工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的檢定及不確定度分析
作者：廣陸數(shù)測(cè) 發(fā)布日期：2013-12-19
工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的檢定及不確定度分析
內(nèi)容摘要：本文完整地提供了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度專業(yè)中，工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的工作原理、計(jì)量檢定及示值誤差的不確定度評(píng)定規(guī)范。并對(duì)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度、擴(kuò)展不確定度的評(píng)定以及測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示，給予了明確的論述。
關(guān)鍵詞：工業(yè)過程測(cè)量記錄儀、計(jì)量檢定、校準(zhǔn)、不確定度
前言：溫度是國際單位制中7個(gè)基本物理量之一，在生產(chǎn)和科學(xué)研究中，許多物理現(xiàn)象和化學(xué)過程都是在一定的溫度下進(jìn)行的。工業(yè)過程測(cè)量記錄儀就是一種能夠監(jiān)控溫度等物理量的儀表，它包括自動(dòng)電位差計(jì)、自動(dòng)平衡電橋、函數(shù)記錄儀以及數(shù)字模擬指示相結(jié)合的混合式記錄儀、無紙記錄儀。該類儀表可用于配熱電偶或熱電阻以測(cè)量指示和記錄（存儲(chǔ)）溫度、壓力、真空、流量、物位、氧量、碳量等工業(yè)過程量值。當(dāng)傳感器或變送器把上述被測(cè)量轉(zhuǎn)換成儀表可以接受的電量（如電壓、電流和電阻值）后，該類儀表即可通過對(duì)電量的測(cè)量來間接反應(yīng)其它相關(guān)量。同樣，該類儀表也可以直接測(cè)量和記錄電阻、直流電流和直流電壓等量值。
本文主要對(duì)配熱電偶使用的0.5級(jí)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的工作原理、計(jì)量檢定和不確定度分析進(jìn)行論述。
一、配熱電偶使用的0.5級(jí)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的工作原理：
配熱電偶使用的工業(yè)過程測(cè)量記錄儀主要用于溫度測(cè)量，它不但能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)指示和記錄，而且能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制和報(bào)警。因此，在機(jī)械熱處理行業(yè)中，它已成為爐溫測(cè)量與控制的常用儀表。工業(yè)過程測(cè)量記錄儀按結(jié)構(gòu)原理可分為自動(dòng)平衡式和直接驅(qū)動(dòng)式。按顯示方式可分為模擬、數(shù)字兩種，模擬指示包括指針指示和棒柱、光柱指示，模擬記錄包括劃線記錄和打點(diǎn)記錄，一臺(tái)儀表可以是兩種方式的混合。按記錄手段可分為有紙和無紙兩種。按記錄通道可分為單通道和多通道兩種。按附帶功能可分為單顯示和帶位式調(diào)節(jié)等控制作用。
工業(yè)過程測(cè)量記錄儀工作原理框圖如圖1所示，它是一個(gè)由測(cè)量電路、檢零放大器、伺服電極、指示記錄機(jī)構(gòu)、滑線電阻組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有位式控制作用的儀表還包括設(shè)定機(jī)構(gòu)和比較機(jī)構(gòu)，比較機(jī)構(gòu)將指示值與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生位式控制信號(hào)。儀表指示和記錄標(biāo)尺，按溫度分度時(shí)為非線性標(biāo)尺，其指針的位移量與輸入的電信號(hào)呈線性關(guān)系。
工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的工作原理是：從熱電偶輸入的直流電勢(shì)和電橋兩端的直流電壓相比較，比較后的差值電壓（即不平衡電壓）經(jīng)過放大器放大后，輸出足以驅(qū)動(dòng)可逆電動(dòng)機(jī)之功率。可逆電動(dòng)機(jī)通過一組傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)及其與測(cè)量橋路中滑線電阻相接觸的滑動(dòng)臂，從而改變了滑動(dòng)臂與滑線電阻的接觸位置，直至測(cè)量橋路與熱電偶輸入信號(hào)二者平衡為止。此時(shí)放大器便無功率輸出，可逆電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，橋路處于平衡狀態(tài)。如果熱電偶電動(dòng)勢(shì)再度改變，則又產(chǎn)生新的不平衡電壓，再經(jīng)放大器放大而驅(qū)動(dòng)可逆電動(dòng)機(jī)，結(jié)果又改變了滑動(dòng)臂的位置，同樣直至達(dá)到新的平衡點(diǎn)位置為止。而與滑動(dòng)臂相連的指示機(jī)構(gòu)沿著有分度的標(biāo)尺滑行，滑動(dòng)臂的每一平衡位置相應(yīng)于標(biāo)尺上的一定數(shù)值。因此，當(dāng)橋路處在平衡狀態(tài)時(shí)，指示機(jī)構(gòu)的指針在標(biāo)尺上指出一定的溫度數(shù)值。
二、配熱電偶使用的0.5級(jí)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀的計(jì)量檢定方法：
1 2005年12月20日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了JJG74—2005《工業(yè)過程測(cè)量記錄儀》檢定規(guī)程，并于2006年06月20日開始實(shí)施，代替原有的JJG74—1992《自動(dòng)平衡式顯示儀表》和JJG706—1990《帶位式控制自動(dòng)平衡式顯示儀表》。檢定時(shí)應(yīng)按照J(rèn)JG74—2005《工業(yè)過程測(cè)量記錄儀》檢定規(guī)程的檢定方法和檢定項(xiàng)目，逐一項(xiàng)目進(jìn)行檢定。
