關于溫度變送器的現場校準及數據處理

韓麗麗

【摘 要】 本文介紹了在工業生產過程中應用的溫度變送器在現場的校準方法以及所涉及到的由標準設備與被校溫度變送器引起的輸出電流測量結果不確定度的評定。

【關鍵詞】 熱電阻測溫 ?熱電偶測溫 ?冷端溫度補償 ?測量結果不確定度評定

1 引言

溫度的檢測和控制是工業生產過程中比較廣泛的應用之一，溫度變送器是一種將現場采集的溫度信號變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業過程溫度參數的測量和控制。

2 溫度測量系統的組成部分及溫度變送器的工作原理

熱電阻測溫的基本原理是先將溫度的變化轉化成熱電阻的變化，然后再由溫度變送器將電阻的變化轉化成電壓的變化，計算機通過對電壓的采樣和計算便可得到溫度值。在寶鋼不銹鋼熱軋廠工程檢修中用于測溫的熱電阻一般為Pt100規格的熱電阻，Pt100熱電阻測溫元件是0℃時其輸出電阻為100Ω。之后，隨著溫度的提高熱電阻值呈非線性增加。

熱電偶測量溫度的基本原理是利用材料的熱電效應。將兩種不同成分的金屬導體首尾連接成閉合回路，如果兩連接點的溫度不等，則在回路中就會產生熱電動勢，形成熱電流，這就是熱電效應。熱電偶就是將兩種不同的金屬材料一端焊接而成。焊接的一端叫做測量端，未焊接的一端叫做參考端。參考端在使用時通常恒定在一定的溫度（如0℃）。當對測量端加熱時，在接點處有熱電勢產生。如參考端溫度恒定，其熱電勢的大小和方向只與兩種金屬材料的特性和測量端的溫度有關，而與熱電極的粗細和長短無關。當測量端的溫度改變后，熱電勢也隨之改變，并且溫度和熱電勢之間有一固定的函數關系，利用這個關系就可以測量溫度。在寶鋼不銹鋼熱軋廠工程檢修中用于測溫的熱電偶一般為K、S型熱電偶。

溫度變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻;信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成，有些變送器增加了顯示單元，有些還具有現場總線的功能。熱電偶和熱電阻來的信號輸入到變送器的輸入端，輸入端為一個不平衡電橋，當溫度變化時，電橋失去平衡，橋路將有電壓輸出，經放大后變送器輸出（4～20）mA直流電流信號。輸出的直流信號又經反饋回路輸入到放大器的輸入端，保證了輸入和輸出的線性度。我實驗室主要校準的是不帶傳感器的變送器。

3 校準設備的選擇與校準的過程

3.1 校準設備的選擇

校準時所用到的標準器及配套設備需要考慮它們所引入的擴展不確定度U（k=2）至少應不大于被校變送器最大允許誤差絕對值的1/3。像我實驗室用到的為多功能校驗儀、直流電阻箱、補償導線、0攝氏度恒溫槽以及直流電流表等標準裝置。

3.2 溫度變送器校準主要項目就是測量誤差的校準

3.2.1 熱電偶溫度變送器的校準

熱電偶溫度變送器冷端的溫度補償是由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，熱電偶溫度變送器冷端的溫度補償不起補償作用。那么在通常的測量中要求冷端的溫度恒定，把T0定為常數，此時熱電偶的熱電勢就是被測介質溫度的單值函數，即Et=f（T）。熱電偶分度表中的熱電勢是在冷端溫度T0=0℃的條件下測得的，只有滿足T0=0℃的條件，才能直接應用分度表。在工程測量中，冷端溫度不是0℃或隨環境溫度的變化而變化，這樣將引入測量誤差，因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度T0≠0℃時對測溫的影響。

若冷端溫度波動時有以下幾種修正方法：（1）熱電勢修正法;（2）補償導線法;（3）冷端恒溫法;（4）輔助熱電偶法。我實驗室在現場校準時采用的是補償導線法和熱電勢修正法來進行修正的，在實驗室校準時采用的是冷端恒溫法和補償導線法來進行修正的。這里主要闡明在現場工業檢修工程中校準的方法。

（1）在現場校準前的準備工作為校準時的設備連接——尤其是熱電偶輸入的變送器，具有參考端溫度自動補償時，應采用補償導線法進行接線校準如圖1所示，其溫度變送器兩線制輸出部分接線校準如圖2所示。

