溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法探討

趙雪 張偉

(北京生物制品研究所有限責(zé)任公司 北京 100176)

因現(xiàn)場(chǎng)可操作性較差，溫度變送器過(guò)去始終以《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》為依據(jù)被局限于實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)。溫度變送器設(shè)備工藝復(fù)雜，包含大量?jī)x表且布置分散，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)操作階段極易出現(xiàn)設(shè)備損壞繼而導(dǎo)致企業(yè)停工、停產(chǎn)問(wèn)題，且如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)階段不確定度的有效評(píng)定始終是應(yīng)用企業(yè)深度研究的問(wèn)題。故從事溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法探討，是提升現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)水平，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要研究舉措。

1 溫度變送器概述

溫度變送器為工業(yè)領(lǐng)域常見(jiàn)設(shè)備，其主要用途為面向工業(yè)過(guò)程溫度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的參數(shù)測(cè)量與控制，常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域包括生物醫(yī)藥、化工、石油、建材、冶金、紡織等。溫度變送器通常分為設(shè)置傳感器、未設(shè)置傳感器兩類，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工況下設(shè)置傳感器型設(shè)備較為常見(jiàn)。在輸出信號(hào)方面，溫度變送器標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)應(yīng)以4～20 mA 與0～10 mA 直流電信號(hào)為主，具備顯示單元的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量溫度直觀顯示。溫度變送器原理示意圖具體見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1 可知，溫度變送器工作原理為將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況下測(cè)得的普通電信號(hào)、物理測(cè)量信號(hào)向通信協(xié)議支持的輸出形式或是標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換，設(shè)備以熱電阻、熱電偶作為溫度測(cè)量元件，設(shè)備運(yùn)行階段，自測(cè)量單元輸出信號(hào)，信號(hào)傳輸至信號(hào)處理/信號(hào)轉(zhuǎn)換單元后，基于穩(wěn)壓濾波處理、運(yùn)算放大處理、非線性校正處理、V/I轉(zhuǎn)換處理以及恒流處理、反向保護(hù)處理后，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成同溫度呈線性關(guān)系的電流信號(hào)。這一過(guò)程，是將交流電流轉(zhuǎn)換成為恒流電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并以連續(xù)的形式向接收裝置輸出[1]。

圖1 溫度變送器原理示意圖

2 溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法研究

2.1 校準(zhǔn)方法

以《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》為依據(jù)，規(guī)范中明確指出溫度變送器校準(zhǔn)工作，要求工作環(huán)境滿足相對(duì)濕度45%～75%，溫度為（20±5）°C，將傳感器部分在標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽內(nèi)浸沒(méi)，溫場(chǎng)方面以儀表的量程范圍為依據(jù)采取平局布置多點(diǎn)形式，遵循從低到高逐個(gè)點(diǎn)升溫原則實(shí)現(xiàn)逐一校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方面，由環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)器所引入的標(biāo)準(zhǔn)具有較小的不確定度，結(jié)論相對(duì)準(zhǔn)確，然而具有檢測(cè)時(shí)間成本高、單次檢測(cè)儀表數(shù)量較少、校準(zhǔn)效率基地以及消耗大量人工成本的缺點(diǎn)，因此目前在線校準(zhǔn)為應(yīng)用領(lǐng)域主要發(fā)展方向。通常，溫度變送器工作環(huán)境溫度要求在-40 °C～85 °C 范圍內(nèi)，基于《校準(zhǔn)規(guī)范》提出的要求，溫度變送器校準(zhǔn)環(huán)境至少需要滿足15 °C～35 °C 條件，且相對(duì)濕度至少滿足達(dá)到85%，如此才可確保設(shè)備校準(zhǔn)工作不會(huì)受環(huán)境因素影響繼而導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果失準(zhǔn)問(wèn)題[2]。

