溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究

張靈聰

中國石油大慶石油管理局有限公司 技術(shù)監(jiān)督中心計(jì)量檢定測試所 （黑龍江 大慶 163000）

隨著溫度變送器在工業(yè)控溫應(yīng)用中的快速普及，其校準(zhǔn)工作業(yè)務(wù)量也與日俱增。目前校準(zhǔn)工作所依據(jù)的《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》主要是針對實(shí)驗(yàn)室檢測[1-6]，而對現(xiàn)場校準(zhǔn)還存在可操作性較差的問題，致使無法適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境在線檢測。由于現(xiàn)場儀表數(shù)量較多且位置分散，拆卸儀表極易造成儀表損壞及停產(chǎn)停工的不良后果，極大程度地增加了現(xiàn)場儀表維護(hù)人員的工作量和校準(zhǔn)工作的難度，因此在線校準(zhǔn)一直是儀表校準(zhǔn)領(lǐng)域的一大難題。

1 溫度變送器校準(zhǔn)方法

溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。送檢溫變一般分為帶傳感器和不帶傳感器兩種儀表，而現(xiàn)場檢測帶傳感器儀表較為常見，溫變標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號主要為0～10 mA和4～20 mA的直流電信號，具有顯示單元的也可直接顯示測量溫度，工作原理如圖1所示[7]。

圖1 變送器原理框圖

根據(jù)溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范可知，校準(zhǔn)溫度變送器需在溫度為（20±5）℃、相對濕度為45%～75%的環(huán)境條件下將傳感器部分浸沒于標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽內(nèi)，溫場按照儀表量程范圍平均布置多點(diǎn)，由低到高逐點(diǎn)升溫并依次進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)由環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度較小，結(jié)論準(zhǔn)確可靠，但單次檢測儀表數(shù)量少，檢測時(shí)間長，校準(zhǔn)效率極低，檢測人員工作量大。為降低儀表拆卸、搬運(yùn)導(dǎo)致的損失及人員工作量，需及時(shí)開展在線儀表校準(zhǔn)工作。溫度變送器的工作環(huán)境溫度一般為-40～85℃，按照校準(zhǔn)規(guī)范要求，校準(zhǔn)環(huán)境條件至少應(yīng)滿足溫度為15～35℃、相對濕度小于85%，這樣才能確保由環(huán)境變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度不會對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

攜帶便攜式溫場，要求工作溫度范圍為50～300℃，溫場均勻性優(yōu)于0.01℃、波動性優(yōu)于0.03℃，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)及測量范圍為0～30 mA、準(zhǔn)確度等級在0.2級以上的便攜式校驗(yàn)儀。將溫度變速器拆卸后和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)一起放入便攜溫場中，校驗(yàn)儀提供儀表24 V穩(wěn)壓電源并同時(shí)讀取輸出電流值。恒溫溫場依照校準(zhǔn)規(guī)范要求檢定點(diǎn)依次升溫，待溫度源內(nèi)的溫度足夠穩(wěn)定后（一般不少于30 min）[7]，工作人員比照標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)示值依次校準(zhǔn)各檢定點(diǎn)并進(jìn)行記錄。為驗(yàn)證溫場均勻性、穩(wěn)定的時(shí)間下限，對溫場工作范圍包含上下限均勻分布的10個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測量，分別觀察各溫度點(diǎn)達(dá)到均勻性為0.01℃，10 min內(nèi)變化為0.03℃的最低時(shí)限，其中最長的穩(wěn)定時(shí)間為40 min，則判定溫度源均勻、穩(wěn)定時(shí)間下限為40 min。該方法需要模擬實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境，提供穩(wěn)定的恒溫溫場（水平溫場≤0.01℃、垂直溫場≤0.02℃、10 min變化≤0.04℃）[8]。針對現(xiàn)場環(huán)境對便攜溫場的保溫及散熱要求較高，需提供一套獨(dú)立的控溫穩(wěn)定、攜帶方便的便攜式溫場和配套計(jì)算機(jī)軟件操作系統(tǒng)，需要拆卸儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)人員工作量大，對現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)程可能產(chǎn)生影響，校準(zhǔn)速率較低，但校準(zhǔn)結(jié)果可靠性高[9]。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)熱電阻比對現(xiàn)場校準(zhǔn)方法

現(xiàn)場直接在線校準(zhǔn)溫度變送器，由于儀表安裝管路是一個(gè)在一定溫度范圍內(nèi)波動的溫場，無法按照校準(zhǔn)規(guī)范要求對固定溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，故選取變化溫場溫度平均值作為被校點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1 比對校準(zhǔn)方法原理

攜帶標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和熱工儀表校驗(yàn)儀，對于在線使用中的溫度變送器校準(zhǔn)，如果在溫度變送器附近（同一介質(zhì)環(huán)境中）具備溫度計(jì)插孔，可直接插入標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場校準(zhǔn)溫變有溫度計(jì)插孔校準(zhǔn)方法

如果在溫度變送器附近（同一介質(zhì)環(huán)境中）沒有溫度計(jì)插孔，可打開溫度變送器后蓋，拆除溫度變送器模塊的固定螺絲，在溫度變送器傳感器套管內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)熱電阻,如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場校準(zhǔn)溫變無溫度計(jì)插孔校準(zhǔn)方法

