溫度變送器的現場校準研究

李天宇

（江陰市計量測試檢定所 江蘇 江陰 214400）

0 引言

近年來，隨著工業的不斷發展，溫度變送器逐漸得到了廣泛應用，它將溫度信號轉換為可傳輸的電信號（電流、電壓等），主要用于過程的參數測量與控制。在當前對溫度變送器實際開展校準工作的過程中，校準人員主要依據《JJF1183-2007溫度變送器校準規范》在實驗室內對溫度變送器進行校準，這就需要送檢企業將溫度變送器拆下來，然后送到各個計量院所進行校準。但是這種校準方式存在一些問題，一方面溫度變送器拆卸存在一定風險，很容易將溫度變送器損壞，造成經濟的損失；另一方面溫度變送器的送檢周期一般都比較長，在送檢過程中可能會影響企業生產，不利于企業的進一步發展[1]。而現場校準一般都存在很多局限性，難以進行相關操作。再加上現場需要使用到大量的儀表設備，很容易對其造成損壞，不僅大幅增加了相關人員的工作壓力，還增大了校準工作的難度[2]。因此，對溫度變送器的現場校準具有非常重要的意義。所以，長期以來，對溫度變送器的現場校準一直是計量學領域的重點研究方向。

1 溫度測量系統的組成與變送器的工作原理

溫度測量系統主要由兩個部分組成，其一為傳感器，主要包括熱電阻，其二為信號轉換器，主要由轉換單元、信號處理以及測量單元組成。除了這兩個部分之外，部分變送器還具有現場總線以及顯示單元。在變送器的輸入端輸入熱電阻信號，這時電橋不夠穩定，一旦溫度發生變化，其就會處于不平衡狀態，進而輸出電壓，經過處理，再輸出直流電流信號，將該信號經過反饋回路之后，再進入到放大器的輸入端口，進而有效保障了輸入、輸出線性度。對于熱電阻的測溫原理，具體流程為將溫度變轉化為熱電阻，再將其轉化為電壓的變化，然后利用計算機計算出溫度值。而熱電偶主要勇敢材料的熱電效應來實現溫度的測量。首先準備兩種成分不同的金屬導體，然后將其收尾相連，形成閉合回路，一旦兩個連接點的溫度存在差異，就會在回路中產生熱電流，這一過程就是熱電效應。熱電偶主要由兩個不同的金屬材料制成，將兩種材料焊接到一起，對于焊接的這一端，可以稱為測量端，而對于沒有焊接的另一端，又叫參考端，其在使用過程中，往往溫度是固定不變的。若對測量端進行加熱，那么兩者之間的接點處會產生熱電勢，并且其會隨著測量端溫度的變化而變化，利用兩者這一關系，可以對溫度進行測量。如果參考端的溫度一直不變，那么熱電極形狀不會對熱點勢的大小和方向產生影響，只有兩種金屬材料的特性和測量端的溫度變化有關系。

2 溫度變送器的安全要求和安全完整性要求

2.1 安全要求

溫度變送器的安全功能主要是保障EUC處于安全狀態，最大程度上降低危險事件的風險值。對于溫度變送器而言，其基本功能是對溫度進行測量。但對于智能溫度變送器而言，其需要保障測量溫度的準確性，并使得輸出的溫度電流處于合理范圍內。溫度變送器的安全功能具有一定復雜性，主要由于其與其他所有功能都存在一定的關聯，所有各個功能之間的安全是相關的。具體可以分為以下幾個方面：首先在開始階段，應對溫度變送器進行初始化設置，對其硬件配置和存儲器中的數據進行詳細的檢查，并校準特性曲線。其次，讀取溫度電壓值，對電流計算和溫度計算等進行轉換并輸出。再次，對遠程組態的信息進行復查，監測過程變量。最后，對控制器進行診斷，對電源、溫度傳感器以及人機接口的故障進行探測。

2.2 安全完整性要求

在既定時間和條件下，安全相關系統成功完成安全功能的概率就是安全完整性。要得到安全功能所要達到的SIL，就要分析功能安全生命周期中存在的風險，獲得溫度變送器要達到的相關要求。

