多功能過程校驗儀的檢定及問題探討

姜海飛

(中航工業金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京211106)

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多功能過程校驗儀的檢定及問題探討

姜海飛

(中航工業金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京211106)

摘要：多功能過程校驗儀越來越多地應用于現場校驗，為現場檢修維護人員提供了方便。由于在檢定過程中的一些認識上的問題，計量人員在檢定過程中往往不能選擇合適的標準儀器，本文通過對多功能過程校驗儀檢定過程中出現的問題進行分析，提出了檢定過程中標準儀器選擇和使用的一些看法，并對熱電偶輸出與測量功能的檢定提出了一些建議。

關鍵詞：多功能過程校驗儀；檢定；標準器；溫度補償

0引言

大型企事業單位的現場測量儀表有成千上萬臺，這些儀表均需通過計量標準儀表來進行檢定與校驗，以確定其測量精度是否滿足要求。計量標準儀表的準確度直接影響了現場測量儀表的在線運行質量，如果對其檢定、使用不當，將會造成儀表計量不準，導致對被測參數的誤判斷，甚至影響生產。

多功能過程校驗儀是現場校驗應用較多的一種計量標準儀表，筆者根據從事計量儀表檢定和使用的一些經驗，提出檢定和使用多功能過程校驗儀時易出現的問題和應注意的事項。

1多功能過程校驗儀的功能及工作原理

多功能過程校驗儀具有測量和輸出兩種功能，校驗儀可以測量和模擬熱電阻的類型通常有Pt100，Pt500，Pt1000，Cu50，Cu100等；測量和模擬熱電偶的類型通常有B，S，R，K，N，E，J，T等；測量和模擬過程信號輸出的直流電流為4～20 mA，直流電壓1～5 V，頻率1 Hz～10 kHz，電阻10 Ω～4 kΩ等。

校準儀設置在測量狀態時，可以與壓力模塊連接以測量壓力，相當于一塊數字壓力表；可以與熱電阻或熱電偶連接以測量溫度，相當于一臺數字溫度指示儀。校準儀在連接熱電偶溫度時，通常具有內置參考端溫度自動補償功能，可以不用冷端補償器直接與熱電偶連接。有些校準儀能手動切換補償功能。校準儀設置在輸出狀態時，可以與壓力模塊連接以測量壓力，配上一臺手泵相當于一臺壓力校驗儀；可以模擬各種熱電阻、熱電偶和溫度變送器輸出相應的標準電信號以校準溫度二次儀表。通常以數字鍵盤的形式設定模擬的溫度值，也可以用最小步進方式增加或遞減溫度以適用于模擬式溫度二次儀表的校準。校準儀在模擬熱電偶輸出時，通常也具有參考端溫度自動補償功能，使模擬熱電偶的輸出呈參考端溫度為輸出端子處溫度的電勢。有些校準儀能手動切換補償功能。

多功能過程校驗儀由測量電路、電平放大、信號轉換電路、控制電路、比較電路、顯示電路和輸出電路等組成，圖1是其測量原理框圖。

圖1　多功能過程校驗儀測量原理圖

多功能過程校驗儀顯示清晰直觀，一表多能，使用方便，與模擬表相比，各項性能指標均有大幅度提高。但根據其工作原理，這類儀表的不足之處是易受電磁干擾、環境溫度影響大、溫度補償功能差，需要在使用中加以注意。

2多功能過程校驗儀檢定中的問題及對策

多功能過程校驗儀檢定項目多，所使用的標準儀器也比較多。DCV表、ACV表、DCI表、DCV源、DCI源需根據1/4到1/10的原則選擇合適的校準源或校準表，OHM表則要選擇合適的校準源或電阻箱，OHM源選擇合適的電阻表，同時應注意激勵電流的匹配問題；頻率表和頻率源要選擇合適的信號源和頻率計，不能選擇多功能校準源和數字多用表，因為這兩種標準器的頻率參數一般是沒有經過溯源的。