2 檢定條件：在新實(shí)施的檢定規(guī)程中要求，檢定時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)儀器及配套設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度（）應(yīng)不大于被檢儀表最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。檢定時(shí)，環(huán)境溫度為20℃±5℃；相對(duì)濕度為45%—75%；供電條件為電源電壓變化不超過額定電壓的±1％。
3 檢定項(xiàng)目：使用中的0.5級(jí)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀屬于后續(xù)檢定的儀表，檢定規(guī)程規(guī)定，要進(jìn)行指示基本誤差、記錄基本誤差、回程誤差、階躍響應(yīng)時(shí)間、設(shè)定點(diǎn)誤差、切換差、外觀、絕緣電阻的檢定。
4 檢定方法
4.1 按規(guī)定接線：配熱電偶使用的工業(yè)過程測(cè)量記錄儀，目前常見的為上海大華儀表廠生產(chǎn)的XWGJ-101型，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，具有參考端自動(dòng)補(bǔ)償功能。檢定時(shí)應(yīng)采用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行檢定。接線示意圖如圖2。
銅導(dǎo)線 補(bǔ)償導(dǎo)線 銅導(dǎo)線
|
被檢 儀表
|
4.2 通電預(yù)熱：通電預(yù)熱按制造廠說明書中的規(guī)定，具有參考端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬x表為30min，并要求在檢定期間30min內(nèi)環(huán)境溫度變化不大于0.5℃。
4.3 檢定點(diǎn)的選澤：檢定點(diǎn)應(yīng)包括上、下限值在內(nèi)不少于5個(gè)點(diǎn)。應(yīng)在標(biāo)尺有數(shù)碼的標(biāo)記上，即主刻度上。
4.4 儀表指示、記錄基本誤差的檢定：檢定時(shí)，指示值從下限值開始，用增加輸入信號(hào)的辦法，使指示指針依次緩慢的停在各被檢點(diǎn)標(biāo)尺標(biāo)記上，直至上限值，分別讀取標(biāo)準(zhǔn)器示值；然后，減小輸入信號(hào)依次進(jìn)行下行程的檢定，直至下限值（上行程時(shí)下限值不檢，下行程時(shí)上限值不檢）。如此進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的檢定。
儀表指示、記錄基本誤差計(jì)算公式：
式中：——儀表指示、記錄基本誤差（電量值）；
——儀表被檢點(diǎn)標(biāo)尺標(biāo)記對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值（電量值）；
——標(biāo)準(zhǔn)器示值（電量值）；
——補(bǔ)償導(dǎo)線20℃時(shí)的修正值（電量值）。
4.5 儀表回程誤差的檢定：儀表在基本誤差的檢定過程中已包含了回差的檢定。
儀表回程誤差計(jì)算公式：
式中：——儀表指示、記錄回程誤差（電量值）；
——儀表上行程檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器示值（電量值）；
——儀表下行程檢定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器示值（電量值）。
4.6 儀表階躍響應(yīng)時(shí)間（行程時(shí)間）的檢定：分別輸入信號(hào)使儀表指針處于標(biāo)尺10％（上行程時(shí)）和標(biāo)尺90％（下行程）的初始位置上。然后，階躍增加（上行程時(shí)）和階躍減少（下行程時(shí)）輸入量程80％的階躍信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)秒表。當(dāng)儀表指針到達(dá)穩(wěn)定值（其允許為量程的1％）時(shí)停止秒表，其間隔時(shí)間即為上（下）行程時(shí)間。在上、下行程各取三次測(cè)量的平均值做為每個(gè)方向上的階躍響應(yīng)時(shí)間（行程時(shí)間）。
4.7 儀表設(shè)定點(diǎn)誤差的檢定：檢定應(yīng)在測(cè)量范圍的10％、50％和90％附近的設(shè)定點(diǎn)上進(jìn)行。設(shè)定點(diǎn)應(yīng)調(diào)整在標(biāo)尺有數(shù)碼的標(biāo)記上。劃線記錄儀表應(yīng)在記錄狀態(tài)下進(jìn)行檢定；打點(diǎn)記錄儀表應(yīng)在記錄機(jī)構(gòu)停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行檢定。檢定時(shí)，從下限值開始逐漸增加輸入信號(hào)，使指示值接近設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)繼電器動(dòng)作、輸出狀態(tài)發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)得的輸入信號(hào)值即為上切換值；繼續(xù)增加輸入信號(hào)，使指示值超越設(shè)定點(diǎn)，然后逐漸減小輸入信號(hào)，使指示值接近設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)繼電器恢復(fù)動(dòng)作、輸出狀態(tài)發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)得的輸入信號(hào)值即為下切換值。如此進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的檢定。
儀表設(shè)定點(diǎn)誤差計(jì)算公式：
式中：——儀表設(shè)定點(diǎn)誤差（電量值）；
——儀表上切換值（電量值）；