攜帶便攜式溫場(chǎng)工作溫度要求處于50 °C～300 °C范圍之間，且溫場(chǎng)波動(dòng)性優(yōu)于0.03 °C，溫場(chǎng)均勻性優(yōu)于0.01 °C。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與測(cè)量范圍為0～30 mA，且要求便攜式校驗(yàn)儀滿足0.2級(jí)以上準(zhǔn)確度等級(jí)。校準(zhǔn)階段，將溫度變送器拆卸，向便攜溫場(chǎng)內(nèi)一并放入標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，校驗(yàn)儀方面則提供儀表24 V電壓源，一并讀取輸出電流值。恒溫溫場(chǎng)，以《校準(zhǔn)規(guī)范》內(nèi)提出的檢定點(diǎn)依次升溫要求為依據(jù)，等到30 min左右溫度源內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，校準(zhǔn)人員比照標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)顯示值，依次開(kāi)展各檢定點(diǎn)校準(zhǔn)，同時(shí)進(jìn)行操作過(guò)程詳細(xì)記錄。對(duì)溫場(chǎng)均勻性以及穩(wěn)定時(shí)間下限進(jìn)行驗(yàn)證，工作人員需要面向上下限10個(gè)均勻分布的溫度點(diǎn)加以測(cè)試，觀察10個(gè)溫度點(diǎn)是否達(dá)到0.01 °C均勻性，以及10 min內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)?.03 °C最低時(shí)限。檢測(cè)期間，若最長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間為40 min，該情況判定溫度源檢測(cè)結(jié)果為均勻，且為40 min 穩(wěn)定時(shí)間下線。該方法校準(zhǔn)階段，需要模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，于實(shí)際工況內(nèi)提供水平均溫度≤0.01 °C，10 min 變化＜0.04 °C 且垂直溫場(chǎng)＜0.02 °C的穩(wěn)定恒溫溫場(chǎng)。溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)期間，對(duì)溫場(chǎng)散熱、保溫有著較高要求，故工作單位需架設(shè)獨(dú)立的便攜式溫場(chǎng)，同時(shí)配套計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，但拆卸設(shè)備儀表校準(zhǔn)期間需要消耗較高人工成本，即需要大量工作人員參與，盡管校準(zhǔn)結(jié)果具備可靠性，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)可能造成阻礙，且校準(zhǔn)速率較低[2]。

2.2 一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法確認(rèn)

一體化溫度變送器的感溫元件為工業(yè)鉑電阻，在-80 °C～300 °C 環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)階段的方法為將一體化溫度變送器同測(cè)量標(biāo)注近期一并放置于恒溫槽之內(nèi)，盡可能讓二者靠近。隨后，在近似熱平衡狀態(tài)下將包含輸出電流值、顯示溫度在內(nèi)的輸出值，同測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)其溫度直加以比較。一體化溫度變送器，隸屬將溫度變化轉(zhuǎn)換成為具備一定函數(shù)關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表設(shè)備，主要部件包括信號(hào)轉(zhuǎn)換器與傳感器，其中信號(hào)轉(zhuǎn)換器下包括測(cè)量、信號(hào)處理單元。

校準(zhǔn)階段，測(cè)量誤差計(jì)算公式如下。

式（1）中，ΔAt為一體溫度變送器某一溫度點(diǎn)測(cè)量的誤差，單位為mA為一體化溫度變送器某一溫度點(diǎn)附近的實(shí)際輸出均值，單位為mA；Am與tm分別為一體化溫度變送器輸出量程以及輸入的量程，單位分別為mA 與°C；tˉ與t0分別為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)試獲取的平均值以及一體化溫度變送器輸入范圍下限值，單位均為°C；A0為一體化溫度變送器輸出理論下限值[3]。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備5支包含0.5等級(jí)準(zhǔn)確度傳感器的Pt100熱電阻一體化溫度變送器，實(shí)驗(yàn)樣品變送器標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)為4～20 mA，校準(zhǔn)溫度點(diǎn)選擇樣品上限值、下限值、量程50%附近3個(gè)溫度點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)條件下的恒溫槽為正常尺寸，而限產(chǎn)校準(zhǔn)則采用便攜式恒溫槽，且需要以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要為依據(jù)對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，通常生物制藥、工業(yè)、煤炭等工況下以乙醇、硅油、蒸餾水為主[4]。此次試驗(yàn)恒溫設(shè)備參數(shù)具體見(jiàn)表1。

根據(jù)表1 內(nèi)容可知，一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)應(yīng)用便攜式恒溫槽與便攜式油槽，而實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)則主要應(yīng)用制冷恒溫槽、水槽與標(biāo)準(zhǔn)油槽，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)應(yīng)用設(shè)備對(duì)比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用設(shè)備，有著更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

