Неопределенность калибровки термопары методом сличения с образцовой термопарой в печи

Неопределенность калибровки термопары методом сличения с образцовой термопарой в печи

Понятие неопределенности измерения и поверки (калибровки) пока не включена ни в один стандарт по термоэлектрическим термометрам. Методика расчета неопределенности калибровки термопары включена в приложение к международной рекомендации ЕА 4/02 (Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration). Скачать здесь ЕА-4/02.

Приводим перевод приложения S5.

S5 Калибровка термопары типа N при температуре 1000 °С

S5.1 Термопары типа N калибруются путем сличения с двумя эталонными термопарами типа R в горизонтальной печи при температуре 1000 °С. ЭДС, генерируемая термопарами, измеряется с помощью цифрового вольтметра. Опорные спаи всех термопар находятся при температуре 0 °С. Калибруемая термопара подключается к измерительному прибору с помощью компенсационных проводов.

Значения температуры приведены в соответствии со шкалой МТШ-90 (t₉₀).

S5.2 Температура t_X горячего спая калибруемой термопары определяется следующим образом:

    (S5.1)



S5.3 Напряжение V_X, возникающее в термопаре при температуре холодного спая 0 °С во время калибровки определяется:

                                                               (S5.2)



t_S (V) – температура эталонного термометра при температуре холодного спая 0 °С в зависимости от напряжения. Функция указана в свидетельстве о калибровке;

V_iS, V_iX – показания вольтметра;

δV_iS1, δV_iX1 – поправка к значению напряжения, определенная при калибровке вольтметра;

δV_iS2, δV_iX2 – поправка к значению напряжения, обусловленная конечным разрешением вольтметра;

δV_R – поправка к значению напряжения из-за контактных эффектов переключателя полярности;

δt_0S, δt_0X –поправка к значению температуры, возникающая из-за отклонения опорной температуры от 0 °С;

C_S, C_X – чувствительность термопар по напряжению при измеряемой температуре 1000 °С;

C_S0, C_X0 – чувствительность термопар по напряжению при опорной температуре 0 °С;

δt_D – изменение значений эталонных термометров с момента их последней калибровки из-за дрейфа;

δt_F – поправка к значению температуры из-за неоднородности температуры печи;

t – температура, при которой термопара должна быть откалибрована (точка калибровки);

Δt = t - t_X – отклонение температуры точки калибровки от температуры печи;

δV_LX – поправка к значению напряжения, возникающая из-за компенсационных проводов.

S5.4 Результатом калибровки является измеренная ЭДС калибруемой термопары при определенной температуре ее горячего спая.

Так как измерительный процесс складывается из двух этапов – определения температуры печи и ЭДС калибруемой термопары, то определение неопределенности измерения также состоит из двух частей.

S5.5 Эталонные термопары (t_S(V)): Эталонные термопары поставляются вместе со свидетельствами калибровки, в которых указывается зависимость температуры горячего спая при температуре холодного спая 0 °С от напряжения на термоэлектродах. Соответствующая расширенная неопределенность измерения при 1000 °С составляет U = 0,3 K (коэффициент охвата k = 2).

S5.6 Калибровка вольтметра (dV_iS1, dV_iX1): Вольтметр был откалиброван. Соответствующие поправки к значениям напряжения были введены для всех результатов измерений. В свидетельстве калибровки приведено постоянное значение расширенной неопределенности измерения при напряжениях менее 50 мВ, составляющее U = 2,0 мВ (коэффициент охвата k =2).

S5.7 Разрешение вольтметра (dV_iS2, dV_iX2): 4.-разрядный цифровой микровольтметр использовался в 10 мВ-диапазоне, что привело к пределу разрешения для каждого показания ± 0,5 мкВ.

S5.8 Паразитные напряжения (dV_R): Остаточные паразитные напряжения, обусловленные контактными напряжениями в переключателе, равны нулю с границами отклонений ± 2 мкВ.

S5.9 Опорная температура (d t_0S, dt_0X): температура опорной точки каждой термопары составляет 0 °С с максимальным отклонением ± 0,1 K.

