嵌入溫場型溫度記錄儀的校準方法研究

韓志鑫，付志勇，霍志民，陳桂生，楊銳，趙茜

（1.中國測試技術研究院，四川成都 610021；2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川成都 610303）

嵌入溫場型溫度記錄儀的校準方法研究

韓志鑫1，付志勇1，霍志民2，陳桂生1，楊銳1，趙茜1

（1.中國測試技術研究院，四川成都 610021；2.攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川成都 610303）

為完善嵌入溫場型溫度記錄儀相關的實驗室校準方法，針對目前其校準方法存在的問題，分析它的測量原理和實際工作環境，按照使用手冊和現有檢定規程，提出將記錄儀置于可接受的不同的工作環境溫度下進行校準的方法，并且按照提出的校準方法完成了實驗和數據分析。實驗結論證明了所提出的嵌入溫場型溫度記錄儀校準方法的正確性和必要性。

熱處理爐；溫度監測；嵌入溫場型溫度記錄儀；測量原理；校準方法

0 引言

嵌入溫場型溫度記錄儀是測溫儀器之一，能夠通過內置或者外接溫度傳感器在線動態監測環境溫度的變化，具有自動記錄數據、存儲數據、并將數據以無線或者有線方式傳輸至PC機的功能[1]。記錄儀工作環境溫度多樣，例如應用于冷鏈冷藏、窯爐溫度、熱處理爐溫度、電子產品老化溫度、電子線路板貼焊溫度等環境下的記錄儀，其內部電路各種元件和外置或內置傳感器物理特性在極端溫度條件下均可能發生變化。所以，一方面為了確保儀器的準確性和穩定性，有必要對儀器進行周期校準；另一方面，為使實驗室校準數據更加符合記錄儀現場使用，其校準方法應區別于常溫工作環境下記錄儀的校準方法。因此，根據測量原理和技術指標，按照生產企業提供的儀器使用說明書和現有數字溫度指示調節儀檢定規程，對嵌入溫場型溫度記錄儀的校準方法進行研究。

1 測量原理

嵌入溫場型溫度記錄儀主要由溫度傳感器、測量單元、放大單元、A/D轉換單元、CPU、存儲電路組成，見圖1。測量時，溫度傳感器信號經過測量單元轉換為電壓信號，電壓信號再將經過放大、A/D轉換后，按照設置要求由CPU進行實時處理、存儲[2]。對于有線通信的記錄儀，測量結束后，將記錄儀通過數據線纜直接與PC機連接，運行相應軟件，可顯示、處理、打印相應的溫度測量數據；對于無線通信的記錄儀[3]，在數據采集的過程中可直接將數據從發射器傳送至接收器，PC機實時進行數據處理任務。

圖1 溫度記錄儀原理圖

用于監測窯爐溫度、熱處理爐溫度、電子產品老化溫度、電子線路板貼焊溫度等環境下的嵌入溫場型溫度記錄儀，由于工作環境溫度過高，引起記錄儀內部元件工作異常，導致測量數據會存在較大誤差。因此，在實際現場溫度監測時，必須對記錄儀施加保護，將記錄儀裝入隔熱箱[4]后再將其整體放入監測溫場中，見圖2。

圖2 嵌入溫場型溫度記錄儀現場使用示意圖

2 校準記錄儀存在的問題

在現場溫度檢測中，嵌入溫場型溫度記錄儀的實際工作溫度也會隨著被監測溫場的變化而變化。例如，在工業窯爐現場環境條件下，將溫度記錄儀放入隔熱箱后，隨著傳送帶移動，記錄儀的工作環境溫度也在逐漸升高，最終能夠達到60℃甚至更高。若在環境溫度為（20±5）℃時校準溫度記錄儀，此時環境溫度與記錄儀的工作環境溫度是有明顯差別的。其校準結果與實際使用時測量的結果可能有較大變化，不能反映儀器實際工作時的測量準確性。為更加接近真實的工作環境，使校準數據更加有利于實際使用，應該將記錄儀置于可接受的不同的工作環境溫度下進行校準。因此，選取了不同廠家、不同型號的記錄儀進行試驗，本文選取其中3種型號，并且每個記錄儀各選用3個通道的數據進行說明。它們分別為：Oven tracker XL2（記錄儀1），最大內部工作溫度85℃，分辨力0.1℃，最大允許誤差±0.3℃；KIC start（記錄儀2），最大內部工作溫度105℃，分辨力0.1℃，最大允許誤差±1.2℃；Datapaq 9000（記錄儀3），最大內部工作溫度70℃，分辨力0.5℃，最大允許誤差±1.0℃。

3 校準方法及測量器具

3.1 校準方法

將不帶隔熱箱的記錄儀與標準器按照規程[5]規定的校準方法接線。打開記錄儀電源，設定采樣時間間隔，將其放入試驗箱中。設定試驗箱溫度在第一個工作環境溫度點，進行控溫。在箱體內溫度達到設定溫度點30min以后，波動度小于±0.2℃時，采用輸入標稱電量值法，從記錄儀溫度校準點下限開始向記錄儀各通道輸入各溫度校準點所對應的標稱電量值，每一溫度校準點至少恒定4次采樣時間間隔，直至上限；然后減小輸入信號，分別向記錄儀各通道輸入各溫度校準點所對應的標稱電量值，每一溫度校準點至少恒定4次采樣時間間隔，直至下限。其中校準溫度點不應少于5個，一般應選擇包括測量量程的上、下限在內的，原則上均勻的整十或整百攝氏度點。

第1個工作環境下的測量結束后，設定試驗箱溫度在第2個工作環境溫度點，再按照上述方法，完成所有的工作環境溫度點的校準實驗。一般選取的工作環境溫度點為20℃、40℃、60℃。

