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Study on the Measurement Uncertainty of Temperature Itinerant Detecting Instruments Based on ISO GUM Method
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摘要: 针对温度巡检仪计量检定的量值准确性问题，参考现有技术规范的测量模型，建立了温度巡检仪中低温传感器和高温传感器新的测量数学模型，采用GUM法对温度巡检仪进行了测量不确定度评定，为完善温度巡检仪量值溯源及传递体系提供了技术依据，也为温度巡检仪校准规范的修订提供必要技术支持。结果表明：基于GUM法的不确定度主要来源于温度巡检仪示值和恒温源的性能；中低温铂电阻传感器在−80 ℃～600 ℃范围内，测量不确定度为0.03 ℃～0.07 ℃（k=2）；高温热电偶传感器在600 ℃～1000 ℃范围内，测量不确定度为0.8 ℃（k=2）。选用盐浴恒温槽可以大大提高传感器在300 ℃～600 ℃温度段的校准水平。Abstract: In order to address the issue of measurement accuracy in the calibration of temperature itinerant detecting instruments, a new mathematical model has been established for measuring the low-temperature Pt100 sensors and high-temperature thermocouple sensors based on existing technical specifications. The GUM method has been employed to assess the measurement uncertainty of the temperature itinerant detecting instruments, which provides technical support for improving the traceability and transfer system of these instruments and revising the calibration specification. The results show that the GUM method identifies the primary sources of uncertainty as the temperature itinerant detecting instruments' indications and the performance of the constant temperature sources. The uncertainty of the low-temperature Pt100 sensors is 0.03℃ to 0.07℃ (k=2) in the range of -80℃ to 600℃, while the uncertainty of the high-temperature thermocouple sensors is 0.8℃ (k=2) in the range of 600℃ to 1000℃. Furthermore, the use of a salt bath tank can significantly improve the calibration accuracy of temperature sensors in the temperature range of 300℃ to 600℃.
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Key words:
- metrology /
- temperature itinerant detecting instruments /
- GUM /
- uncertainty
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图 1 GUM法评定不确定度流程图
Figure 1. Flow chart for measurement uncertainty evaluation by the GUM method
图 2 温度巡检仪测量不确定度鱼骨图（中低温传感器）
Figure 2. Fishbone diagram for uncertainty evaluation of temperature itinerant detecting instruments（Pt100）
图 3 温度巡检仪测量不确定度鱼骨图（高温传感器）
Figure 3. Fishbone diagram for uncertainty evaluation of temperature itinerant detecting instruments（TCK）
表 1 温度巡检仪校准装置标准器及配套设备列表
Table 1. List of calibration devices, standards, and supporting equipment of temperature itinerant detecting instruments
序号 设备名称 技术要求 用途 1 标准铂电阻温度计 二等；测温范围：−189.3442 ℃～419.527 ℃ 标准器 2 标准铂电阻温度计 二等；测温范围：0.01 ℃～660.323 ℃ 3 标准铂铑10-铂热电偶 一等；测温范围：300 ℃～1300 ℃ 4 纳伏/微欧表 DCR: 1 ~ 1000 Ω，MPE：±（0.0060%×读数＋0.0002%×量程） 电测 5 数字多用表 DCV: 0～100 mV，MPE：±（37×10−6×读数＋9×10−6×量程） 6 智能精密低温槽 测量范围: −80 ℃～100 ℃；均匀性：±0.003 ℃波动度：±0.005 ℃/10 min 恒温源 7 智能精密油槽 测量范围: 90 ℃～300 ℃；均匀性：±0.006 ℃波动度：±0.005 ℃/10 min 8 盐浴恒温槽 测量范围: 300℃~670℃；均匀性：±0.025 ℃波动度：±0.025 ℃/10 min 9 卧式检定炉 测量范围: 300 ℃～1100 ℃；温度波动度：±0.1℃/min；
轴向均匀性：温差绝对值≤0.5 ℃；径向均匀性：温差绝对值≤0.25 ℃
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表 2 温度巡检仪测量重复性
Table 2. Measurement repeatability of temperature itinerant detecting instruments