S5.10 Чувствительность по напряжению (C_S, C_X, C_S0, C_X0): Чувствительность по напряжению термопар была выбрана из справочной таблицы:

S5.11 Дрейф эталонного термометра (dt_D): При предыдущих калибровках дрейф эталонного термометра был оценен значением "ноль" внутри интервала ± 0,3 K.

S5.12 Температурная неоднородность (dt_F): Измерялся температурный градиент в печи. При 1000 °С отклонения от равномерного распределения температуры в области измерений лежат в пределах ± 1 K.

S5.13 Компенсационные соединения (dV_LX): Компенсационные провода были исследованы в диапазоне от 0 °С до 40 °С. При этом, разница напряжения между проводами и термоэлектродами термопары была получена равной ± 5 мкВ.

S5.14 Наблюдения (V_iS, t_S(V_iS), V_iX): Показания вольтметра регистрировались согласно следующему измерительному циклу, который позволил получить для каждой термопары четыре измерения, уменьшить эффекты температурного дрейфа в источнике нагрева и эффекты паразитных термо эдс:

1-ый цикл:

1-ая эталонная термопара, калибруемая термопара, 2-ая эталонная термопара,

2-ая эталонная термопара, калибруемая термопара, 1-ая эталонная термопара.

Изменение полярности

2-ой цикл:

1-ая эталонная термопара, калибруемая термопара, 2-ая эталонная термопара,

2-ая эталонная термопара, калибруемая термопара, 1-ая эталонная термопара.

S5.15 Этот способ пригоден только тогда, когда наблюдаемая разность температур между обеими эталонными термопарами не превышает ± 0,3 °С. Иначе необходимо повторить наблюдения и/или исследовать причины такой большой разницы температур.

S5.16 Для четырех показаний, снятых для каждой термопары и представленных в вышеприведенной таблице, определялось среднее значение напряжения для каждой термопары. Средние значения напряжений эталонных термопар пересчитывались в значения температуры с помощью указанных в их свидетельствах калибровки зависимостей температура-напряжение. Наблюдаемые значения температуры сильно коррелированны (коэффициент корреляции почти единица). Таким образом, вычисление их среднего значения дает одно наблюдение, которое и представляет собой температуру печи в месте размещения калибруемой термопары. Аналогичным образом определяется наблюдаемое значение напряжения калибруемой термопары.

Для того, чтобы оценить неопределенность измерения, связанную с этими наблюдениями, предварительно была проведена серия из десяти измерений при той же рабочей температуре. Она позволила определить общую оценку стандартного отклонения результатов изменения температуры печи и напряжения калибруемой термопары.

Соответствующие стандартные неопределенности измерений измеряемых величин следующие:

Значение суммарной оценки стандартного отклонения s_p(t_S)=0,10°C

Стандартная неопределенность измерения: u(t_S) = s_p(t_S)/√1= 0,10°C

Значение суммарной оценки стандартного отклонения: s_p(V_iX)=1,6мкВ

Стандартная неопределенность измерения: u(V_iX)= s_p(V_iX)/√1= 1,6мкВ

S5.17 Бюджет неопределенности (температура печи t_X):

S5.18 Бюджет неопределенности (ЭДС V_X калибруемой термопары):

Стандартная неопределенность измерения, связанная с отклонением температуры калибровочной точки от температуры печи, равна стандартной неопределенности измерения температуры печи, так как калибровочная точка имеет определенное (точно известное) значение.

S5.19 Расширенная неопределенность

Расширенная неопределенность измерения температуры печи определяется как:



Расширенная неопределенность значения ЭДС калибруемой термопары, составляет:



S5.20 Окончательный результата измерения:

ЭДС термопары типа N при температуре 1000,0 °С, и температуре холодного спая 0 °С составляет 36230 мкВ ± 50 мкВ. Указанная расширенная неопределенность получена умножением стандартной неопределенности измерений на коэффициент охвата k = 2, который для нормального распределения соответствует вероятности охвата приблизительно 95%.