多功能校驗儀的熱電偶校準功能是一種根據各類熱電偶的分度號按溫度值直接輸出電勢值的儀器，并具有冷端溫度自動補償的功能。校準時多功能校驗儀的輸出阻抗相對于被校熱電偶溫度變送器儀表的輸入阻抗要足夠小，否則將產生較大的測量誤差。如上圖所示輸入部分的接線方法，其中連接導線應為與熱電偶分度號相配的補償導線。熱電偶溫度變送器冷端的溫度補償極性不能接錯。

（2）校準前的調整。在實際的校準過程中多功能校驗儀設定為與被校的溫度變送器對應的熱電偶分度號，其帶內部自動補償的功能（也就是說如果室溫是20℃，那么查標準分度數據表，得到E（20，0）電勢值;校驗T溫度時，將該值減去，即E（T，0）-E（20，0）=E（T，20）;這個E（T，20）就是你在20℃時T的mV值），那么可以用改變輸入溫度信號的辦法對相應的輸出下限值和輸出上限值進行調整，使它與標準的下限值和上限值相一致。在測量的過程中不允許調整零點和量程。

（3）校準的過程。校準點的選擇是按量程均勻分布的，一般是包括上限值、下限值和量程50%附近在內不少于5個點，通過從下限開始平穩地輸入各被校點對應的溫度信號值，讀取并記錄輸出值直至上限;然后反方向平穩地改變輸入信號依次到各個被校點，讀取并記錄輸出值直至下限。如此為一次循環，須進行三個循環的測量。在接近被校點時，輸入信號應足夠慢，以避免過沖，以此來看溫變是否準確。用比較法計算各被校點三次循環得出的平均值與標準輸出值的差值，得出各被校點的誤差。endprint

3.2.2 熱電阻溫度變送器的校準

（1）在現場校準前的準備工作為校準時的設備連接——三線制熱電阻輸入的變送器校準時可按圖3接線。三線制連接時，線間電阻值之差要盡可能小，在阻值無明確規定時，可以在同一根導線上等長度（不超過1m）截取三段導線組成，其溫度變送器兩線制輸出部分接線校準如圖2所示。

（2）校準前的調整。在實際的校準過程中多功能校驗儀設定為與被校的溫度變送器對應的熱電阻分度號，那么通過輸出信號模擬熱電阻校準變送器的輸入，對相應的輸出下限值和輸出上限值進行調整，使它與標準的下限值和上限值相一致。在測量的過程中不允許調整零點和量程。

（3）校準的過程。熱電阻溫度變送器的校準過程與熱電偶溫度變送器的校準過程相同。

4 溫度變送器校準的注意事項

（1）校準前需要與委托方溝通好，經委托方確認具備現場校準單體儀表條件后才可進行校準工作。（2）校準前，要準備好校準原始記錄表，并查熱電偶在各校驗點的溫度/毫伏對照表或熱電阻溫度/電阻對照表，將需要的數據查出并填入已經準備好的原始記錄表中。（3）接線時要注意24V直流電源和補償導線的極性，并且在通電預熱15分鐘后開始校準，參考端溫度自動補償的儀表還需通電預熱30分鐘后開始校準。（4）在調整零點和滿量程電位器時不要用力過猛，防止擰壞。

5 溫度變送器輸出電流誤差的測量結果不確定度的評定

溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定，以配K分度用熱電偶的溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定為例。

5.1 數學模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——溫度變送器在溫度t時的測量誤差;Id──溫度變送器的輸出電流值;

Im──溫度變送器的輸出量程;ts──溫度變送器的輸入溫度值;

tm──溫度變送器的溫度輸入量程;I0──溫度變送器的輸出起始電流值;

t0──溫度變送器輸入的下限溫度值;e──補償導線修正值;

Si──熱電偶特性曲線各溫度測量點的斜率，對于某一溫度測量點可視為常數。

5.2 輸入量Id的標準不確定度u（Id）的評定

輸入量Id的不確定度來源主要有兩部分：被校溫度變送器的測量重復性u（（Id1）和過程校準儀的示值誤差u（Id2） 。

5.3 輸入量ts的標準不確定度u（ts）的評定

輸入量ts的標準不確定度來源主要來自多功能校驗儀的示值誤差。溫、濕度影響和連接導線的影響可以忽略不計。多功能校驗儀的標準不確定度u（ts）采用B類方法進行評定。

5.4 輸入量e的標準不確定u（e）的評定

輸入量e不確定度的主要來源為補償導線修正值導致的不確定度。補償導線的標準不確定度u（e）可以采用B類方法進行評定。

5.5 合成標準不確定度的評定

（1）靈敏系數：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成標準不確定度的計算。

輸入量Id、ts及e相互間彼此獨立，所以合成標準不確定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，置信概率為95%，U=k×uc（△It）

