溫度變送器現(xiàn)場校準方法研究

張靈聰

中國石油大慶石油管理局有限公司 技術監(jiān)督中心計量檢定測試所 （黑龍江 大慶 163000）

隨著溫度變送器在工業(yè)控溫應用中的快速普及，其校準工作業(yè)務量也與日俱增。目前校準工作所依據(jù)的《溫度變送器校準規(guī)范》主要是針對實驗室檢測[1-6]，而對現(xiàn)場校準還存在可操作性較差的問題，致使無法適應現(xiàn)場環(huán)境在線檢測。由于現(xiàn)場儀表數(shù)量較多且位置分散，拆卸儀表極易造成儀表損壞及停產停工的不良后果，極大程度地增加了現(xiàn)場儀表維護人員的工作量和校準工作的難度，因此在線校準一直是儀表校準領域的一大難題。

1 溫度變送器校準方法

溫度變送器是一種將溫度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(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。送檢溫變一般分為帶傳感器和不帶傳感器兩種儀表，而現(xiàn)場檢測帶傳感器儀表較為常見，溫變標準化輸出信號主要為0～10 mA和4～20 mA的直流電信號，具有顯示單元的也可直接顯示測量溫度，工作原理如圖1所示[7]。

圖1 變送器原理框圖

根據(jù)溫度變送器校準規(guī)范可知，校準溫度變送器需在溫度為（20±5）℃、相對濕度為45%～75%的環(huán)境條件下將傳感器部分浸沒于標準恒溫槽內，溫場按照儀表量程范圍平均布置多點，由低到高逐點升溫并依次進行校準。實驗室校準由環(huán)境及標準器引入的標準不確定度較小，結論準確可靠，但單次檢測儀表數(shù)量少，檢測時間長，校準效率極低，檢測人員工作量大。為降低儀表拆卸、搬運導致的損失及人員工作量，需及時開展在線儀表校準工作。溫度變送器的工作環(huán)境溫度一般為-40～85℃，按照校準規(guī)范要求，校準環(huán)境條件至少應滿足溫度為15～35℃、相對濕度小于85%，這樣才能確保由環(huán)境變化引入的標準不確定度不會對校準結果產生較大的影響。

攜帶便攜式溫場，要求工作溫度范圍為50～300℃，溫場均勻性優(yōu)于0.01℃、波動性優(yōu)于0.03℃，二等標準鉑電阻溫度計及測量范圍為0～30 mA、準確度等級在0.2級以上的便攜式校驗儀。將溫度變速器拆卸后和標準鉑電阻溫度計一起放入便攜溫場中，校驗儀提供儀表24 V穩(wěn)壓電源并同時讀取輸出電流值。恒溫溫場依照校準規(guī)范要求檢定點依次升溫，待溫度源內的溫度足夠穩(wěn)定后（一般不少于30 min）[7]，工作人員比照標準鉑電阻溫度計示值依次校準各檢定點并進行記錄。為驗證溫場均勻性、穩(wěn)定的時間下限，對溫場工作范圍包含上下限均勻分布的10個溫度點進行測量，分別觀察各溫度點達到均勻性為0.01℃，10 min內變化為0.03℃的最低時限，其中最長的穩(wěn)定時間為40 min，則判定溫度源均勻、穩(wěn)定時間下限為40 min。該方法需要模擬實驗室校準環(huán)境，提供穩(wěn)定的恒溫溫場（水平溫場≤0.01℃、垂直溫場≤0.02℃、10 min變化≤0.04℃）[8]。針對現(xiàn)場環(huán)境對便攜溫場的保溫及散熱要求較高，需提供一套獨立的控溫穩(wěn)定、攜帶方便的便攜式溫場和配套計算機軟件操作系統(tǒng)，需要拆卸儀表進行校準，校準人員工作量大，對現(xiàn)場生產進程可能產生影響，校準速率較低，但校準結果可靠性高[9]。

2 設計標準熱電阻比對現(xiàn)場校準方法

現(xiàn)場直接在線校準溫度變送器，由于儀表安裝管路是一個在一定溫度范圍內波動的溫場，無法按照校準規(guī)范要求對固定溫度點進行校準，故選取變化溫場溫度平均值作為被校點進行校準。

2.1 比對校準方法原理

攜帶標準熱電阻和熱工儀表校驗儀，對于在線使用中的溫度變送器校準，如果在溫度變送器附近（同一介質環(huán)境中）具備溫度計插孔，可直接插入標準熱電阻，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場校準溫變有溫度計插孔校準方法

如果在溫度變送器附近（同一介質環(huán)境中）沒有溫度計插孔，可打開溫度變送器后蓋，拆除溫度變送器模塊的固定螺絲，在溫度變送器傳感器套管內插入標準熱電阻,如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場校準溫變無溫度計插孔校準方法

