“工作用貴金屬熱電偶量值比對”活動。山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院）計量科學研究所擔任主導實驗室，參加本次比對的實驗室為山西省范圍內已取得相關社會公用計量標準證書的市級法定計量技術機構和建立企業計量標準可開展相關檢定項目的計量技術機構。通過本次比對工作，檢驗了各參比實驗室對工作用貴金屬熱電偶的測量能力，確保各參比實驗室的測量方法的一致性、裝備和人員能力的可靠性，帶動了各實驗室之間的技術交流，促進了本省溫度計量專業水平的提高，確保貴金屬熱電偶量值傳遞的準確可靠 。

為了保證比對的順利進行，本次比對選用了性能穩定的一等標準鉑銠10-鉑熱電偶代替工作用貴金屬熱電偶作為傳遞標準。考慮傳遞標準的穩定性、數據的可靠性及傳遞過程中可能出現的不可控因素，本次比對選取兩支一等標準鉑銠10-鉑熱電偶作為比對傳遞標準同時進行傳遞，采用花瓣式傳遞路線，由主導實驗室進行第一次測量后發出樣品，參比實驗室依次傳遞給下一個實驗室，樣品在各實驗室傳遞中期會返回一次主導實驗室，進行期間穩定性核查后再次發出樣品，繼續進行比對標準的傳遞，最后傳遞標準返回主導實驗室后，由主導實驗室再次進行傳遞標準的穩定性核查和固定點熱電勢值的測量，比較傳遞標準在傳遞前后以及中期的量值變化，若其變化量符合比對穩定性的要求，則確認本次比對傳遞有效。在整個比對中，除主導實驗室在比對準備階段對傳遞標準進行清洗、退火以外，任何參比實驗室在比對進行過程中不可對傳遞標準進行清洗和退火。為了提高工作用貴金屬熱電偶量值比對的有效性和準確性，文章為主導實驗室提供了一種對傳遞樣品進行不確定度評定的思路。

2 概述

（1）測量依據：JJG 141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規程。

（2）環境條件：溫度15～35 ℃；相對濕度＜85%。

（3）測量標準：標準鉑銠10-鉑熱電偶工作基準、2010 數字多用表、低電勢掃描儀、臥式熱電偶檢定爐。

（4）被測對象：一等標準鉑銠10-鉑熱電偶。

（5）測量過程：按照規程要求進行捆扎和裝爐，由低溫向高溫逐點在419.527 ℃（鋅凝固點）、660.323 ℃（鋁凝固點）、1 084.62 ℃（銅凝固點）進行測量，測量方法為雙極比較法（同名極法、微差法因線路連接方法不同，不適用于本文中的分析）。

（6）文章不確定度評定結果的使用：若標準器、配套設備、被測對象與上述條件一致，則該情況下得到的測量結果，一般可直接使用本文的不確定度分析過程和評定結果。

3 數學模型和不確定度傳播率

3.1 數學模型

本次比對用雙極比較法進行熱電偶的分度，被測熱電偶在各測量點上的熱電勢為E被。

式中：E標證——標準熱電偶（標準鉑銠10-鉑熱電偶工作基準）有效溯源證書中固定點的熱電勢，mV；Δe——比對實驗中測得的被檢熱電偶（一等鉑銠10-鉑熱電偶）和標準熱電偶的熱電動勢平均值的差值，比對實驗中測得的被檢熱電偶的熱電勢平均值，比對實驗中測得的標準熱電偶的熱電勢平均值，mV。

3.2 不確定度傳播率

E標證和Δe互不相關，靈敏系數：

4 標準不確定度分量的分析

4.1 標準熱電偶 E標證的標準不確定度u(E標證)

4.1.1 標準熱電偶量值溯源引入的標準不確定度分量u1(E標證)