變送器各校準點測量誤差的擴展不確定度取最大值。

6 結語

溫度變送器作為一種典型的溫度儀表，已經被廣泛應用于工業生產測量當中。為了便于自動化檢測，對各種溫度傳感器的信號輸出做了統一的規定，也就是統一的（4～20）mA信號。溫度變送器完成測量信號的采集后轉化成統一的（4～20）mA電流信號輸出，同時還起隔離作用。那么溫度測量的準確度對工業生產的影響非常大，在冶金煉鋼和軋鋼等行業的生產過程都需要準確測量溫度，由于所有溫度變送器都會隨時間變化而發生漂移，所以需要利用可靠的標準溫度校驗儀器對其進行定期校準，否則對工業系統生產和鋼鐵產品會帶來嚴重的影響。endprint

3.2.2 熱電阻溫度變送器的校準

（1）在現場校準前的準備工作為校準時的設備連接——三線制熱電阻輸入的變送器校準時可按圖3接線。三線制連接時，線間電阻值之差要盡可能小，在阻值無明確規定時，可以在同一根導線上等長度（不超過1m）截取三段導線組成，其溫度變送器兩線制輸出部分接線校準如圖2所示。

（2）校準前的調整。在實際的校準過程中多功能校驗儀設定為與被校的溫度變送器對應的熱電阻分度號，那么通過輸出信號模擬熱電阻校準變送器的輸入，對相應的輸出下限值和輸出上限值進行調整，使它與標準的下限值和上限值相一致。在測量的過程中不允許調整零點和量程。

（3）校準的過程。熱電阻溫度變送器的校準過程與熱電偶溫度變送器的校準過程相同。

4 溫度變送器校準的注意事項

（1）校準前需要與委托方溝通好，經委托方確認具備現場校準單體儀表條件后才可進行校準工作。（2）校準前，要準備好校準原始記錄表，并查熱電偶在各校驗點的溫度/毫伏對照表或熱電阻溫度/電阻對照表，將需要的數據查出并填入已經準備好的原始記錄表中。（3）接線時要注意24V直流電源和補償導線的極性，并且在通電預熱15分鐘后開始校準，參考端溫度自動補償的儀表還需通電預熱30分鐘后開始校準。（4）在調整零點和滿量程電位器時不要用力過猛，防止擰壞。

5 溫度變送器輸出電流誤差的測量結果不確定度的評定

溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定，以配K分度用熱電偶的溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定為例。

5.1 數學模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——溫度變送器在溫度t時的測量誤差;Id──溫度變送器的輸出電流值;

Im──溫度變送器的輸出量程;ts──溫度變送器的輸入溫度值;

tm──溫度變送器的溫度輸入量程;I0──溫度變送器的輸出起始電流值;

t0──溫度變送器輸入的下限溫度值;e──補償導線修正值;

Si──熱電偶特性曲線各溫度測量點的斜率，對于某一溫度測量點可視為常數。

5.2 輸入量Id的標準不確定度u（Id）的評定

輸入量Id的不確定度來源主要有兩部分：被校溫度變送器的測量重復性u（（Id1）和過程校準儀的示值誤差u（Id2） 。

5.3 輸入量ts的標準不確定度u（ts）的評定

輸入量ts的標準不確定度來源主要來自多功能校驗儀的示值誤差。溫、濕度影響和連接導線的影響可以忽略不計。多功能校驗儀的標準不確定度u（ts）采用B類方法進行評定。

5.4 輸入量e的標準不確定u（e）的評定

輸入量e不確定度的主要來源為補償導線修正值導致的不確定度。補償導線的標準不確定度u（e）可以采用B類方法進行評定。

5.5 合成標準不確定度的評定

（1）靈敏系數：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成標準不確定度的計算。

輸入量Id、ts及e相互間彼此獨立，所以合成標準不確定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，置信概率為95%，U=k×uc（△It）