回路電流變送器需要24 V電源，許多校驗儀可提供24 V電源，可以用標準電流源檢定校驗儀。大多數電流表的順從電壓有限(低于10 V)，檢定時應該將過程校驗儀的內部24 V禁止。也可以用標準電流表加電阻箱檢定校驗儀，有些校驗儀不能禁止24 V電源時，設置電阻值在250 Ω～6 kΩ范圍內，不能過低，否則過大電流會損壞校驗儀，接線方法如圖2所示。

圖2　不能禁止24 V輸出的回路電流輸出檢定

校驗儀可以測量熱電阻，顯示對應的溫度，此時，校驗儀就相當于一個電阻測溫儀；校準電阻測溫儀相當于校準一臺歐姆表，校驗儀電阻測溫不確定度一般為0.05～0.2℃，相當于不確定度為0.02%～0.1%的電阻測溫儀。校驗儀可以用兩線、三線、四線連接方式測量，測量兩線電阻時引線誤差可以用兩線電阻補償輸出方式來抵消引線電阻的影響；三線電阻測量時要保證三根引線電阻相等(粗細相等，長度一致)，三線只是針對測量儀器，標準電阻仍是兩線；檢定校驗儀四線熱電阻測量功能時，校驗器最好也是四線，可以抵消引線電阻的影響。

JJF1309-2011《溫度校準儀校準規范》給出的標準儀器及配套設備的選擇方案[1]中，熱電偶測量功能選擇0.001級～0.05級的直流低電勢電位差計或標準直流電壓源，直流電壓的測量范圍為0～100 mV，滿足這一指標的標準直流電壓源很多，但要對熱電偶的測量功能進行全量程檢定，則要模擬10 mV以下的電壓，像5720A之類的多功能校準源上級機構給出的溯源范圍是10 mV以上，那么要滿足檢定條件需要加上低熱電勢分壓箱，但是很少單位會配備這種分壓箱。可以采用一種新的方法，即：采用歐姆定律形式，電流通過標準電阻來定標，測量線路如圖3。所有儀器的接地端連接在一起并通過一點接地。E為可調穩壓電源或恒流源。電源的穩定性很重要，無論采用穩壓源還是恒流源，其穩定性至少要比被校儀表準確度高一個數量級。由于測量線路中電流很小(約l mA)，此處電源也可以是直流標準電壓源，如采用Fluke 5700A，Wavetek 4808多功能校準源(負載電流均大于20 mA)。R1，R2，R3為一等標準電阻，其標稱值分別為1000 Ω，10 Ω及1 Ω。V1，V2(或V3)分別接作標準用的數字多用表(如Fluke公司的8508A、Wavetek公司的1281數字表等)和待檢定校驗儀熱電偶測量功能。檢定熱電偶測量功能對應電壓10 mV以下時，測量端接入R2端，檢定熱電偶測量功能對應電壓l mV以下時，測量端接入R3端。

(1)

圖3　直流小電壓數字表檢定線路圖

3多功能過程校驗儀溫度部分檢定

檢定模擬輸出熱電阻信號的多功能過程校驗儀可以依據國家檢定規程中的方法，采用四根專用連接導線連接校驗儀和測量標準器，即可得出它輸出的電阻信號基本誤差，再依據分度表可以得到不同分度下的溫度誤差。

預制光纜采用預制艙內集中配線方式時，由于集中轉屏柜的預制光纜根數較多，若直接將光纜余長收納在屏柜周邊光纜槽盒內或集中轉屏柜下方，對空間要求較大，且日后檢修、維護困難。針對該問題的余長收納方案有兩種：