根據量值傳遞，標準鉑銠10-鉑熱電偶工作基準分度值的擴展不確定度U=0.℃3，k=2.5 8，可得則

鋅點：u1(E標證)=0.105℃·S鋅=1.0 1μV

鋁點：u1(E標證)=0.105℃·S鋁=1.0 9μV

銅點：u1(E標證)=0.105℃·S銅=1.24μV

式中，S為微分熱電動勢值，S鋅=9.64μV/℃，S鋁=1 0.4 0μV/℃，S銅=1 1.8 0μV/℃。

4.1.2 標準熱電偶年穩定性引入的標準不確定度分量u2(E標證)

根據標準器證書的檢定結果：鋅點年穩定性最大為0.2 μV ，鋁點年穩定性最大為0.3 μV，銅點年穩定性最大為0.7 μV。按均勻分布考慮，取則

鋅點：u2(E標證)=0.2μV/3=0.1 2μV

鋁點：u2(E標證)=0.3μV/3=0.1 7μV

銅點：u2(E標證)=0.7μV/3=0.4 0μV

u1(E標證)和u2(E標證)彼此獨立不相關，則

?

4.2 被檢熱電偶和標準熱電偶的熱電動勢平均值的差值 (Δ e的標準不確定度 u (Δ e)

4.2.1 測量重復性的影響量u1( Δe)

在每個測量點，共得到四組數據，每組4 次重復測量，根據極差法計算可得到si(i=1,2,3,4)，合并樣本標準偏差可得。最終測量結果實際是取4次測量結果的平均值，則計算結果如下：

?

4.2.2 數字多用表測量誤差引入的標準不確定度分量u2(Δe)

測量時使用KEITHLEY2010 數字多用表，其基本誤差計算公式為±（0.003 7%red+0.000 9%FS）mV，按均勻分布處理，經計算得：

4.2.3 檢定爐溫場均勻性引入的標準不確定度分量u3( Δe)

該標準不確定度分量是由檢定爐溫場不均勻，標準熱電偶與被檢熱電偶工作端接觸差異引起的。由經驗可得：標準熱電偶和被檢熱電偶測量端之間的溫差不超過±0.1 ℃。用B 類方法進行評定，估算區間半寬為0.1 ℃，按均勻分布處理，則u3(Δe)0.058℃，得到：

?

4.2.4 測量回路寄生電勢引入的標準不確定度分量u4(Δe)

由經驗可知，轉換開關寄生電勢不大于0.4 μV。用B 類方法進行評定，區間半寬為0.4 μV，按均勻分布處理，則

4.2.5 熱電偶參考端溫差引入的標準不確定度分量u5( Δe)

由經驗可知：在同一冰點恒溫器內，熱電偶各參考端溫差不超過±0.05 ℃。采用B 類方法進行評定，取區間半寬為0.05 ℃，鉑銠10-鉑熱電偶在冰點的微分熱電勢為5.40 μV/℃，溫差換算熱電勢為0.27μV，按均勻分布處理，則

4.2.6 爐溫波動引入的標準不確定度分量u6(Δe)

該標準不確定度分量是由爐溫變化引起的，測量時爐溫可控制在0.1 ℃/min，每次讀數時間小于1 min，爐溫變化差不超過0.1 ℃，用B 類方法進行評定，區間半寬為0.05 ℃，按反正弦分布處理，得

?

以上各項彼此獨立不相關，則

?

5 標準不確定度的合成

5.1 不同溫度測量點標準不確定度的匯總

?

5.2 合成標準不確定度

?

6 擴展不確定度

取包含因子k=2，則U=uc×2，工作用貴金屬熱電偶測量結果的擴展不確定度見下表：

?

換算成溫度值為：

?

7 結果分析

使用性能更穩定的一等鉑銠10-鉑熱電偶代替工作用貴金屬熱電偶作為量值比對的傳遞標準，可降低傳遞過程中帶來的穩定性偏離過大、重復性偏大等風險，使得比對可以更有序順利地進行，本文采用的方法是科學合理的。在進行計量比對時可采用合并樣本標準偏差來評定重復性引入的不確定度分量，以提高可靠性，并建議在計量比對中采用高一等級的標準計量器具作為傳遞標準。