分別對溫度變送器和標準熱電阻記錄10 min內示值變化最大值Tmax1、Tmax2和最小值Tmin1、Tmin2，計算平均值T1、T2，按照溫度變送器基本誤差公式求算被檢表基本誤差，溫度變送器的基本誤差不應超過表1的規(guī)定。

表1 溫度變送器準確度等級及最大允許誤差

溫度變送器基本誤差公式如下：

式中：σA為溫度變送器基本誤差；T1為溫度變送器輸出示值（Tmax1+Tmin1）/2；T2為標準熱電阻輸出示值（Tmax2+Tmin2）/2；S為溫度變送器輸出量程。

實驗室校準應包含上、下限值（或其附近10%量程以內）在內至少5個點，校準點應均勻分布在整個測量范圍內[7]。但在現(xiàn)場校準工作中應以現(xiàn)場使用中的變送器測量標的為準，與甲方溝通只針對常用溫度點校準，校準證書只出具常用點校準數(shù)據(jù)。該方法無需提供獨立溫場，也不用拆卸儀表，直接在線進行校準工作，不影響現(xiàn)場生產工作進程，校準速度快，但由于校準點少，溫場不穩(wěn)定，校準可靠性有待進一步驗證研究。

2.2 符合性試驗

溫度變送器校準工作應在穩(wěn)定的恒溫溫場進行，但受到現(xiàn)場環(huán)境等因素影響，難以提供符合要求的溫場。而溫變安裝的現(xiàn)場管線環(huán)境區(qū)別于實驗室校準環(huán)境的是溫場具有較大波動性及不可控性，被檢表相對標準器示值也有可能存在滯后。為了提高工作效率，減少拆卸、運輸工作量，保障校準結果的正確性和準確性，現(xiàn)提出一種曲線符合性判定的方法來適應不穩(wěn)定溫場中的儀表校準工作。

將標準熱電阻傳感器與溫度變送器傳感器同時插入溫變套管內，確保兩傳感器在同一溫場中插深一致，記錄一定時間范圍內溫變及標準熱電阻溫度變化曲線，利用Excel擬合兩條曲線并計算相關系數(shù)[10-12]。為確保該方法的可靠性需現(xiàn)場試驗。

選取2塊0.2級高精度、測量范圍為0～100℃的溫度變送器為試驗樣本，先將樣本在實驗室進行校準，確保樣本符合相關技術規(guī)范要求并獲取標準校準值。模擬管道環(huán)境選取試驗波動溫場為（30±3）℃和（60±3）℃，分別對兩樣本進行校準，得到測量曲線如圖4、圖5所示。

由試驗數(shù)據(jù)可知，樣本1在（30±3）℃溫場中測量平均溫度為29.85℃，在（60±3）℃溫場中測量平均溫度為59.85℃，誤差均為-0.15℃，滿足要求。樣本2在（30±3）℃溫場中測量平均溫度為29.80℃，在（60±3）℃溫場中測量平均溫度為59.80℃，誤差均為-0.2℃，滿足要求。由于兩樣本測量曲線相關系數(shù)最小為0.822，則擬判定只要測量曲線相關系數(shù)不大于0.822，就認為樣本儀表滿足相關技術規(guī)范要求。

再另外選取多個不同量程同準確度等級的溫度變送器進行反向試驗驗證符合性試驗的準確性。將儀表在同一模擬溫場內進行測量，擬合測量曲線，計算相關系數(shù)，將達到上述判定要求的儀表進行實驗室校準，比對校準結果是否一致。

圖4 (30±3)℃溫場測量曲線

圖5 (60±3)℃溫場測量曲線

樣本儀表精度高，模擬溫場多點進行測試，實驗結論具有代表性，試驗結果符合預期，可認定符合性試驗的合理性，判定校準結果準確可靠。

該曲線擬合法需進行大量現(xiàn)場試驗，建立完善的試驗數(shù)據(jù)庫體系，在大數(shù)據(jù)支持下，方可作為判定依據(jù)的曲線相關系數(shù)值和相關試驗條件參數(shù)。

3 結論

1）分析了溫度變送器校準目前使用的實驗室及現(xiàn)場在線校準方法的利弊。

2）提出了可行性較高的標準熱電阻比對現(xiàn)場校準方法。

3）提出并進行了樣本符合性試驗，驗證了校準結果的可靠性。

4）新在線校準方法可以更好地服務客戶，提高勞動生產率，減少人員工作量，降低生產運營成本。

5）本文為溫度儀表在線校準提供了新思路，也為相關儀表檢測研究奠定了理論基礎，對其他溫度計量器具在線檢測具有一定的借鑒意義。

隨著現(xiàn)場試驗的穩(wěn)步進行和校準理論的進一步完善，在線儀表校準方法必將快速推廣為溫度類儀表檢測的主要方式。