檢定模擬熱電偶信號輸出的多功能過程校驗儀可以分別對直流毫伏信號輸出基本誤差和冷端測量誤差進行檢定，有人提出采用下面的方法來檢定多功能過程校驗儀，對于直流毫伏輸出誤差依據JJG445-86《直流標準電壓源檢定規程》[2]連接測量標準器進行檢定，測量標準器檢定接線圖如圖4所示，將數字多用表置于mV檔，選擇相應的mV量程，并接到被檢定儀表的模擬熱電偶輸出端。檢定方法采用JJG617-1996《數字溫度指示調節儀檢定規程》[3]中測量被檢定點輸出電量值法：從下限開始增大輸出信號(上行程時)，由數字多用表分別測量被校儀表模擬熱電偶輸出各被檢定點溫度值所對應的電量值，直至上限；然后減小輸入信號(下行程時)，由數字多用表分別測量被校儀表模擬熱電偶輸出各被檢定點溫度值所對應的電量值，直至下限，取測量中誤差最大的作為該儀表的最大基本誤差。該基本誤差按式(2)計算。

(2)

圖4　校準儀測量狀態時配熱電偶

測量功能采用JJG617-1996中的“輸入被檢點溫度標稱電量法”(又稱“輸入基準法”)。測量標準器檢定接線圖如圖5所示，從下限開始增大輸入信號(上行程時)，分別給校驗儀輸入各被檢點溫度所對應的標稱電量值，讀取校驗儀的示值，直至上限；然后減小輸入信號(下行程時)，分別給校驗儀輸入各被檢點溫度所對應的標稱電量值，讀取校驗儀的示值，直至下限作為一個測量循環。共進行兩個循環的測量。如果校驗儀選擇在熱電偶測量溫度時設置在參考溫度自動補償狀態，則給校驗儀輸入的信號應是被校點溫度對應的標稱電勢值減去補償導線修正值。每個檢定點有4個測量值，取4次測量的平均值與檢定點溫度之差作為該檢定點的示值誤差，即

(3)

圖5　校準儀測量狀態時配熱電偶

這種方法對于那些測量精度不高的儀表適用，但是對于多功能過程校驗儀這種高精度儀器來說，所測得的誤差中包括了恒溫槽和補償導線的測量誤差，不確定度分量較大。尤其是補償導線由于穩定性、材料等原因本身的誤差就比較大，精密級的補償導線也要達到2μV而且由于補償導線的修正值采用的都是20℃時的修正值，而實際冷端溫度可能與20℃存在一定的差異，存在一定誤差，因而無論配備再好的測量標準器，整套檢定裝置的不確定度也無法得到有效提高。

多功能過程校驗儀通常都具有檢定多種分度號熱電偶的功能，按上述方法必須對每一種分度號的熱電偶進行檢定，這在實際工作中工作量巨大，難以做到，而且在技術上也毫無必要。因為不論什么分度號的熱電偶的溫度輸出都是由直流電壓輸出和冷端補償組成的。

4多功能過程校驗儀溫度補償檢定方法

如圖6，采用一個可以調節溫度的恒溫槽來代替零度恒溫槽，該恒溫槽的偏差要求不高，但是均勻性不得大于0.05℃，以保證測量精度。將恒溫槽的初始溫度20℃，任選一分度號的補償導線，補償導線的一端短接后插入恒溫槽，另一端接入被檢的溫度校驗儀冷端輸入端。另外采用標準鉑電阻溫度計及相應測量儀表(或者標準水銀溫度計)測量槽溫，鉑電阻溫度計感溫元件端應該與補償導線短接端保持同一高度并盡量接近。待槽溫和被檢冷端溫度恒定后，測量此時補償導線參考端的熱電動勢值E1，按式(4)換算成溫度Δt1。

(4)

式中：St0表示該分度號熱電偶在20℃時的微分電動勢。

圖6　校準儀測量狀態時配熱電偶

將恒溫槽溫度調整為t1=t0-Δt1，待槽溫恒定后，再測量補償導線的熱電動勢值E2，重復以上步驟，直到熱電動勢值E2或Δt1接近零(或者小于一定值，一般可取Δt1<0.1℃)，即認為恒溫槽的槽溫與冷端溫度一致。此時將被檢溫度校驗儀轉換至測溫檔，讀取儀表指示值td和標準溫度計讀數t標。然后，將補償導線參考端拆下后接上銅導線，放入恒溫槽中，補償導線的短接端和參考端放置在同一深度并盡量接近，銅導線的兩端同時接到測量標準器上，測量補償導線的熱電動勢Δe。并按照式(5)得出該溫度校驗儀的冷端補償誤差Δ補。