次数 测试点/℃ −80 −30 0 100 200 300 600（盐浴槽） 600（检定炉） 800 1000 1 −80.04 −30.03 0.03 100.01 200.02 299.94 599.89 598.91 799.17 998.81 2 −80.03 −30.04 0.02 100.04 199.98 299.95 599.87 598.97 799.17 998.71 3 −80.04 −30.03 0.04 100.05 199.96 299.91 599.91 598.89 799.20 998.66 4 −80.03 −30.05 0.03 100.06 199.97 299.94 599.85 598.98 799.29 998.84 5 −80.04 −30.04 0.04 100.05 199.96 299.90 599.89 598.90 799.14 998.72 6 −80.03 −30.04 0.03 100.06 199.97 299.96 599.92 599.00 799.25 998.65 7 −80.03 −30.03 0.03 100.05 199.96 299.95 599.89 598.89 799.34 998.81 8 −80.03 −30.04 0.04 100.04 199.97 299.92 599.88 598.93 799.23 998.65 9 −80.04 −30.05 0.05 100.03 199.95 299.94 599.89 598.89 799.30 998.62 10 −80.02 −30.03 0.04 100.02 199.96 299.92 599.90 598.83 799.27 998.69 s 0.0067 0.0079 0.0085 0.0166 0.0194 0.0195 0.0197 0.0515 0.0654 0.0781 $ {u_1} $ 0.0034 0.0039 0.0042 0.0083 0.0097 0.0097 0.0098 0.026 0.033 0.039
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表 3 电测仪表测量引入的不确定度（Pt100）
Table 3. Measurement uncertainty introduced by electrical measuring instrument（Pt100）
测试点/℃ −80 −30 0 100 200 300 600 标准不确定度$ {u_6} $/℃ 0.007 0.009 0.010 0.013 0.017 0.020 0.029
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表 4 标准热电偶测量重复性
Table 4. Measurement repeatability of standard thermocouple
次数 测试点/℃ 600（检定炉） 800 1000 1 5.2247 mV 7.3380 mV 9.5744 mV 2 5.2257 mV 7.3386 mV 9.5759 mV 3 5.2242 mV 7.3392 mV 9.5762 mV 4 5.2244 mV 7.3372 mV 9.5768 mV 5 5.2255 mV 7.3398 mV 9.5730 mV 6 5.2242 mV 7.3381 mV 9.5755 mV 7 5.2251 mV 7.3380 mV 9.5752 mV 8 5.2251 mV 7.3371 mV 9.5756 mV 9 5.2247 mV 7.3379 mV 9.5752 mV 10 5.2242 mV 7.3387 mV 9.5761 mV $ \bar x $ 5.2248 mV 7.3383 mV 9.5754 mV s 0.5514 μV 0.8383 μV 1.066 μV $ {u'_5} $ 0.04 ℃ 0.04 ℃ 0.05 ℃
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表 5 电测仪表测量引入的不确定度（TC）
Table 5. Measurement uncertainty introduced by electrical measuring instrument（TC）
测试点/℃ 600 800 1000 最大允许误差 ±1.09 μV ±1.17 μV ±1.25 μV $ {u'_6} $ 0.06 ℃ 0.06 ℃ 0.06 ℃
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表 6 恒温装置为恒温槽时标准不确定度评定（中低温传感器）
Table 6. Uncertainty evaluation of standards using thermostatic bath as the constant temperature device（Pt100）
/℃ 标准不确定度来源 −80 −30 0 100 200 300 600 测量重复性 0.0035 0.0039 0.0043 0.0083 0.0094 0.0099 0.0088 温度巡检仪分辨力 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 标准铂电阻温度计校准 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 标准电阻温度计稳定性 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 水三相点 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 0.0008 电测设备测量误差 0.007 0.009 0.010 0.013 0.017 0.020 0.029 恒温液槽均匀性 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 恒温液槽波动性 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 0.0058 合成标准不确定度 0.014 0.016 0.016 0.020 0.023 0.025 0.033 扩展不确定度（k=2） 0.03 0.03 0.03 0.04 0.05 0.05 0.07
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表 7 恒温装置为卧式检定炉时标准不确定度评定（高温传感器）
Table 7. Uncertainty evaluation of standards using thermocouple calibration furnace as the constant temperature device（TCK）
/℃ 标准不确定度来源 600 800 1000 测量重复性 0.026 0.033 0.039 温度巡检仪分辨力 0.0058 0.0058 0.0058 标准铂铑10-铂热电偶检定结果 0.25 0.25 0.25 标准铂铑10-铂热电偶年稳定性 0.24 0.24 0.24 标准铂铑10-铂热电偶测量重复性 0.04 0.04 0.05 电测仪表测量误差 0.06 0.06 0.06 炉内均温块径向温场不均匀 0.121 0.121 0.121 炉内均温块轴向温场不均匀 0.058 0.058 0.058 炉温波动 0.150 0.150 0.150 转换开关读数寄生电势 0.025 0.025 0.025 热电偶参考端温度不均匀 0.03 0.03 0.03 合成标准不确定度 0.41 0.41 0.41 扩展不确定度（k=2） 0.8 0.8 0.8
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