水温测量仪测量结果的不确定度评定

水温测量仪测量结果的不确定度评定

黄兴2       史雨辉1,2    李农发2 郑勇1,2 

1 中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室 湖北省武汉市  430071

2 武汉地震科学仪器研究院有限公司 湖北省咸宁市  437000

摘  要  本文介绍了铂电阻温度传感器应用于地震前兆领域的不确定度评定方法。通过分析确定影响水温仪测量结果的不确定度的因素主要有水温仪的分辨率、示值重复性，Pt1000铂电阻的稳定性；恒温槽的不均匀性、波动性；二等标准铂电阻的复现性、周期稳定性；数字多用表引入的误差等。在分析不确定度来源和建立模型后,计算出了A类不确定度、B类不确定度和合成标准不确定度和自由度,最后得出扩展不确定度。

关键词：水温测量仪 铂电阻温度传感器 不确定度 评定

中图分类号：P332.6       文献标识码：A

1引言

WDY-DTW型水温测量仪是由武汉地震科学仪器研究院有限公司自主研发的一款地热前兆观测设计的专用温度测量仪，是地下流体学科主要测试项目之一。本文介绍的水温测量仪由主机、探头及电缆组成。主机部分采用ARM9做为主控制器、24位高精度AD进行数据采集，观测数据可持续24小时实时存储。探头采用高精度1/10B等级Pt1000铂电阻做为温度传感器，采用四线测量法，高精度恒流源通过铂电阻两端，采集其电压值，根据相应换算公式，可实时获取温度探头实时感应到的环境温度，主机将采集到的温度观测数据实时存储。本试验使用高精度的RTS-0A数控恒温槽进行测试（根据测试需要，内部添加防冻液作为介质），利用二等标准铂电阻作为标准源，FLUKE 8508A数字多用表测量二等标准铂电阻的温度值。由于测量误差的存在，为了表征水温仪测量结果分散程度的可信度,需对测量结果进行不确定度分析和评定。

2 水温测量仪的检测

2.1 测量模型的确立

采用比较法进行检定得出测得值的误差，其测量模型如下:

                                                         (1)

式中:       各温度点的示值误差，;

       各温度点的测量值平均值，;

       标准器在各温度点的示值平均值，;

根据方差合成定律,输出量的估计方差是有各输人量的估计方差合成的。

                                               (2)

对公式(2)各分量求偏导,其中各输人量独立不相关,可得输出量估计方差:

                         (3)

式中:灵敏系数c1、c2分别为:

;

2.2 引起不确定度因素的来源分析

影响水温仪测量结果的不确定度的因素主要有水温仪的分辨率、示值重复性，Pt1000铂电阻的稳定性；恒温槽的不均匀性、波动性；二等标准铂电阻的复现性、周期稳定性；数字多用表引入的误差等。

3 不确定度的评定

3.1 测量方法

水温仪高精度的RTS-0A数控恒温槽进行对比测试。将水温测量仪的探头完全浸入恒温水槽中，要求二等标准铂电阻温度传感器与之放置在同一个水平位置上，在水温仪～范围内每5选取一个检定点，共选取21个。每个检定点设定温度后，等待30 min，槽温稳定后每60秒读取--次标准值和被检值，重复读数4次。参照按规范文件的要求，检测水温仪的稳定性选择的检定点在30，这里就以30点为例，并对其进行不确定度分析。

3.2 不确定度的评定

3.2.1水温仪示值重复性引入的不确定的评定（A类）

将恒温水槽设定为30，等待30 min，槽温稳定后每60秒读取一次标准值和被检值，重复读数4次。测试结果见表1所示：

表1  30 WDY-DTW水温测量仪的测试数据

利用极差法（适用于n＜10）计算其实验标准差，,查表得极差系数n=4时，=2.06。依据检定规程,取4次读数的平均值作为测量结果,即

。

3.2.2水温仪的分辨率引入的不确定的评定（B类）

水温仪通过液晶屏进行显示读数，分辨率为0.0001℃，其区间半宽度为0.00005℃，在区间内可认为是均匀分布，，则分辨率引入的不确定=

估计相对不确定度为20%，则其自由度。

由于水温仪的分辨率引入的标准不确定度不小于示值重复性引入的标准不确定度,取两者中的较大者计算输人量T的标准不确定度分量。固分辨率引入的不确定度可忽略。

3.2.3 Pt1000铂电阻的稳定性引入的不确定的评定（B类）

查阅出厂技术资料得知，1/10B等级的铂电阻允许年最大变化量。其区间半宽度为，在区间内可认为是均匀分布，，则Pt1000铂电阻稳定性引入的不确定

=估计相对不确定度为20%，则其自由度。

因此，水温仪输入量T的标准不确定度

3.2.4 二等标准铂电阻的复现性引入的不确定度和电阻比值周期稳定性的评定（B类）

按规程要求，30℃处为, k=2.58;因此；估计相对不确定度为5%，则其自由度。经查二等标准铂电阻检定证书，电阻比值周期稳定性，按均匀分布估算，，则=估计相对不确定度为5%，则其自由度。

3.2.5 FLUKE 8508A数字多用表引入的不确定度的评定（B类）

    查阅FLUKE 8508A数字多用表的原厂技术资料显示，作为温度参数测量时，允差值为，半宽度为，按均匀分布估算，，则=估计相对不确定度为10%，则其自由度。

3.2.6 恒温槽的不均匀性引入的不确定度和波动性引入的不确定度的评定（B类）

查阅RTS-0A数控恒温槽的出厂技术资料，其不均匀性，波动性为，恒温槽的不均匀性、波动性引起的误差服从反正弦分布，其包含因子，

则=，估计相对不确定度为20%，则其自由度。=估计相对不确定度为20%，则其自由度。

因此，由二等标准铂电阻和恒温槽引入的不确定度

以上各项标准不确定度分量是互不相关的，所以合成标准不确定度为:

3.2.7 扩展不确定度的评定

取估计值的置信概率为95%，k=2，则

4 结语

通过对水温仪的测量结果计算分析,得出该水温仪测量结果为:

。WDY-DTW水温测量仪的最大允许误差MPEV，当时，由表1可得，,，，该测量结果经过验证符合要求。

参考文献

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作者简介:黄兴，男，本科，助理工程师；研究方向：从事地震测试计量技术。