熱電阻及其數(shù)字顯示儀表的現(xiàn)場校準技術分析

俞建華

（廣東粵電永安天然氣熱電有限公司，廣東肇慶 526070）

1 熱電阻及其數(shù)字顯示儀表校準需求

某新建機組配備的多種主機、輔機系統(tǒng)具備調溫、監(jiān)視、協(xié)調控制等功能。各系統(tǒng)中溫控系統(tǒng)主要由熱電阻、溫度變送器、溫度表、熱電偶、DCS 控制柜、數(shù)字顯示儀表等多個部分構成。在現(xiàn)場完成各種熱控設備安裝前，按照要求需完成設備校準，保證系統(tǒng)能夠正常運行。如某空冷發(fā)電機空冷系統(tǒng)熱電阻用于冷卻水調門開度調節(jié)，應得到精準控制，防止發(fā)電機內部溫度過高。將熱電阻直接連接數(shù)字顯示儀表，對熱電阻的阻值進行測量，利用電平完成信號放大、非線性校正和A/D 轉換后，可以數(shù)字、圖形方式直觀顯示測量溫度[1]。根據(jù)JJF 1664—2017《溫度顯示儀表校準規(guī)范》要求可知，溫度儀表最大允許誤差應達到量程的±a%，按照準確度等級具體劃分為0.1級、0.2級、0.5級和1.0級，分辨力達到0.1℃。使用數(shù)字顯示儀表測量溫度，要求達到較高測量精度，通常為1.0級。系統(tǒng)采用熱電阻以Pt100為主，根據(jù)需求對熱電阻及其數(shù)字顯示儀表進行校準，首先應完成安全性檢查，確定為絕緣電阻后，完成儀表示值和輸入標準值的差值計算，即儀表示值誤差。

2 熱電阻及其數(shù)字顯示儀表現(xiàn)場校準技術

2.1 校準裝置

在溫度儀表校準方面，主要需要與標準設備比較，因此需提前準備好校準用的溫度傳感器、校準儀表和連接導線，確?？梢孕纬煞€(wěn)定、誤差已知的溫控系統(tǒng)。校準用的溫度傳感器示值誤差應達到0.4%讀數(shù)要求，與測溫端間的距離不超76 mm，并確認安裝位置、方向等固定，確保多次測量獲得的校準數(shù)據(jù)具有較強的可比性。選用Pt100型熱電阻作為校準用傳感器，標準不確定度為0.05℃，輸出溫度范圍在-80～400℃，確認使用的補償導線與儀表相同?，F(xiàn)場使用測溫儀準確度達到±0.0025%，分辨率達0.001℃，可測量被校準熱電阻輸出。校準儀表采用標準鉑電阻溫度計，示值誤差同樣達到0.4%讀數(shù)誤差要求，同時要求具有較高分辨力和環(huán)境適應能力，避免校準結果受環(huán)境過多影響。在儀表校準過程中，需配備計算機軟件記錄測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化校準。將測溫端和儀表與計算機RS-232接口連接，能夠通過軟件自動采集、處理和存儲數(shù)據(jù)。

2.2 校準方法

在儀表校準方面，需在各校準點下完成電信號輸出，對標準模擬傳感器的電信號進行測量，與校準儀表讀數(shù)比較，分析得到儀表示值誤差?？紤]到熱電阻為絕對信號量，測量端不會產(chǎn)生熱電勢，所以無需考慮溫度補償問題。在現(xiàn)場校準過程中，需先完成熱電阻及其儀表的整體校準，然后完成溫控儀表單獨校準。