表1 一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)恒溫設(shè)備

2.2.3 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體見(jiàn)表2。

表2 一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出，應(yīng)用此次提出的一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，獲取的校準(zhǔn)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下校準(zhǔn)結(jié)果差值較小，最大差值僅達(dá)到5.2 μA，對(duì)于0.5 級(jí)16 mA 輸出量程一體化溫度變送器占比僅不到7%。

2.3 溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度評(píng)定方法

溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)期間，輸出電流誤差測(cè)量結(jié)果存在不確定度[5]。以配K 分度溫度變送器輸出電流誤差不確定度為例，從事數(shù)學(xué)模型的分析與評(píng)定過(guò)程。

2.3.1 不確定度評(píng)定模型

溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度評(píng)定數(shù)學(xué)模型：

式（2）中，ΔIt為溫度變送器t時(shí)刻之下溫度測(cè)量的誤差；Id為溫度變送器輸出電流值。Im與tm分別為溫度變送器輸出量程與輸入量程；ts與t0分別為溫度變送器輸入的溫度值以及輸入下線溫度值；e與Si分別為補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值與熱電偶特性曲線下各個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)斜率；I0為溫度變送器輸出起始電流的值。

2.3.2Id輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

Id輸入量的不確定度主要源自于兩部分，其中，一種是被校準(zhǔn)溫度變送器測(cè)量重復(fù)性，即u(Id1)測(cè)量重復(fù)性與u(Id2)測(cè)量過(guò)程校準(zhǔn)儀示值誤差。

2.3.3ts輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

ts輸入量的不確定度主要來(lái)源于多功能校驗(yàn)儀設(shè)備示值存在的誤差。校準(zhǔn)期間，受連接導(dǎo)線、環(huán)境濕度與環(huán)境溫度的影響問(wèn)題可忽略不計(jì)，u(ts)多功能校驗(yàn)儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度可采取B類方法加以行動(dòng)。

2.3.4e輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

e輸入量的不確定度，主要源自于補(bǔ)償導(dǎo)線修正值所造成的不確定度。u(e)補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)不確定度同樣可采用B類方法加以評(píng)定。

2.3.5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成

首先，計(jì)算靈敏系數(shù)，即

其次，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算表達(dá)式，計(jì)算期間，Id、ts、e三者關(guān)系為彼此獨(dú)立，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成期間按式（4）進(jìn)行計(jì)算。

最后，開(kāi)展不確定度評(píng)定的擴(kuò)展，取包含因子k=2，95%置信概率，即U=k×uc(ΔIt)，各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量誤差擴(kuò)展不確定度，取上式計(jì)算結(jié)果最大值[6]。

以該文提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度評(píng)定，以300 ℃上限值為例，最終得出拓展不確定對(duì)最大值為20 mA標(biāo)稱值下的6.07 μA，僅為一體化溫度變送器輸出量程0.04%，＜0.5%的1/3，可判定此次面向一體化溫度變送器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，可準(zhǔn)確校準(zhǔn)0.5 級(jí)以及0.5 一下標(biāo)準(zhǔn)的一體化溫度變送器。

3 結(jié)語(yǔ)

該文開(kāi)展溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法探討。首先對(duì)溫度變送器原理加以介紹，隨后對(duì)溫度變送器校準(zhǔn)領(lǐng)域當(dāng)下常見(jiàn)校準(zhǔn)方法的利弊做出分析，并提出具備較高可行性一體化溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度變送器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度評(píng)定方法研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，最終基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明此次提出的方法可實(shí)現(xiàn)0.5 及以下等級(jí)一體化溫度變送器有效的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。目前，溫度變送器應(yīng)用過(guò)越發(fā)普及，各應(yīng)用人員、設(shè)計(jì)單位未來(lái)應(yīng)繼續(xù)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法開(kāi)展深度研究，以全面降低設(shè)備校準(zhǔn)難度，為設(shè)備應(yīng)用企業(yè)帶來(lái)更大便利，從而推動(dòng)應(yīng)用企業(yè)生產(chǎn)率與經(jīng)濟(jì)效益的提升。