3.2 測量標準的選擇

對嵌入溫場型溫度記錄儀的校準采用標稱電量值法，標準器可選用溫度校驗儀，其技術指標為誤差小于被校儀表允差的1/5。

嵌入溫場型溫度記錄儀的工作環境溫度一般可達60℃，因此可以選擇標準水銀溫度計測量環境溫度，選用試驗箱作為恒定溫場。其中試驗箱的技術指標為：溫度均勻性[6-8]不超過0.5℃，溫度波動性不超過±0.5℃/30min。

校準時，選用的標準器及配套設備見表1，其各項技術指標應滿足上述技術要求。

表1 測量標準及設備技術指標

3.3 數據處理

采用標稱電量值法，按式（1）計算

式中：Δt——溫度記錄儀的示值誤差，℃；

td——儀表記錄的溫度值，℃；

ts——標準儀器輸入的電量值所對應的被校溫度值，℃；

e——補償導線的修正值，mV；

Si——被校準點微分電勢，mV/℃；

±b——儀表顯示的分辨力，+、-號與前兩項的計算結果的符號相一致，℃。

4 實驗數據分析

將3種溫度記錄儀分別處于環境溫度為20℃、40℃、60℃，相對濕度不超過85%的環境下。采用本文校準方法，計算平均值，得到測量誤差[9-10]。各記錄儀每個通道在3個工作環境溫度下測量結果的比較如圖3所示。可以看出，記錄儀1在20℃時，各個通道的測量誤差均已經超出技術指標（最大允許誤差±0.3℃）要求。隨著環境溫度的升高，各個通道的測量誤差有向負值轉轉變的趨勢。其中通道1在20℃的測量誤差為-0.6℃，為最大允許誤差的2倍。在60℃時，通道1最大誤差達到-1.7℃。從20℃到60℃，其測量誤差偏移量超出最大允許誤差近4倍，從而導致60℃的測量誤差達最大允許誤差近6倍。

從圖4可知，雖然記錄儀2在20℃和60℃時的測量誤差均滿足技術指標（最大允許誤差±1.2℃）要求。但是，可以看出隨著環境溫度的升高，其測量誤差有向負值轉變。從20℃到60℃，各個通道測量誤差的最大偏差均達到-0.8℃。

如圖5所示，記錄儀3在20℃時的測量誤差值較小，各個通道誤差最小值均為0℃，通道1和通道3的誤差最大值僅為+0.5℃和-0.5℃，滿足技術指標（±1.0℃）要求。當環境溫度變為60℃時，3個通道均不滿足技術指標要求，最大測量誤差分別達到了-2.0℃、-2.5℃和-3.0℃，為最大允許誤差的2倍、2.5倍和3倍。

由此得出，嵌入溫場型溫度記錄儀在不同的環境溫度下工作，其測量誤差會有所差別。若只在環境溫度為（20±5）℃的狀態下校準記錄儀是不夠科學和準確的，校準數據并不能夠完全表示出其工作狀態下的測量數據。所以，在校準溫度記錄儀時，必須考慮其實際工作環境溫度，在其可接受的不同工作環境溫度下進行校準工作，以保證記錄儀實際工作使用時的測量準確性。

圖3 記錄儀1各通道測量誤差比對

圖4 記錄儀2各通道測量誤差比對

圖5 記錄儀3各通道測量誤差比對

5 結束語

本文針對嵌入溫場型溫度記錄儀的校準方法進行了研究，通過實驗數據分析表明提出的校準方法是必要的，可以達到技術指標要求，校準方法在實驗室實施是可行的。

[1]陳海松，李益民.基于單片機的溫度檢測記錄儀的設計[J].自動化與儀器儀表，2011（4）：83-87.

[2]張金敏.基于數據融合的陶瓷窯爐溫度記錄儀的研究[J].自動化與儀器儀表，2010（4）：116-118.

[3]龐永敏.利用無線溫度記錄儀校準高壓滅菌鍋的溫度[J].上海計量測試，2011（6）：46-47.

[4]文麗松，高磊.真空爐、氣氛保護爐爐溫在線檢測系統研制[J].計測技術，2010（30）：58-61.

[5]JJG 617—1996數字溫度指示調節儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，1996.

[6]國防科工委科技與質量司.熱學計量[M].北京：原子能出版社，2002.

[7]JJF 1001—1998通用計量術語及定義[S].北京：中國計量出版社，1998.

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[9]JJF 1094—2002測量儀器特性評定[S].北京：中國計量出版社，2002.

[10]JJF 1059—1999測量不確定度的評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.

Research on calibration method of embedded tem perature field recorder

HAN Zhi-xin1，FU Zhi-yong1，HUO Zhi-min2，CHEN Gui-sheng1，YANG Rui1，ZHAO Qian1
（1.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；
2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，LTD.，Chengdu 610303，China）

In order to promote the relevant calibration mthods for the embedded temperature field recorder，and overcome the problem existing in the present calibration methods，this paper analyzed the principle of measurement and the actual working environment，and put forward the calibration method which can put the calibrating recorder in different and acceptable temperature working environment according to the user manual and the verification regulation.The calibration experiment was completed in accordance with the proposed calibration method，and the experimental data were analyzed.The experimental results proven that the calibration method of embedded temperature field recorder is correct and necessary.

heat treatment furnace；temperature monitoring；embedded temperature field recorder；measurement principle；calibration method

TB942；TH811；TP206+.1；TP216

A

1674-5124（2013）03-0024-03

2012-10-13；

：2012-12-25

韓志鑫（1982-），男，內蒙古呼和浩特市人，助理工程師，碩士，主要從事溫度計量與測試研究。