2.2.1 整體校準

熱電阻屬于絕對量信號，校準操作相對簡單。首先應檢查確認熱電阻外觀良好，傳感器連接無松動，工作溫度范圍和精度等級與校準儀器匹配，周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定且無干擾外部熱源。在安全性檢查中，考慮到熱電阻及儀表使用24 V 直流電源，應使用萬能表完成儀表金屬外殼與輸入端子、接地端子、電源端子間的絕緣電阻測量[2]。連線測量過程中，應穩(wěn)定5 s后讀數(shù)，確定測得電阻至少達到20 MΩ。將熱電阻連接至校準儀表后，啟動溫度校準模式，做好溫度源選擇后，設定溫度值。在儀表達到穩(wěn)定狀態(tài)后，讀取并記錄儀表顯示溫度值，使用校準證書記錄熱電阻實際溫度值和校準儀表顯示數(shù)值。采用校準用的溫控系統(tǒng)自動校準熱電阻，需提前打開電源開關預熱，時間至少達到15 min，可通過軟件錄入被校準熱電阻型號、現(xiàn)場熱源等信息，并做好校準溫度點設置。確認數(shù)字顯示儀表可以正常顯示信息后，在熱電阻溫度上限、下限范圍內設置至少3個校準點開展測試，根據(jù)多次測量平均值計算示值誤差。

對由溫度傳感器和顯示儀表構成的溫控系統(tǒng)的總體修正值展開分析，即標準儀表和待校準儀表的示值之差，方法如圖1所示。考慮到設備自身擁有一定溫度場，一旦溫度波動過大將給測溫傳感器帶來干擾，需配備均溫塊構造恒溫場。在溫控系統(tǒng)中，不同部件間存在信號傳遞誤差，在無法輕松拆下原本溫度傳感器的情況下，需完成系統(tǒng)整體校準。測量結果不確定度主要來自恒溫場溫度波動度，同時包含儀表修正值、熱電阻修正值和校準系統(tǒng)重復性等。在工業(yè)車間現(xiàn)場對溫控系統(tǒng)進行校準，考慮到環(huán)境溫度無法達到穩(wěn)定狀態(tài)要求，標準溫度校準儀將獲得內部補償，給最終示值結果帶來影響，需將補償導線直接連接校準和被校準儀表兩端，使儀表連接熱電阻測量環(huán)境箱內溫度變化。將溫度設定為從20℃逐步升溫至40℃，然后迅速降溫至20℃，確定環(huán)境溫度發(fā)生變化4 h 時校準結果變化不超0.2℃。使用校準證書記錄熱電阻實際溫度值和校準儀表顯示值，發(fā)現(xiàn)偏差根據(jù)儀表功能調整，確保熱電阻調溫精度符合工業(yè)生產(chǎn)要求。

圖1 熱電阻及數(shù)字顯示儀表整體校準

2.2.2 單獨校準

單獨校準數(shù)字顯示儀表，可知儀表用于高溫測量，需要將接收到的傳感器信號轉換為數(shù)字溫度讀數(shù)，要求校準后量值能溯源至國家乃至國際標準。儀表輸入和輸出值均為溫度，現(xiàn)場測試最大允許誤差不超±0.6 ℃或讀數(shù)的±0.1%。將示值誤差當成是儀表校準關鍵指標，應將溫度上限和下限當成是校準點，并在其中至少設置3個混勻分布點。儀表搭配Pt-100熱電阻使用，最大允許誤差為±1.0% FS，分辨率達到0.1℃。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需求，使用三線制連接儀表，內部電橋電路連接導線線阻，達到消除信號干擾的目的。在3根信號線中，將兩根短接，其中一根為中間連接線?？紤]到熱電阻無正負極的分別，可根據(jù)儀表顯示正負值判斷接線是否正確。連接導線選用長度相同的銅導線，將其中兩根連接在標準儀表的共用測量端，連接線電阻測量后確定阻值偏差不超1%。

