赵丹 耿亚璋
北京航天试验技术研究所 北京市丰台区 100074
摘要：本文介绍了廉金属热电偶及其校准方法，分析了校准过程中产生不确定度的来源，根据不确定度评定指南确定每个不确定度分量的评价方法，以实例分析K型廉金属热电偶在校准温度点为400℃、600℃和800℃时，各不确定度分量、合成标准不确定和扩展不确定度的计算和评定，对于廉金属热电偶的校准和使用具有指导意义。
关键词：廉金属热电偶；校准方法；不确定度评定方法；不确定度分量；合成标准不确定度；扩展不确定度
引言
测量不确定度是独立而又密切与测量结果相联系的，表明测量结果分散性的一个参数，在测量结果的的完整性表示中，应该包括测量不确定度。通过对测量不确定度的评定，可改变某个不确定度分量的大小，来看合成标准不确定度或扩展不确定度的变化，据此可以获得在满足测量不确定度要求的情况下，如何去选择所用设备的准确度或不确定度，以及对环境条件的要求等，从而做到对计量系统和计量方法的充分了解。
1 廉金属热电偶及校准方法
1.1廉金属热电偶的性能和应用
廉金属热电偶包括分度号为K、E、J、T的热电偶，所用材料为铜、镍、铬和铁等普通金属材料，温度上限一般在1000℃～1300℃，具有物美价廉的优点，因此广泛应用于热学科研试验领域中，但是测量结果的离散性相对贵金属热电偶而言稍差一些。
N型热电偶（镍铬硅-镍硅）具有灵敏度较高、热电动势较大、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强、不受短程有序化影响等一系列优点，是一种质优价廉、很有发展和应用前景的热电偶。
E型热电偶（镍铬-铜镍），热电动势大，灵敏度高，适宜制作热电堆，实现温度为微小变化的测量。耐受高湿度腐蚀，可应用在湿度较高的环境中。同时还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为用户采用。但是E型热电偶热电势均匀性较差，也不能直接在高温硫化环境或者还原性环境中。
J型热电偶（铁-铜镍）具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点，可在真空、氧化、还原和惰性环境中使用，但正极铁在高温下氧化较快，使用温度受到限制，不能直接无保护地在高温下用于硫化环境中。
K型热电偶（镍铬-镍硅）是目前用量最大的廉金属热电偶，具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中，广泛为用户所采用，其用量为其他热电偶的总和。但是不能直接在高温下用于硫，还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。
1.2廉金属热电偶校准方法
JJF1637-2017《廉金属热电偶校准规范》于2018年3月26日起实施，代替了原JJG351-1996《工作用廉金属热电偶检定规程》，新规范对校准对象的温度范围和长度重新做了规定，对标准器和配套设备的技术要求更加精准，增加校准过程中补偿导线的应用，但基本测试原理不变。廉金属热电偶校准时应根据型号类型和直径大小，按照校准规范要求确定温度范围内的三个校准点。测试时，将均温块放置于管式炉中，标准与被测传感器捆绑后置于均温块底部，根据校准点对实际温度的差值△T和被测热电偶在校准点附近测得的热电动势求出被测热电偶温度传感器在校准点的实际热电动势值；[1]用被测热电偶传感器的实际电动势与分度表中校准温度点的热电动势值的差值除以在校准温度点T时的微分电势得到温度偏差△T来判断被测热电偶的性能等级。
2 K型廉金属热电偶校准结果测量不确定度评定实例
2.1数学模型建立
被校热电偶在校准点温度上的测量模型：
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式中：E(T)—被校热电偶在某校准温度点的热电动势值(mV)；
Ei(T)—被校热电偶在某校准温度点附近测得的热电动势算数平均值(mV)；
E(B)—标准热电偶证书上某校准温度点的热电动势值(mV)；
Ei(B)—标准热电偶在某校准温度点附近测得的热电动势算数平均值(mV)；
S(T)—被校热电偶在某校准温度点的微分热电动势(μV/℃)；
S(B)—标准热电偶在某校准温度点的微分热电动势(μV/℃)；
E(补) —补偿导线修正值(mV)。
2.2不确定度传播公式
可以假设测量过程中各不确定度分量之间是相互独立的，因此根据不去确定度传播率可得到：
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2.3不确定度来源分析与评定
利用二等铂铑10-铂热电偶标准装置，分别在校准温度点400 ℃、600 ℃、800 ℃对K型廉金属热电偶开展校准，并进行不确定度的评定，所使用的主标准器和配套设备有标准铂铑10-铂热电偶、堆栈式测温仪、管式炉、冰点恒温器、均温块和补偿导线。
K型廉金属热电偶校准过程的不确定度来源有主要有ui（T）、ui（B）、u（B）和u（补），其中被校热电偶输入量引入的标准不确定度ui（T）主要来自于电测设备测量误差、管式炉温度波动、管式炉中均温块径向温度不均匀、转换开关接触电势、冰点恒温器温度波动和补偿导线；标准热电偶引入的不确定度有校准温度点引入的标准不确定度E(B)和输入量的重复性测量引入的标准不确定度Ei(B)。
2.3.1被校热电偶输入量引入的标准不确定度ui（T）
2.3.1.1测温仪测量被测热电偶热电动势时引入的不确定度分量
测温仪测量被测热电偶热电动势时引入的不确定度分量按照B类方法进行评定，采用美国FLUCK公司1560/2566堆栈测温仪测量镍铬-镍硅热电偶的电动势，由仪器用户手册中技术参数得知在0 mV ~ 50 mV输入，电动势准确度为2uV。
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2.4合成标准不确定度
2.4.1标准不确定度分量一览表
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3结束语
科学合理的进行不确定度评定是保证量值准确传递的基础，根据校准规范、计量器具的使用说明和实际测试过程中所得到的测试值，准确采用标准不确定度的评定方法，分析出K型廉金属热电偶校准过程中的不确定度来源，相计算出各不确定度来源产生的不确定度分量，进而合成标准不确定度和扩展不确定度，在校准证书中给出测量结果，确保计量溯源的准确性。
参考文献：
[1]JJF 1637-2017.廉金属热电偶校准规范[S].
[2]JJF 1059.1-2012.测量不确定度评定与表示[S].
[3]储著敏.总有机碳的测量不确定度评定[J].中国化工贸易.2018.10.
[4]孟倩.检定/校准实验室常用测量不确定度评定方法[J].铝镁通讯.2005.