熱工儀表原位校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

布光斌　郝　佳

(中國人民解放軍91181部隊(duì)，大連 116001)

0　引言

熱工參量(熱工過程與控制中的溫度、壓力、真空、流量、熱物性、熱能等)的準(zhǔn)確測(cè)量與控制，在武器裝備研制、裝備使用保障、一般工業(yè)過程以及材料加工等領(lǐng)域，都是必不可少的。為保證熱工儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性，目前通常采用傳統(tǒng)離線校準(zhǔn)的標(biāo)校方法。由于離線校準(zhǔn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下通過比較待測(cè)儀表與更高等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器來實(shí)現(xiàn)量值的標(biāo)定，通常具有精度高的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)一些特殊的應(yīng)用需求環(huán)境而言，如儀表不便反復(fù)拆卸、送檢周期不穩(wěn)定、測(cè)試環(huán)境復(fù)雜等條件下，離線校準(zhǔn)的不足之處則顯現(xiàn)得十分突出。本文在綜述熱工儀表離線校準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)特殊使用需求，提出了熱工儀表原位校準(zhǔn)方法，并總結(jié)出原位校準(zhǔn)的技術(shù)關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，熱工儀表的原位校準(zhǔn)是保障熱工參量在線測(cè)量有效的必要技術(shù)手段。

1　熱工儀表及其作用

熱工儀表指的是對(duì)熱工過程控制中的熱工參量進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控、記錄的儀表。本文針對(duì)部隊(duì)的特殊使用需求，重點(diǎn)討論溫度、壓力、流量這三類典型的熱工儀表。

按照測(cè)量的量程和準(zhǔn)確度水平要求，常用的壓力儀表有數(shù)字壓力計(jì)、壓力變送器、彈性元件式壓力儀表等[1]；按照測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件，常用的溫度儀表分為接觸測(cè)溫儀表和輻射測(cè)溫儀表，接觸測(cè)溫儀表又分鉑電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱敏電阻等；按照測(cè)量的流體種類、安裝條件和準(zhǔn)確度水平，常用的流量?jī)x表可分為差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、質(zhì)量式流量計(jì)、速度式流量計(jì)等。

由于長(zhǎng)期使用，這些儀表都可能存在漂移、性能下降、損壞等情況，因此需要定期對(duì)其計(jì)量性能進(jìn)行檢測(cè)，以確定其是否能夠正常工作和提供所要求的量值。

2　傳統(tǒng)離線校準(zhǔn)方法及存在的問題

2.1　壓力儀表離線校準(zhǔn)

針對(duì)彈性元件式壓力表，現(xiàn)行有效的檢定規(guī)程主要是JJG 49—2013《彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程》和JJG 52—2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》。根據(jù)檢定規(guī)程，被檢壓力表需要與標(biāo)準(zhǔn)器連接在同一個(gè)校驗(yàn)器上，進(jìn)行滿量程的檢定[2-5]。該檢定方法對(duì)于艦船上使用的壓力表來說存在以下不足之處：一是在拆卸被測(cè)壓力表時(shí)對(duì)儀表接頭、安裝位置的密封件會(huì)造成磨損，可能影響其密封性。二是對(duì)于只使用一個(gè)或幾個(gè)固定壓力值的壓力表而言，對(duì)全量程(特別是測(cè)量范圍上限)的檢測(cè)實(shí)際意義并不大。相反，國內(nèi)彈性元件式壓力表的質(zhì)量和耐用性并不理想，幾次加壓到上限壓力后可能對(duì)彈性元件造成不利影響，反而使得其他壓力點(diǎn)示值不準(zhǔn)。第三，壓力表拆下送檢，往往周期較長(zhǎng)，可能影響使用，也不利于管理。

2.2　溫度儀表離線校準(zhǔn)

對(duì)于接觸式溫度儀表，傳統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)方法通常將測(cè)溫元件和儀表在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分別檢定。比如工業(yè)中大量使用的熱電偶，一般在使用之前或使用一定時(shí)期后，從安裝現(xiàn)場(chǎng)拆分下來，送至計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，在設(shè)定的恒溫環(huán)境中，與較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行比較[6]。然而，離線式校準(zhǔn)方法具有不可忽略的局限性，對(duì)于很多工業(yè)過程，測(cè)量?jī)x表一旦安裝后很難再拆裝。

