熱工儀表校驗(yàn)儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的測(cè)量方法及計(jì)算的綜合分析

于 晶

（遼寧省電力有限公司大連供電公司變電檢修室試驗(yàn)專業(yè)）

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熱工儀表校驗(yàn)儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的測(cè)量方法及計(jì)算的綜合分析

于 晶

（遼寧省電力有限公司大連供電公司變電檢修室試驗(yàn)專業(yè)）

摘要：熱工儀表校驗(yàn)儀是一種具備多種功能的量程儀表，這種儀器測(cè)量校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度的評(píng)定主要是依靠功能分別進(jìn)行分析，本文用熱工儀表校驗(yàn)儀測(cè)量功能的5V示值誤差作為一個(gè)實(shí)例進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析測(cè)量結(jié)果的不確定度。

關(guān)鍵詞：熱工儀表校驗(yàn)儀；功能5V示值誤差；測(cè)量結(jié)果；不確定度

0 引言

熱工儀表校驗(yàn)儀是一種量程儀表，具有多種功能，在工程建設(shè)上具有重要作用，下面簡(jiǎn)單介紹這種儀表的功能。熱工儀表校驗(yàn)儀使用的是背光LCD，也就是背光液晶顯示，以多屏漢字菜單顯示出來(lái)，儀器上設(shè)置數(shù)字按鍵，不需要電位器操作，只需要3s 就能精確逼近，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤平衡[1]。熱工儀表校驗(yàn)儀顯示屏顯示非常清晰、明了，儀器操作起來(lái)簡(jiǎn)單快捷，它具有非常齊全的功能，能夠容納18種輸入/輸出熱工量以及輸入/輸出同步運(yùn)行，儀器獨(dú)立操作，與電源相互隔離，不受電源影響。儀表能夠進(jìn)行連續(xù)性輸出，具有正反向步進(jìn)輸出功能，其步進(jìn)速率也能夠隨意調(diào)節(jié)。熱工儀表的熱電偶、熱電阻的溫度值能夠與相應(yīng)的電壓以及電阻信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，不用查表。這種校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)校準(zhǔn)的功能，也能夠很好地消除引線電阻[2]。分辨率為滿五位，具有非常高的精度，精度為0.02％，接口是RS232，界面是Windows，是一種攜帶便利非常實(shí)用的工具，另外這種儀表還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及自身零點(diǎn)校準(zhǔn)等一些功能。

熱工儀表校驗(yàn)儀具有多種功能，量程也非常多，在實(shí)際生產(chǎn)中具有較大作用，本文將以測(cè)量功能5V示值誤差為例來(lái)分析測(cè)量結(jié)果的不確定度，下面是具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程。

1 測(cè)量方法

按示值基本誤差梭定方法，將數(shù)字多用表的測(cè)量端與被校熱工儀表校驗(yàn)儀相連接，讀取被校測(cè)溫儀表檢定儀相應(yīng)的顯示數(shù)值，在數(shù)字多用表測(cè)量出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量值，被測(cè)表的顯示值減去數(shù)字多用表測(cè)量出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，該差值即為被校表的示值誤差。選取示值基本誤差最大點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行不確定度分析[3]。

2 數(shù)學(xué)建模

等待校準(zhǔn)的熱工儀表校驗(yàn)儀上的示值誤差可以表示為：△=Ux-Uy，式中的Ux與Uy分別代表被校準(zhǔn)熱工儀表校驗(yàn)儀所測(cè)得的顯示值，以及多功能校準(zhǔn)器輸出電壓，也就是校準(zhǔn)過(guò)程中所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)[2]。

3 計(jì)算其方差與靈敏度系數(shù)

通過(guò)數(shù)學(xué)建模，從而得到方差的計(jì)算結(jié)果

u2e( △ )=[?( △ )/?Uxu(Ux)]2+[?( △ )/?Uyu(Uy)]2

= [C1u(Ux)]2+ [C2u(Ux)]2

式中，可以得出靈敏度系數(shù)分別是：C1=1， C2=－1。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式也可以簡(jiǎn)化成