單獨完成溫控表校準，應直接完成儀表輸入和輸出值測量，并通過比較法完成溫度傳感器和補償導線測量。具體來講，就是將儀表從熱力系統(tǒng)拆下，將導線和測溫元件送至計量部門檢定后，利用標準直流電壓源向溫控表輸入標準信號，將顯示結果與標準值比較，分析得到儀表修正值。實際應用該技術，根據(jù)原熱電阻型號查詢溫度和電阻的對照表，然后使用模擬電阻輸入電壓。此時，為避免儀表和校準儀輸出電壓產(chǎn)生相互干擾，禁止使用校準儀模擬熱電阻功能，而是使用標準器完成熱電阻功能模擬。按照儀表使用規(guī)范要求，設置0℃、100℃、200℃、300℃、400℃共計5個校準點，可知熱電阻標準值將隨著溫度變化而變化。根據(jù)90溫標查找校準點對應電勢值，可使用計算機設定好熱電阻標準值，選擇對應溫度點輸出結果，記錄待校準儀表示值?？紤]到儀表本身溫度補償不準，需現(xiàn)場完成溫度補償端校準，以免引入過多誤差。每次測量過程中，取兩次讀數(shù)的平均值作為結果，在儀表分辨率誤差達到0.1℃的情況下，測量結果末位取值小數(shù)點后一位。使用的校準器的測溫端帶有溫度補償裝置，利用冰點器根據(jù)校準器輸出溫度和儀表示值計算，無法對自帶補償溫度修正值進行校準，導致測量結果不確定度增加。因此現(xiàn)場校準過程中，應校準補償溫度，利用恒溫箱測量校準器補償溫度和測量溫度，根據(jù)二者差值確定補償溫度修正值，換算為相應溫度電勢值，達到提高儀表校準結果精度的目標。

2.3 校準結果

2.3.1 溫控系統(tǒng)校準誤差

從整體校準結果來看，環(huán)境溫度變化給校準結果影響可以按照正態(tài)分布取值，在k=2.58時，現(xiàn)場溫度變化引入的不確定度為u（t環(huán)）=0.2/2.58=0.078℃。建立測量模型展開分析，能夠得到式（1）：

式中，td為被校儀表讀數(shù)平均值，ts為標準器設定輸出，te為補償導線修正值。

表1為各不確定度分量，求取各分量加權平均和，能夠合成得到標準不確定度在0.18～0.35℃。分析擴展標準不確定度，可知在K=2的情況下U=2u（Δt），最終取值在0.4～0.7℃。由于校準不確定度和儀表最大允許誤差間不超1/3，因此溫控系統(tǒng)可以達到整體校準要求。

表1 標準不確定度分量 單位：℃

2.3.2 顯示儀表校準誤差

單獨完成數(shù)字顯示儀表校準，可知儀表補償溫度修正值為-0.18℃，補償溫度顯示值為29.82℃。在溫度場波動度達到±0.02 ℃的條件下，k取值為2，分析得到儀表校準結果擴展不確定度為0.12 ℃。對工業(yè)儀表進行校準，應建立穩(wěn)定的校準系統(tǒng)，避免系統(tǒng)本身存在過大偏差。所以在校準儀表之前，需完成系統(tǒng)修正，通過調整系統(tǒng)輸入值消除這些偏差。在相對惡劣的環(huán)境溫度條件下，采用整體校準法通常無法保證儀表設備測量準確度，容易導致控溫系統(tǒng)測量誤差增加，因此需單獨校準數(shù)字顯示儀表，減少硬件條件引入的誤差。在環(huán)境溫度穩(wěn)定的狀態(tài)下，使用校準儀表分別對熱電阻配套儀表和校準用儀表讀數(shù)進行測量，確定二者差值不超熱電阻調溫最大允許誤差要求，能夠證明儀表示值符合要求。確定儀表示值通過校準后，發(fā)現(xiàn)溫控系統(tǒng)整體示值誤差超出規(guī)定，需做好系統(tǒng)時間比例、PID 參數(shù)等溫度控制參數(shù)調整，確認是否存在熱電阻等溫度傳感器安裝位置偏離設計、鍋爐結構改變等問題。通過逐一排查問題，做好整個溫控系統(tǒng)狀態(tài)調整，能夠使工藝溫度得到有效控制。

3 結束語

使用熱電阻及數(shù)字顯示儀表建立控溫系統(tǒng)，需確保儀表測量達到較高精度要求，確保配套工藝設備維持穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場開展系統(tǒng)校準工作，應結合系統(tǒng)結構和現(xiàn)場條件展開分析，在儀表難拆卸情況下借助校準儀表和計算機系統(tǒng)實施整體校準，根據(jù)各部分修正值求得系統(tǒng)修正值，確認校準結果不超最大允許誤差要求，且結果不確定度符合要求。在現(xiàn)場環(huán)境惡劣的情況下，可單獨校準數(shù)字顯示儀表，做好各項控制參數(shù)調整，最終使測溫系統(tǒng)達到國家計量標準要求。