PDF《理解采用不同方法使用干式计 量炉时的不确定度》

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fluke.com/library 应用文章理解采用不同方法使用干式计 量炉时的不确定度 概述 干井炉是过程和实验室环境中用来 校准温度传感器的稳定热源.由于 机械设计和热力学性质的原因,所 有的热源都会引入测量误差.通过 确定热源引起的测量不确定度,即 可量化这些影响.福禄克公司哈特 子公司(Hart Scientific Division)研 制了干式计量炉来减小通常在使用 干井炉时会产生的误差.干式计量 炉配置有一支经过校准的控制传感 器,并且提供内置测温仪选件.干 式计量炉的不确定度会随使用模式 发生明显的变化.本文讨论了与每 一种使用方法相关的不确定度.本 应用文章的目的是帮助技术人员和 计量人员理解和量化使用干式计量 炉时的测量不确定度. 使用干式计量炉及其内置参考 测温仪时的不确定度 在把干式计量炉作为稳定热源,并 且有一个外部参考温度计或可选的 内置参考测温仪作为参考标准时, 通常能够获得最佳性能 (请参考第

4 页的例

1 和例 2).一般而言,不确 定度的主要原因是有缺陷的轴向和 径向均匀性、负载、不稳定性、径 向传导、参考温度计的准确度,以 及被测温度计的特性. 轴向均匀性 每一干式计量炉的恒温插块(有几 个钻孔的可拔出的套筒)其顶端都 被暴露于周围环境之下,其整个长 度范围内都处于受控的温度下.恒 温插块内的垂直梯度用专业名词讲 就是 轴向均匀性 .由于温度感 测元件在构造和长度上存在差异 性,因此就必须考虑干式计量炉的 轴向均匀性. 根据 EA(欧洲计量组织)指南 10/13 的规定,从干井炉的底部开始,干井 炉应该有一个

40 mm 的具有足够温 度均匀性的区域 .我们建议这一温 区要至少

60 mm,以覆盖被测温度 计(UUT)和参考标准的敏感元件范 围, 而这些温度计敏感元件往往需要 至少

50 mm 的长度. 应用提示:通过将参考探头和 UUT 的敏感 元件的中心对准(请参见图 4),往往会获 得优于技术指标的轴向一致性误差. 径向均匀性 从一个插孔到另一插孔的温度梯度 被称为径向均匀性. 径向均匀性不好 引起的测量误差可归结为插孔和加 热器之间的距离、 恒温插块的热力学 性质, 以及由于非均衡负载引起的不 均匀热分布的影响. 应用提示:当使用参考探头,且参考探头的 直径与 UUT 的直径相同,并使用比对插块 (恒温插块 B、D 或E),参考探头放置在 UUT 正对面进行测量时,会获得最佳的结 果. 负载效应 插入到干式计量炉的探头数量影响 着从干式计量炉中带走或带入到干 式计量炉中的热量. 这种影响被称为 负载效应.将探头插入到干式计量 炉,并计算参考读数的变化,即可测 得负载效应.干式计量炉的设计特 性,例如

203 mm(8 in)的插入深度 和双温区控制, 能够使负载效应最小 化. 稳定性 稳定性 温度 时间 图1. 干式计量炉的显示可以帮助用户确定什么时间达到了稳定,但 是更好的办法是依赖具有更高分辨率的参考标准的显示.

2 福禄克公司 哈特子公司 理解采用不同方法使用计量炉时的不确定度 典型环境 热 热量 图2. 径向传导(或散热效应) 图3. 推荐的探头插入深度 稳定度 随时间变化的稳定度影响着校准. EA 10/13 将稳定度定义为 在30 分 钟的周期内 的温度变化. 干式计量 炉显示可以帮助用户确定什么时间 达到了稳定, 但是在稳定期间, 实际 温度和显示的温度会有明显的差异. 更好的方法是依赖于具有更高分辨 率的温度计的显示(请参见图 1). 径向传导误差 径向传导是指沿温度计护杆的热流 量. 径向传导同时影响参考温度计和 UUT(请参见图 2).推荐的探头插 入深度是按以下方法计算的:[20* 探头直径] + [敏感元件的长度](请 参见图 3).由于干式计量炉的插入 深度很深(160 mm [6.3 in] 至203 mm [8 in]) , 因此径向传导造成的误 差对总不确定的影响非常小. 参考探头、测温仪和 UUT 在使用参考探头、参考测温仪、 UUT,以及这些仪器的读出装置时, 还要考虑它们引起的其它很多不确 定度来源. 这些误差包括参考探头和 测温仪的校准不确定度或准确度、 参 考探头漂移和迟滞、参考探头自热、 UUT 短期漂移和迟滞, 以及 UUT 读 出装置的准确度. 本文并不详细介绍 这些因素, 用户可以从福禄克公司哈 特分公司(Hart Scientific)的网站 www.hartscientific.com 获得更详细 的信息. 应用提示: 将探头插入到恒温槽中, 并且当 设置升高增量时记录其温度变化, 即可确定 径向传导误差. 当每一探头对径向传导的影 响都比较独特,需要单独进行评估, 这是最 好的方法. 使用干式计量炉及其经校准的 控制传感器时的不确定度 干式计量炉控制传感器带有可溯源 校准证书以及准确度表, 可以将其显 示作为一个参考标准. 以这种方式使 用干式计量炉时, 许多测量误差都会 影响到不确定度. 轴向均匀性 当利用经校准的控制传感器作为参 考标准时, 干式计量炉的垂直梯度要 比使用外部参考温度计时更加明显. 这是因为在实际中往往不能将控制 传感器 (被固定在恒温块中) 的敏感 元件与 UUT 对齐(请参见图