温度测量装置系统误差的分析与处理

温度测量装置系统误差的分析与处理

1温度测量装置系统误差原理标准装置由高密度计、标准装置和干井炉组成。将温度测量装置中的温度传感器放入干井炉中,由干井炉提供一个恒定的温度场,同时将标准器也放入干井炉中,待温度稳定后,通过对高精密测量仪表和温度控制仪表的读数对比,计算出温度测量装置的系统误差,其原理框图如图1。2标准设备以下以本实验室所配置的校准设备为例进行介绍:2.1井式低温校准炉流量计由工业过程校准器、二等标准铂电阻和干井式低温校准炉温度计组成。可实现采用铂电阻、铜电阻、热敏电阻等型号电阻为一次传感元件的温度测量装置的系统检测。2.2带单独电导炉的高温校准炉由工业过程校准器、一等标准铂铑10-铂热电偶和高温校准炉组成。可实现采用K、E、N、B、S等多种型号热电偶为一次传感元件的温度测量装置的系统检测。3标准方法3.1热电阻的校准校准点的选择通常根据所采用的温度传感器而定,当温度测量装置使用温度传感器为铂、铜热电阻时,通常选取0℃、100℃两个校准点;当温度测量装置使用温度传感器为热电偶时,通常按照温度范围,选取不超过4个校准点。由于企业在实际生产过程中,所选用的温度点通常是固定的,故也可根据客户实际使用要求选择校准点。3.2温度检测仪器将清洁后的温度传感器和标准器放入校验炉内,并使用保温棉塞住炉口,连接高精密温度测量仪。温度恒定后,读取高精密温度测量仪和温度控制仪表的温度显示值ts和td。重复测量6次,取平均值,计算得出温度测量装置的系统误差。3.3系统误差分析按式(1)计算:Δt=¯td-¯ts(1)Δt=td¯¯¯−ts¯¯¯(1)式中:Δt—温度测量装置的系统误差;¯tdtd¯¯¯—温度测量装置中温度控制仪表的示值平均值;¯tsts¯¯¯—工业过程校准器的示值平均值。4例子4.1标准器、标准机的组成被测对象:温度测量装置,温度范围(0～1000)℃。由热电偶(分度号K,等级Ⅱ)、数字显示仪(型号SR97,准确度等级0.5级)、补偿导线(型号:KX)组成。校准设备:(1)标准器:标准热电偶,型号:S型,准确度等级:一等。(2)配套设备:工业过程校准器,型号:741B,准确度等级:±0.9℃(S型时)高温校验炉,型号:9150,炉温均匀性:±1.0℃。4.2标准点400℃、600℃、800℃、1000℃4.3温度显示值的计算将K型热电偶和S型热电偶同时放入高温校验炉,分别设定高温校验炉的温度为400℃、600℃、800℃、1000℃,待温度稳定后,分别读取温度控制仪表和工业过程校准器的温度显示值,重复读取6次,按式(1)计算温度测量装置的系统误差,表1以400℃为例计算具体结果。其中:工业过程校准器示值平均值:¯ts=402.1℃ts¯¯¯=402.1℃,温度控制仪表显示值平均值:¯td=405.0℃td¯¯¯=405.0℃则:温度测量装置的系统误差:Δt=¯td-¯ts=2.9℃Δt=td¯¯¯−ts¯¯¯=2.9℃5测量的不确定度评估评定对象:如4实例中描述,以下对温度校准点400℃为例评定。5.1数学模型Δt=¯td-¯tsΔt=td¯¯¯−ts¯¯¯5.2不确定度的计算测量重复性引入的不确定度;工业过程校准器测量误差引入的不确定度;标准热电偶引入的标准不确定度;高温校验炉的不均匀性引入的不确定度;数字显示仪的分辨力引入的不确定度等。5.3不确定的标准评估(1)td1.1仪表分辨力①u(td1)由温度显示仪的测量重复性引入,采用A类方法进行评定。在400℃时,连续读取温度显示仪的示值6次,测得数据如表1,测量结果按平均值的实验标准偏差公式计算:u(td1)=s/√n=√6∑i=1(tdi-¯td)2√n(n-1)=0.058℃u(td1)=s/n√=∑i=16(tdi−td¯¯¯)2ue001⎷ue000ue000n(n−1)√=0.058℃②u(td2)由仪表分辨力引入,温度控制仪表的分辨力为0.1℃,半宽度为0.05℃。符合均匀分布,取k=√3k=3√,则:u(td2)=0.05/√3=0.029℃u(td2)=0.05/3√=0.029℃③u(td3)由高温校验炉中径向温场的不均匀性引入,根据校准炉技术指标,轴向不均匀性最大不超过1.0℃,符合均匀分布,取k=√3k=3√,则:u(td3)=1.0/√3=0.577℃u(td3)=1.0/3√=0.577℃④输入量td的标准不确定度u(td)的合成u(td)=√u(td1)2+u(td2)2+u(td3)2=0.581℃u(td)=u(td1)2+u(td2)2+u(td3)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√=0.581℃(2)utd的测量不一,uts多,utd多,5.2.3①u(ts1)由一等标准热电偶的标准不确定度引入,由检定证书知:一等标准热电偶在铜点的扩展不确定度为7.08μV(k=2.58),则:u(ts1)=7.08/2.58=2.74μV折算为温度:u(ts1)=2.74/11.8=0.232℃②u(ts2)由工业过程校准器的测量误差引入,根据使用说明书,在对S型热电偶测量时,其测量不准确度为0.9℃,符合均匀分布,取k=√3,则:u(ts2)=0.9/√3=0.52℃③u(ts3)由冷端温度修正引入,当使用工业校准器上内部自动冷端补偿时,补偿误差≤0.2℃,符合均匀分布,取k=√3,则:u(ts3)=0.2/√3=0.115℃④输入量ts的标准不确定度u(ts)的合成u(td)=√u(ts1)2+u(ts2)2+u(ts3)2=0.581℃5.4合成标准的不确定度因为上述各分量的不确定度彼此独立不相关,故合成标准不确定度为:uc=√(c1u(td))2+(c2u(ts))2=0.82℃5.5扩展不确定度的评估取置信概率p=95%,k=2,则扩展不确定度为:U=k·uc=2×0.82=1.6℃6与传统的测试方法相比6.1传统的测量方法(1)555555.555.5555.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.555555555555555555555555555555555.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.55.数字显示仪表:最大允许误差Δ1=±(1200-0)×0.5%=±6℃热电偶:最大允许误差为Δ2=±7.5℃(在400℃为±3℃)补偿导线(根据等级划分):A级:最大允许误差Δ3=±1.5℃B级:最大允许误差Δ4=±2.5℃(2)合格判定按单个部件进行检定时,各部件的误差只要在最大允差范围都可视为合格。按照误差的两个极限方向计算,该温度测量装置在400℃的误差范围为(-11.5～+11.5)℃,而满程的误差范围可达(-16.0～+16.0)℃。6.2温度计的系统校正(1)数据分析由实例中,可直接得到整套温度测量装置在400℃时的系统误差为2.9℃,测量结果的扩展不确定度为U=1.6℃(k=2)。(2)在线测量,方便处理①系统误差的测量结果直观,可用于系统的直接修正。②误差量来源清楚丰富,不作为检定项目的热电