(1) 將地形高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS中，用HEC-GeoRAS做前期預(yù)處理，創(chuàng)建河道中心線、河岸線、水流路徑線及河流橫斷面圖層，為創(chuàng)建的圖層提取河流名稱，河流長(zhǎng)度，高程和粗糙度數(shù)據(jù)。

ue( △ )= [u(Ux)]2+ u(Uy)]1/2

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度情況

標(biāo)準(zhǔn)不確定度情況包含的內(nèi)容十分復(fù)雜，既有不確定度來(lái)源，也有靈敏系數(shù)以及自由度等，下表為標(biāo)準(zhǔn)不確定度情況[3]。

表 標(biāo)準(zhǔn)不確定度情況

5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量計(jì)算

5.1被校熱工儀表校驗(yàn)儀所得直流電壓值，以及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

讀數(shù)中產(chǎn)生的不確定度分量包含了以下內(nèi)容：熱工儀表校驗(yàn)儀的穩(wěn)定性、重復(fù)性與分辨力，還涉及到了多功能校準(zhǔn)器的這三個(gè)特點(diǎn)的影響力，將多功能校準(zhǔn)器的輸出電壓設(shè)置為5V，因此可以得到如下數(shù)據(jù)資料：4.9997，4.9997，4.9997，4.9997……

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算能夠得出：平均值Ux=4.9997μV，其中的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差S（Ux）=0μV，根據(jù)讀數(shù)產(chǎn)生的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定分量將最小分辨力計(jì)算出來(lái)：u（Ux）=0.0001V/ (2×31/2)≈29μV，這是一種均勻分布。

5.2多功能校準(zhǔn)器輸出直流電壓，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的引入

（1）多功能校準(zhǔn)器準(zhǔn)確度引入

（2）多功能校準(zhǔn)器溯源引入

多功能校準(zhǔn)器中的校準(zhǔn)證書(shū)中給出了多功能校準(zhǔn)器直流電壓功能的測(cè)量結(jié)果，其中的擴(kuò)展不確定度計(jì)算為1.5×101/6，k=2。引入的不確定度分量是

u( Ux)= [u(Ux1)]2+ u(Ux2)]1/2=[102+3.752]≈10.7μV。

6 裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

裝置合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算結(jié)果是

ue( △ )= [u(Ux)]2+ u(Uy)]1/2(292+102)1/2≈31μV

7 有效自由度

根據(jù)不確定度概算概念可以知道：一共有三個(gè)不確定度分量，其中處于主要地位的是被檢引入不確定度分量點(diǎn)，這里的估計(jì)合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度分布是比較均勻的，而且其有效自由度趨近無(wú)窮[5]。

8 不確定度的裝置擴(kuò)展

確定裝置擴(kuò)展的不確定度通常采用的包含因子是k，其中k=2，置信率大約是95％，因此其擴(kuò)展不確定度是U=kue( △ )=2×31μv≈0.0001V。

9 分析與總結(jié)

根據(jù)上述的方法與公式可以得出

△=Ux— Uy=4.9997 －5.0000= － 0.0003V

能夠得出熱工儀表校驗(yàn)儀允許的最大誤差是± （0.01％RD+0.01％FS）,其中的量程是10V，取讀數(shù)為5V時(shí)，其最大允許誤差是±0.0015V。

10 結(jié)束語(yǔ)