對(duì)于輻射式溫度儀表，通常在實(shí)驗(yàn)室使用變溫黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源[7]，對(duì)被校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)。

同樣，離線式校準(zhǔn)輻射溫度計(jì)具有不可忽略的缺點(diǎn)，對(duì)于很多高溫環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室條件往往差異較大，如測(cè)量目標(biāo)發(fā)射率的動(dòng)態(tài)變化、觀察窗口的污染、傳遞輻射介質(zhì)干擾、目標(biāo)周圍高溫環(huán)境反射影響等，導(dǎo)致離線校準(zhǔn)往往難以包含真實(shí)的在線測(cè)量環(huán)境影響，從而難以保證輻射法測(cè)溫在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.3　流量?jī)x表離線校準(zhǔn)

流量計(jì)的檢定一般在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下完成，也就是我們通常所稱的離線檢定[8-11]。依據(jù)各自相應(yīng)的檢定規(guī)程，對(duì)各種流量計(jì)進(jìn)行檢定。

實(shí)驗(yàn)室檢定存在以下問題：檢定介質(zhì)同實(shí)際測(cè)量介質(zhì)可能不一樣，其物性參數(shù)也就不同；檢定時(shí)的工況如溫度、壓力等同流量計(jì)的應(yīng)用工況不一致；流量計(jì)的安裝型式同現(xiàn)場(chǎng)也存在很大差異；流量計(jì)的安、拆、裝對(duì)流量計(jì)有損耗，檢定后可能會(huì)出現(xiàn)問題。以上問題表明，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)流量計(jì)所做的檢定或性能評(píng)價(jià)，同流量計(jì)實(shí)際使用性能還是有差別的。

2.4　離線校準(zhǔn)在特殊應(yīng)用中存在的問題

基于以上分析不難看出，離線校準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)室條件下可以有效保障熱工儀表的溯源和量值測(cè)量的準(zhǔn)確性，但對(duì)于某些特殊應(yīng)用，如儀表不便反復(fù)拆卸、檢定條件與使用條件差異大等情況下，離線校準(zhǔn)方法尚存在不少問題，具體體現(xiàn)在：

1)離線校準(zhǔn)通常要求儀表拆卸后送至計(jì)量實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，反復(fù)拆裝增加了對(duì)儀表的損壞風(fēng)險(xiǎn)；同樣，對(duì)于高壓或負(fù)壓管路，多次安裝可能造成泄漏風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于很多工業(yè)過程，一旦安裝后很難再拆裝，且現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室條件相差較大，難以監(jiān)測(cè)和保證測(cè)溫系統(tǒng)在使用過程中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2)離線校準(zhǔn)通常要求滿量程標(biāo)定，上限量程使用增加了儀表的損壞風(fēng)險(xiǎn)。比如壓力儀表，可能平常只在中間量程使用，檢測(cè)時(shí)需加載至高量程，加快了儀表的磨損和損壞。

3)儀表拆卸檢測(cè)的用時(shí)較長(zhǎng)，不利于使用和管理。

4)離線校準(zhǔn)無法復(fù)現(xiàn)在線測(cè)試中的復(fù)雜環(huán)境條件，使用條件對(duì)儀表計(jì)量性能的影響有時(shí)會(huì)大大超過其標(biāo)明的準(zhǔn)確度水平。

3　原位校準(zhǔn)方法

3.1　原位校準(zhǔn)的基本原理

原位校準(zhǔn)是指在熱工儀表使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，不需要將熱工儀表拆卸后送至計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，避免了儀表和結(jié)構(gòu)的拆卸、分解和安裝，節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，同時(shí)杜絕因拆裝不當(dāng)造成的人為故障和損傷。更重要的是，原位校準(zhǔn)條件與使用條件一致，有效克服了離線校準(zhǔn)最大的缺點(diǎn)——無法復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的使用環(huán)境條件。原位校準(zhǔn)通常表現(xiàn)為在線校準(zhǔn)，一定程度上包含現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