——儀表下切換值（電量值）；
——儀表設(shè)定值對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值（電量值）；
——補(bǔ)償導(dǎo)線20℃時(shí)的修正值（電量值）。
4.8 儀表切換差的檢定：儀表切換差的檢定與設(shè)定點(diǎn)誤差的檢定同時(shí)進(jìn)行。
儀表切換差計(jì)算公式：
式中：——儀表設(shè)定點(diǎn)誤差（電量值）；
——儀表上切換值（電量值）；
——儀表下切換值（電量值）；
4.9 儀表絕緣電阻的檢定：當(dāng)環(huán)境溫度為15℃～35℃，相對(duì)濕度為45％～75％時(shí)，在切斷電源的情況下，將電源開關(guān)置接通位置，用絕緣電阻表測(cè)量?jī)x表輸入、輸出、電源和接地（外殼）端子相互之間的絕緣電阻應(yīng)不小于20MΩ。注意，測(cè)量時(shí)應(yīng)穩(wěn)定5S后讀數(shù)。
5 檢定結(jié)果的處理：按照規(guī)程要求檢定合格的儀表，出具檢定證書，檢定不合格的儀表，出具檢定結(jié)果通知書。
6 檢定周期：儀表的檢定周期可根據(jù)使用環(huán)境條件、頻繁程度和重要性來確定。一般不超過1年。
三、配熱電偶使用的0.5級(jí)工業(yè)過程測(cè)量記錄儀示值基本誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定分析
1 概述
1.1 檢定依據(jù)：JJG74－2005《工業(yè)過程測(cè)量記錄儀》檢定規(guī)程。
1.2 檢定環(huán)境：溫度（20±5）℃，相對(duì)濕度45%～75%RH。
1.3 標(biāo)準(zhǔn)器：溫度/壓力校準(zhǔn)器FLUKE 525B。
1.4 檢定對(duì)象：（-200－1800）℃范圍內(nèi)配不同類型熱電偶，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)以下的工業(yè)過程測(cè)量記錄儀。
2 數(shù)學(xué)模型：
式中：——儀表的示值基本誤差。（電量值）
——儀表被檢點(diǎn)標(biāo)尺標(biāo)記對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值。（電量值）
——標(biāo)準(zhǔn)器示值。（電量值）
——補(bǔ)償導(dǎo)線20℃時(shí)的修正值。
3 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定
3.1 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源由儀表讀數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)刻度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。
3.1.1 儀表讀數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)刻度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
由儀表讀數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)刻度導(dǎo)致的讀數(shù)誤差區(qū)間半寬一般為儀表允許誤差的1/20,采用B類方式評(píng)定，按均勻分布考慮。
式中：——儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)
——儀表的量程
3.1.2 測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
采用次測(cè)量正反行程分開計(jì)算（≥5），A類方式評(píng)定
3.2 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
輸入量的不確定度主要來源于溫度/壓力校準(zhǔn)器FLUKE 525B的不確定度。
由中國計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)證書得到溫度/壓力校準(zhǔn)器FLUKE 525B的不確定度
因此取，
因被測(cè)儀表的分度、測(cè)量的溫度不同而變化，計(jì)算時(shí)應(yīng)選取相應(yīng)值。
3.3 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源為補(bǔ)償導(dǎo)線修正值和冰瓶導(dǎo)致的不確定度。
3.3.1 補(bǔ)償導(dǎo)線的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
根據(jù)不同分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線修正值（20℃）經(jīng)校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度，求出相應(yīng)的。采用B類方式進(jìn)行評(píng)定。
3.3.2 冰瓶導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
冰瓶最大允差為±0.08℃，采用B類方式進(jìn)行評(píng)定，按均勻分布考慮。
可根據(jù)被測(cè)儀器的分度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電勢(shì)值。
3.3.3 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
由于和彼此相互獨(dú)立，因此
4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
4.1 靈敏系數(shù)
a數(shù)學(xué)模型:
b靈敏系數(shù)：
4.2 合成不確定度的計(jì)算
因、、相互彼此獨(dú)立，故
5 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定
取
6 測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示
以例說明：1100℃時(shí)