校驗(yàn)儀是一種用途非常廣泛的電子設(shè)備，具有檢定或校準(zhǔn)溫度儀表、測(cè)量熱電偶與熱電阻信號(hào)等的功能。校驗(yàn)儀通常情況下有輸出功能與測(cè)量功能兩部分。對(duì)于輸出功能來(lái)說(shuō)，這部分主要輸出直流電參量以及不同分度號(hào)的熱電偶與熱電阻產(chǎn)生的模擬信號(hào)；儀表測(cè)量功能則可以對(duì)直流電參量直接地測(cè)量，并將熱電偶、熱電阻以及傳感器等的輸出進(jìn)行測(cè)量。使用熱工儀表校驗(yàn)儀時(shí)，應(yīng)該選用規(guī)范正規(guī)的儀表，也要規(guī)范使用，這樣才能將儀表測(cè)量誤差控制在最小，提高儀表測(cè)量的準(zhǔn)確度與精度，熱工儀表校驗(yàn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。第一是儀表的計(jì)量特性，熱工儀表校驗(yàn)儀應(yīng)該達(dá)到以下通用技術(shù)要求：熱工儀表校驗(yàn)儀應(yīng)該具備設(shè)備名稱、型號(hào)以及儀表編號(hào)、生產(chǎn)廠家等信息；校驗(yàn)儀的附件、電源線等配件應(yīng)該齊全，儀器的按鍵功能也必須正常，引線接插件等接觸良好；校驗(yàn)儀的顯示功能上應(yīng)該有明確標(biāo)識(shí)，上面還要有清晰完整的數(shù)字與符號(hào)，不會(huì)讓人誤讀；允許誤差，校驗(yàn)儀存在著大大小小的誤差，但是只要在正常范圍內(nèi)都是可以的[4]。校驗(yàn)儀各個(gè)功能量程的實(shí)際分辨力應(yīng)該小于1.3d，另外儀表的穩(wěn)定性應(yīng)該在校準(zhǔn)環(huán)境條件下，各功能量程1h內(nèi)的短期穩(wěn)定性應(yīng)該優(yōu)于最大允許誤差的1/5。儀表在環(huán)境溫度為15～35℃之間、相對(duì)濕度為45％～75％時(shí)，儀表校驗(yàn)儀的輸入、輸出以及電源之間的絕緣電阻應(yīng)該大于等于50MΩ。當(dāng)儀表所處的環(huán)境溫度在15～35℃時(shí)以及45％～75％的相對(duì)濕度時(shí)，校驗(yàn)儀的輸出、輸入以及電源等之間給予規(guī)定的50Hz的試驗(yàn)電壓，經(jīng)過(guò)1min儀表應(yīng)該沒(méi)有擊穿與飛弧現(xiàn)象。

第二個(gè)是校準(zhǔn)環(huán)境條件，儀表開(kāi)展校準(zhǔn)工作時(shí)，環(huán)境溫度為（23±2）℃，環(huán)境相對(duì)濕度應(yīng)該為45％～75％，校驗(yàn)儀的周圍除了磁場(chǎng)之外，應(yīng)該確保沒(méi)有影響這個(gè)磁場(chǎng)工作的外磁場(chǎng)，另外，電源電壓不能超過(guò)額定電壓的±2％，電源頻率變化不能超過(guò)額定頻率的±1Hz[5]。選擇標(biāo)準(zhǔn)儀器或者是配套設(shè)備時(shí)，需要引入擴(kuò)展的不確定度，這個(gè)不確定度應(yīng)該小于校驗(yàn)儀對(duì)應(yīng)功能的最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。在校準(zhǔn)分辨力時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器分辨力應(yīng)小于被較校驗(yàn)儀分辨力的五分之一，進(jìn)行穩(wěn)定性校準(zhǔn)時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器穩(wěn)定性應(yīng)高于被校校驗(yàn)儀穩(wěn)定性的5倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐亞迅.熱工儀表校驗(yàn)儀示值誤差的測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化,2013(9):49-49,50.

[2] 萬(wàn)磊,丁勤.熱工儀表校驗(yàn)儀示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度分析實(shí)例[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2007,34(3):52.

[3] Sun Zhaoqin, Li Feng, et al. Digital temperature indicator (with K type thermocouple), the value of the measurement results of the uncertainty of measurement results.[J]. China Chemical Trade, 2011,3 (9): 50-51.

[4] 陳瀅锜.過(guò)程儀表校驗(yàn)儀熱電阻測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定[J].工業(yè)計(jì)量,2013,23(6):56-57.

收稿日期：（2015-11-05）