3.2　原位校準(zhǔn)方法

3.2.1經(jīng)常性在線比測(cè)校準(zhǔn)

在儀表使用現(xiàn)場(chǎng)，通過合理地設(shè)置一個(gè)可以加裝計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的接口，使該處儀表感受到的量值與安裝被檢儀表處的量值保持一致。在此接口上接裝計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，采用直接比較的方法即可實(shí)現(xiàn)儀表的原位校準(zhǔn)。該方法的缺點(diǎn)是依賴現(xiàn)場(chǎng)條件，可能在校準(zhǔn)時(shí)無法全量程覆蓋使用范圍。

比如對(duì)于壓力表，可以在安裝被測(cè)壓力表的管道附近加裝三通、閥門和接頭，形成另一個(gè)與被測(cè)壓力表等壓的接口(可稱之為校準(zhǔn)口)。在日常使用時(shí)，只需將閥門關(guān)閉，完全不影響正常使用。當(dāng)需要校準(zhǔn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)安裝在校準(zhǔn)口上，打開閥門，使被測(cè)表與標(biāo)準(zhǔn)表連通，即可比較當(dāng)前壓力下二者的示值，從而實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)。

類似的方法也可應(yīng)用于接觸式測(cè)溫儀表[12-14]，當(dāng)然是在溫度準(zhǔn)確度要求不太高，也就是兩測(cè)量點(diǎn)的溫度差值的影響可以忽略的情況下使用。

此外，對(duì)用于貿(mào)易交接的流量計(jì)進(jìn)行在線檢定，已經(jīng)成為具有計(jì)量法規(guī)依據(jù)的成熟方法而被廣泛使用。當(dāng)然使用在線檢測(cè)的前提是能夠在管道中串聯(lián)流量標(biāo)準(zhǔn)器，如艦船上用于為飛機(jī)加油的流量計(jì)，由于管路與加油口間用可拆卸的軟管連接，中間可以很方便地串接標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)。由于流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件與實(shí)驗(yàn)室不同，所以在線檢測(cè)可以包含現(xiàn)場(chǎng)管路條件的影響，因此在線檢定能夠更完整準(zhǔn)確地對(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行評(píng)定。

3.2.2加裝在線計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)源

加裝標(biāo)準(zhǔn)源可實(shí)現(xiàn)儀表在測(cè)量過程中的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量參數(shù)的量值范圍由標(biāo)準(zhǔn)器提供，具有更高靈活性。但不是所有儀表都有條件在線加裝計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，有時(shí)加裝計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器需對(duì)原有工藝管線有較大改造。

比如，在需要輻射測(cè)溫的裝備上配備在線黑體輻射源，可以實(shí)時(shí)原位校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控輻射測(cè)溫儀表的技術(shù)狀態(tài)，保證其可用性[15-16]。在線黑體輻射源的光譜亮度溫度的量值，可定期使用現(xiàn)場(chǎng)單位實(shí)驗(yàn)室的黑體輻射源在使用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，用光譜亮度溫度直接比較法進(jìn)行校準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)黑體輻射源則可定期送至軍事計(jì)量部門的實(shí)驗(yàn)室使用軍用黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。軍用黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)則可溯源至國家黑體輻射源標(biāo)準(zhǔn)，直至SI單位開爾文。從而實(shí)現(xiàn)軍事裝備量值準(zhǔn)確一致并可有效溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

當(dāng)以上在線校準(zhǔn)難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是：儀表可以在使用現(xiàn)場(chǎng)快速拆卸、檢測(cè)和安裝，縮短檢測(cè)周期，從而降低管理成本。比如避免了現(xiàn)場(chǎng)拆卸后附件的保管、儀表安裝孔的保護(hù)、以及運(yùn)輸過程中可能的磕碰等。