變送器各校準點測量誤差的擴展不確定度取最大值。

6 結語

溫度變送器作為一種典型的溫度儀表，已經被廣泛應用于工業生產測量當中。為了便于自動化檢測，對各種溫度傳感器的信號輸出做了統一的規定，也就是統一的（4～20）mA信號。溫度變送器完成測量信號的采集后轉化成統一的（4～20）mA電流信號輸出，同時還起隔離作用。那么溫度測量的準確度對工業生產的影響非常大，在冶金煉鋼和軋鋼等行業的生產過程都需要準確測量溫度，由于所有溫度變送器都會隨時間變化而發生漂移，所以需要利用可靠的標準溫度校驗儀器對其進行定期校準，否則對工業系統生產和鋼鐵產品會帶來嚴重的影響。endprint

3.2.2 熱電阻溫度變送器的校準

（1）在現場校準前的準備工作為校準時的設備連接——三線制熱電阻輸入的變送器校準時可按圖3接線。三線制連接時，線間電阻值之差要盡可能小，在阻值無明確規定時，可以在同一根導線上等長度（不超過1m）截取三段導線組成，其溫度變送器兩線制輸出部分接線校準如圖2所示。

（2）校準前的調整。在實際的校準過程中多功能校驗儀設定為與被校的溫度變送器對應的熱電阻分度號，那么通過輸出信號模擬熱電阻校準變送器的輸入，對相應的輸出下限值和輸出上限值進行調整，使它與標準的下限值和上限值相一致。在測量的過程中不允許調整零點和量程。

（3）校準的過程。熱電阻溫度變送器的校準過程與熱電偶溫度變送器的校準過程相同。

4 溫度變送器校準的注意事項

（1）校準前需要與委托方溝通好，經委托方確認具備現場校準單體儀表條件后才可進行校準工作。（2）校準前，要準備好校準原始記錄表，并查熱電偶在各校驗點的溫度/毫伏對照表或熱電阻溫度/電阻對照表，將需要的數據查出并填入已經準備好的原始記錄表中。（3）接線時要注意24V直流電源和補償導線的極性，并且在通電預熱15分鐘后開始校準，參考端溫度自動補償的儀表還需通電預熱30分鐘后開始校準。（4）在調整零點和滿量程電位器時不要用力過猛，防止擰壞。

5 溫度變送器輸出電流誤差的測量結果不確定度的評定

溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定，以配K分度用熱電偶的溫度變送器輸出電流誤差測量結果的不確定度評定為例。

5.1 數學模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——溫度變送器在溫度t時的測量誤差;Id──溫度變送器的輸出電流值;

Im──溫度變送器的輸出量程;ts──溫度變送器的輸入溫度值;

tm──溫度變送器的溫度輸入量程;I0──溫度變送器的輸出起始電流值;

t0──溫度變送器輸入的下限溫度值;e──補償導線修正值;

Si──熱電偶特性曲線各溫度測量點的斜率，對于某一溫度測量點可視為常數。

5.2 輸入量Id的標準不確定度u（Id）的評定

輸入量Id的不確定度來源主要有兩部分：被校溫度變送器的測量重復性u（（Id1）和過程校準儀的示值誤差u（Id2） 。

5.3 輸入量ts的標準不確定度u（ts）的評定

輸入量ts的標準不確定度來源主要來自多功能校驗儀的示值誤差。溫、濕度影響和連接導線的影響可以忽略不計。多功能校驗儀的標準不確定度u（ts）采用B類方法進行評定。

5.4 輸入量e的標準不確定u（e）的評定

輸入量e不確定度的主要來源為補償導線修正值導致的不確定度。補償導線的標準不確定度u（e）可以采用B類方法進行評定。

5.5 合成標準不確定度的評定

（1）靈敏系數：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成標準不確定度的計算。

輸入量Id、ts及e相互間彼此獨立，所以合成標準不確定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，置信概率為95%，U=k×uc（△It）

變送器各校準點測量誤差的擴展不確定度取最大值。

6 結語

溫度變送器作為一種典型的溫度儀表，已經被廣泛應用于工業生產測量當中。為了便于自動化檢測，對各種溫度傳感器的信號輸出做了統一的規定，也就是統一的（4～20）mA信號。溫度變送器完成測量信號的采集后轉化成統一的（4～20）mA電流信號輸出，同時還起隔離作用。那么溫度測量的準確度對工業生產的影響非常大，在冶金煉鋼和軋鋼等行業的生產過程都需要準確測量溫度，由于所有溫度變送器都會隨時間變化而發生漂移，所以需要利用可靠的標準溫度校驗儀器對其進行定期校準，否則對工業系統生產和鋼鐵產品會帶來嚴重的影響。endprint