(5)

式中：Δ補為被檢儀器的冷端補償誤差，mV；td為被檢儀器讀取的溫度示值，℃；t標為標準溫度計讀取的溫度值，℃；St標為該分度號熱電偶在標準溫度計所示溫度時的微分電動勢，mV/℃；Δe為補償導線實際溫度下的修正值，mV。

所得出的冷端補償誤差，根據熱電偶的分度表可以分別得出不同分度號熱電偶換算出的溫度值。這樣檢定結果就分成了溫度校驗儀的直流毫伏信號輸出誤差和冷端補償誤差，最大限度地減少了冷端測量和補償導線引起的誤差。

溫度校驗儀的最后基本誤差按式(6)計算：

(6)

式中：Δt為溫度校驗儀換算成溫度的基本誤差，℃；ΔA為電量程輸出指示誤差，mV或Ω；Δ補為熱電偶輸出時的冷端補償誤差，mV，在校準非熱電偶輸出時，此項為0；Δt的最后結果應按照數據修約規則化整到與溫度校驗儀該功能檔的分辨力一致。

5結論

本文介紹了多功能過程校驗儀的工作原理及主要功能，對多功能過程校驗儀在檢定過程中如何正確地選擇標準器提出了一些建議，對檢定過程中可能會遇到的問題提出了解決方案。通過對多功能過程校驗儀的電量輸出誤差和冷端補償誤差的分別測量，對于高準確度多功能過程校驗儀可以更加方便、準確地測量其誤差，達到檢定的目的。其檢定的測量不確定度實際只是由兩部分組成：電量輸出的不確定度和冷端補償的不確定度。其中，電量輸出的不確定度與冷端補償的不確定度相比通常較小，在輸出熱電偶信號時，可以通過兩者的合成得到熱工儀表校驗儀在各個分度時的測量不確定度，并且通過對冷端補償誤差的更精確測量來檢定高精度多功能過程校驗儀。對類似的多功能過程校驗儀而言，筆者認為不必把所有的功能面面俱到的進行檢定，要根據用戶的使用要求進行針對性的檢定，滿足用戶使用方便是用戶送檢的心愿，也是我們的最終目的。

參考文獻

[1] 國家質量監督檢疫檢驗總局.JJF1309-2011溫度校準儀校準規范[S] .北京：中國計量出版社，2011.

[2] 國家技術監督局.JJG445-86直流標準電壓源檢定規程[S] .北京：中國計量出版社，1986.

[3] 國家技術監督局.JJG617-1996數字溫度指示調節儀檢定規程[S] .北京：中國計量出版社，1996.

2015年頒布的國家計量技術法規目錄(部分)