分別對溫度變送器和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻記錄10 min內(nèi)示值變化最大值Tmax1、Tmax2和最小值Tmin1、Tmin2，計(jì)算平均值T1、T2，按照溫度變送器基本誤差公式求算被檢表基本誤差，溫度變送器的基本誤差不應(yīng)超過表1的規(guī)定。

表1 溫度變送器準(zhǔn)確度等級及最大允許誤差

溫度變送器基本誤差公式如下：

式中：σA為溫度變送器基本誤差；T1為溫度變送器輸出示值（Tmax1+Tmin1）/2；T2為標(biāo)準(zhǔn)熱電阻輸出示值（Tmax2+Tmin2）/2；S為溫度變送器輸出量程。

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)應(yīng)包含上、下限值（或其附近10%量程以內(nèi)）在內(nèi)至少5個(gè)點(diǎn)，校準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)均勻分布在整個(gè)測量范圍內(nèi)[7]。但在現(xiàn)場校準(zhǔn)工作中應(yīng)以現(xiàn)場使用中的變送器測量標(biāo)的為準(zhǔn)，與甲方溝通只針對常用溫度點(diǎn)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)證書只出具常用點(diǎn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。該方法無需提供獨(dú)立溫場，也不用拆卸儀表，直接在線進(jìn)行校準(zhǔn)工作，不影響現(xiàn)場生產(chǎn)工作進(jìn)程，校準(zhǔn)速度快，但由于校準(zhǔn)點(diǎn)少，溫場不穩(wěn)定，校準(zhǔn)可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證研究。

2.2 符合性試驗(yàn)

溫度變送器校準(zhǔn)工作應(yīng)在穩(wěn)定的恒溫溫場進(jìn)行，但受到現(xiàn)場環(huán)境等因素影響，難以提供符合要求的溫場。而溫變安裝的現(xiàn)場管線環(huán)境區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境的是溫場具有較大波動性及不可控性，被檢表相對標(biāo)準(zhǔn)器示值也有可能存在滯后。為了提高工作效率，減少拆卸、運(yùn)輸工作量，保障校準(zhǔn)結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)提出一種曲線符合性判定的方法來適應(yīng)不穩(wěn)定溫場中的儀表校準(zhǔn)工作。

將標(biāo)準(zhǔn)熱電阻傳感器與溫度變送器傳感器同時(shí)插入溫變套管內(nèi)，確保兩傳感器在同一溫場中插深一致，記錄一定時(shí)間范圍內(nèi)溫變及標(biāo)準(zhǔn)熱電阻溫度變化曲線，利用Excel擬合兩條曲線并計(jì)算相關(guān)系數(shù)[10-12]。為確保該方法的可靠性需現(xiàn)場試驗(yàn)。

選取2塊0.2級高精度、測量范圍為0～100℃的溫度變送器為試驗(yàn)樣本，先將樣本在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，確保樣本符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求并獲取標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值。模擬管道環(huán)境選取試驗(yàn)波動溫場為（30±3）℃和（60±3）℃，分別對兩樣本進(jìn)行校準(zhǔn)，得到測量曲線如圖4、圖5所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，樣本1在（30±3）℃溫場中測量平均溫度為29.85℃，在（60±3）℃溫場中測量平均溫度為59.85℃，誤差均為-0.15℃，滿足要求。樣本2在（30±3）℃溫場中測量平均溫度為29.80℃，在（60±3）℃溫場中測量平均溫度為59.80℃，誤差均為-0.2℃，滿足要求。由于兩樣本測量曲線相關(guān)系數(shù)最小為0.822，則擬判定只要測量曲線相關(guān)系數(shù)不大于0.822，就認(rèn)為樣本儀表滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

再另外選取多個(gè)不同量程同準(zhǔn)確度等級的溫度變送器進(jìn)行反向試驗(yàn)驗(yàn)證符合性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。將儀表在同一模擬溫場內(nèi)進(jìn)行測量，擬合測量曲線，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，將達(dá)到上述判定要求的儀表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，比對校準(zhǔn)結(jié)果是否一致。

圖4 (30±3)℃溫場測量曲線

圖5 (60±3)℃溫場測量曲線

樣本儀表精度高，模擬溫場多點(diǎn)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有代表性，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，可認(rèn)定符合性試驗(yàn)的合理性，判定校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

該曲線擬合法需進(jìn)行大量現(xiàn)場試驗(yàn)，建立完善的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫體系，在大數(shù)據(jù)支持下，方可作為判定依據(jù)的曲線相關(guān)系數(shù)值和相關(guān)試驗(yàn)條件參數(shù)。

3 結(jié)論

1）分析了溫度變送器校準(zhǔn)目前使用的實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場在線校準(zhǔn)方法的利弊。

2）提出了可行性較高的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻比對現(xiàn)場校準(zhǔn)方法。

3）提出并進(jìn)行了樣本符合性試驗(yàn)，驗(yàn)證了校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。

4）新在線校準(zhǔn)方法可以更好地服務(wù)客戶，提高勞動生產(chǎn)率，減少人員工作量，降低生產(chǎn)運(yùn)營成本。

5）本文為溫度儀表在線校準(zhǔn)提供了新思路，也為相關(guān)儀表檢測研究奠定了理論基礎(chǔ)，對其他溫度計(jì)量器具在線檢測具有一定的借鑒意義。

隨著現(xiàn)場試驗(yàn)的穩(wěn)步進(jìn)行和校準(zhǔn)理論的進(jìn)一步完善，在線儀表校準(zhǔn)方法必將快速推廣為溫度類儀表檢測的主要方式。