比如對(duì)于接觸測(cè)溫方法，將便攜式恒溫箱帶到儀表使用現(xiàn)場(chǎng)。以熱電偶測(cè)溫為例，選用對(duì)應(yīng)的更高等級(jí)熱電偶或鉑電阻溫度計(jì)作為參考測(cè)溫傳感器，并采用合適量程的數(shù)顯儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

3.3　原位校準(zhǔn)的技術(shù)關(guān)鍵

3.3.1安裝條件

實(shí)現(xiàn)原位校準(zhǔn)是需要現(xiàn)場(chǎng)條件的，簡(jiǎn)單說就是要有能夠安裝計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的條件，要有能夠形成比較穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境的條件。現(xiàn)場(chǎng)安裝也需要有移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)器可以在現(xiàn)場(chǎng)使用。在以上條件不能滿足時(shí)，有時(shí)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管路進(jìn)行改造。

例如，原位檢測(cè)壓力計(jì)時(shí)需要考慮校準(zhǔn)口安裝標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)之后的壓力參考位置高度與被測(cè)表安裝高度基本保持一致，避免過大的高度差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，校準(zhǔn)口最好選用可靠耐用且方便拆裝的接頭形式。原位檢測(cè)流量?jī)x表時(shí)需要管路中可以串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，且應(yīng)有安裝溫度、壓力測(cè)量?jī)x表的位置，以便于做相應(yīng)的修正。

3.3.2量值溯源鏈的完整性

原位校準(zhǔn)并不是降低要求的計(jì)量，其計(jì)量準(zhǔn)確度必須與離線校準(zhǔn)一樣給予保證。因此需要量值傳遞鏈連續(xù)，特別是作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具的在線計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，應(yīng)有有效的校準(zhǔn)方法和傳遞方法，在現(xiàn)場(chǎng)使用前后都應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，兩次校準(zhǔn)的差異應(yīng)被評(píng)估。

3.3.3計(jì)量方法的科學(xué)性

計(jì)量方法應(yīng)有完整的量值傳遞的不確定度評(píng)估鏈。如對(duì)于壓力量值，就要分析氣源的穩(wěn)定性、管路內(nèi)氣體對(duì)流、安裝位置高度、標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)準(zhǔn)確度水平等等，綜合評(píng)估后得到在線校準(zhǔn)壓力計(jì)的計(jì)量水平，并形成規(guī)范方法。

3.3.4量值保證方案

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀表是有檢定周期的，在線檢測(cè)需要根據(jù)儀表本身的特性，儀表計(jì)量準(zhǔn)確度的要求，現(xiàn)場(chǎng)條件和以往檢測(cè)結(jié)果變化情況確定相應(yīng)的檢測(cè)周期。特別是當(dāng)被檢儀表示值與標(biāo)準(zhǔn)器示值差異超過允許范圍后，需要拆下送檢或更換。這些技術(shù)指標(biāo)的確定是量值保證的關(guān)鍵點(diǎn)，需要通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算確定。

4　結(jié)論

原位校準(zhǔn)是伴隨著對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果有效、測(cè)量過程快捷、儀表管理有序而發(fā)展起來的校準(zhǔn)方法，相對(duì)離線校準(zhǔn)而言具有優(yōu)勢(shì)，避免了儀表的拆卸、分解和安裝，節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，同時(shí)杜絕因拆裝不當(dāng)造成的人為故障和損傷。更重要的是，原位校準(zhǔn)條件與現(xiàn)場(chǎng)使用條件一致，能夠在有效保障儀表準(zhǔn)確的同時(shí)實(shí)現(xiàn)量值有效，也就是在一定程度上，從對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)儀表的校準(zhǔn)(或檢定)拓展為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件下的校準(zhǔn)(或檢定)乃至對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的校準(zhǔn)。由于具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，相信原位校準(zhǔn)方法會(huì)得到快速發(fā)展。同時(shí)，為了保證儀表測(cè)量結(jié)果的有效性，應(yīng)對(duì)該方法的技術(shù)細(xì)節(jié)做深入分析，形成保證測(cè)量結(jié)果有效的技術(shù)方法，并持續(xù)完善，形成技術(shù)規(guī)范。

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