1.計量檢定規程

2.計量技術規范

現行規范號規范名稱被代替規范規程號定價JJF1088-2015大尺寸外徑千分尺校準規范JJF1088-2002JJF1261.3-2015家用電磁灶能源效率標識計量檢測規則JJF1261.3-2010JJF1261.16-2015儲水式電熱水器能源效率標識計量檢測規則JJF1261.17-2015復印機、打印機和傳真機能源效率標識計量檢測規則JJF1261.18-2015交流接觸器能源效率標識計量檢測規則JJF1501-2015小功率LED單管校準規范30.00JJF1502-2015基準鎮流器校準規范21.00JJF1503-2015電容薄膜真空計校準規范24.00JJF1504-2015空氣超聲測量儀校準規范18.00JJF1505-2015聲發射檢測儀校準規范21.00JJF1506-2015適調放大器校準規范27.00JJF1507-2015標準物質的選擇與應用技術規范45.00JJF1508-2015同位素豐度測量基準方法技術規范JJF1509-2015電阻應變式壓力傳感器型式評價大綱42.00JJF1510-2015靶式流量計型式評價大綱27.00JJF1511-2015記錄式壓力表、壓力真空表及真空表型式評價大綱30.00JJF1512-2015液相色譜儀型式評價大綱30.00JJF1513-2015催化燃燒式甲烷測定器制造計量器具許可考核必備條件18.00JJF1514-2015光干涉式甲烷測定器制造計量器具許可考核必備條件18.00JJF1515-2015粉塵采樣器制造計量器具許可考核必備條件18.00JJF1516-2015非鐵磁金屬電導率樣(標)塊校準規范24.00JJF1517-2015非接觸式靜電電壓測量儀校準規范24.00JJF1518-2015醫用超聲聲場測量系統校準規范21.00JJF1519-2015磁通門磁強計校準規范24.00JJF1520-2015聲學用頭和軀干模擬器校準規范24.00JJF1521-2015燃油加油機型式評價大綱JJG443-2006附錄A45.00JJF1522-2015熱水水表型式評價大綱JJG686-2006型式評價大綱部分63.00JJF1523-2015一氧化碳、二氧化碳紅外線氣體分析器型式評價大綱JJF1524-2015液化天然氣加氣機型式評價大綱JJF1525-2015氙弧燈人工氣候老化實驗裝置輻射照度參數校準規范JJF1526-2015石油產品顏色分析儀及比色板校準規范27.00JJF1527-2015聚合酶鏈反應分析儀校準規范JJF1528-2015飛行時間質譜儀校準規范JJF1529-2015細菌內毒素分析儀校準規范JJF1530-2015凝膠成像系統校準規范JJF1531-2015傅立葉變換質譜儀校準規范JJF1532-2015基帶衰落模擬器校準規范JJF1533-2015白噪聲信號發生器校準規范JJF1534-2015數據網絡性能測試儀校準規范JJF1535-2015微機電(MEMS)陀螺儀校準規范JJF1536-2015捷聯式慣性航姿儀校準規范JJF1537-2015陀螺儀動態特性校準規范JJF1538-2015安裝式交流電能表制造計量器具許可考核必備條件JJF1539-2015硅酸根分析儀校準規范21.00JJF1540-2015在線繞組溫升測試儀校準規范JJF1541-2015血液透析裝置檢測儀校準規范JJF1542-2015血氧飽和度模擬儀校準規范JJF1543-2015視覺電生理儀校準規范JJF1544-2015拉曼光譜儀校準規范JJF1545-2015圓錐滾子軸承套圈滾道直徑、角度測量儀校準規范JJG886-1995

3.計量檢定系統表

現行檢定系統表號檢定系統表名稱被代替檢定系統表號定價JJG2016-2015黏度計量器具檢定系統表JJG2016-1987JJG2037-2015空氣聲聲壓計量器具檢定系統表JJG2037-200416.00JJG2054-2015振動計量器具檢定系統表JJG2054-1990JJG2061-2015基準試劑純度計量器具檢定系統表JJG2061-199016.00

注：2015年國家計量技術法規目錄由中國船舶工業第6354研究所楊清廉收集整理，特此致謝！

Discussion on Calibration and Problems of Multifunction Process Calibrators

JIANG Haifei

(Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems，Jincheng，AVIC，Nanjing 211106，China)

Abstract：Multifunction process calibrators are more and more applied to on-site verification and calibration，facilitating the on-site maintenance.Because of some problems in the process of calibration，measurement operators are often unable to select appropriate instruments.This paper presents some ideas on the selection and use of the standard instruments in the calibration process，and proposes some suggestions on thermocouple outputs and verification of measurement functions.

Key words：multifunction process calibrator；calibration；standard device；temperature compensation

作者簡介：姜海飛(1984-)，男，工程師，從事電學計量工作。

收稿日期：2015-07-24

中圖分類號：TB94

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)05-0074-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.05.18