3 溫度變送器校準方法

溫度變送器不僅可以測量相關數據，還能控制溫度參數，所以得到較為普遍的應用。送檢的溫度變送器主要可以分為兩種不同的儀表，即一種帶傳感器，還有一種不帶傳感器，一般情況下，在現場檢測過程中會使用前者。溫度變送器輸出信號為直流電，有時也能顯示測量溫度[3]。《JJF1183-2007溫度變送器校準規范》中對于校準溫度和濕度有著明確的要求：環境溫度為15～35 ℃，相對濕度小于85%，并且為了保證校準結果的可靠性，對于不同的環境溫度，選擇不同等級的溫度變送器。當環境溫度為20±2 ℃時，對溫度變送器的要求較高，需要選擇準確度等級為0.1級～0.2級的溫度變送器；當環境溫度為20±5 ℃時，對溫度變送器的要求較低，需要選擇準確度等級為0.5級～2.5級的溫度變送器[4]。同時，在校準過程中要確保整個傳感器均處于恒溫槽內，并根據儀表量程范圍設置溫場，并按照從低溫到高溫的順序設置多個點，最后再進行校準[1]。實驗室校準具有較小的不確定度，并且結論具有較高的準確性。但同時也有較多的不足，如工作量較大，大大提升了相關人員的工作壓力，需要花費較多的時間進行檢測，并且校準效率非常低。因此，為了減輕工作人員的壓力，避免對儀表造成嚴重的損壞，需要進行在線儀表校準。根據校準規范對溫度變送器工作環境的要求，為了降低環境變化對校準結果的影響，在實際進行校準工作的過程中，其溫度應為12～35 ℃之間，相對濕度不能超過85%。

對于攜帶便攜式溫場的相關數據也有一定的要求，其準確度等級必須高于0.2級，工作溫度應處于50～300 ℃，測量范圍為0～30 mA。將拆下來的溫度變速器放置到便捷溫場當中，同時，將鉑電阻溫度計也放入其中，校驗儀提供穩定電源，并獲取輸出電流值。根據相應的校準規范要求，對于恒溫溫場的多個檢定點進行依次升溫，直到半個小時左右，溫度逐漸穩定后，相關人員再對各個檢定點進行校準，并將相關數據詳細記錄下來[5]。為了明確溫場的不同時間下限，要對相應溫度點進行測量，發現其均勻性為0.01 ℃，并發現其溫度點最長的穩定時間為40 min，則該時間為最均勻、穩定的時間下限[2]。在使用該方法的過程中，不僅需要恒溫溫場具有一定的穩定性，還需要根據實驗室環境條件進行相應設置。在現場在線校準的過程中，對便攜溫場有較高的要求，不僅需要具備良好的保溫效果，也需要具有良好的散熱性。所以，不僅要設置相應的計算機軟件操作系統，也要具有良好性能的便捷式溫場，雖然相關工作人員的工作比較繁瑣，需要對儀表進行拆卸，并要避免在這一過程中對其造成損害，工作效率較低，但能夠最大限度上保障校準結果的準確性[6]。

4 設計標準熱電阻比對現場校準方法

4.1 比對校準方法原理

依據《JJF1183-2007溫度變送器校準規范》，在線校準過程中，對于正在使用的溫度變送器進行校準，主要需要兩種工具，一個是熱工儀表校驗儀，還有一個攜帶標準熱電阻。在同一介質環境中，若其帶有溫度計插孔，那么就可以直接插入標準熱電阻。若沒有溫度計插孔，則需要打開其后蓋，將固定螺絲拆除，最后將標準熱電阻插入到其傳感器套管內[7]。在10 min內，不僅要記錄溫度變送器示值變化的最大值和最小值，也要同時記錄標準熱電阻的最大和最小值，然后再計算被檢表的基本誤差，其范圍不能超出表1的規定。

表1 溫度變送器準確度等級和最大允許誤差

若是在實驗室內進行校準，應在整個測量范圍內設置校準點，并確保其能夠均勻分布，同時應包含上下限值。但在現場校準工作中就不同了，需要按照變送器測量標的來進行，同時應與相關人員進行溝通，只針對常用溫度點進行校準，并且在最終結果上只出具常用點的校準數據。由于現場在線校準是直接開始校準工作，不能提供獨立溫場，并且相應儀表也不需要拆卸，但這都不會對現場工作流程產生影響，現場校準工作的效率比較高。但由于溫場缺乏穩定性，校準點也沒有那么多，所以目前還難以保障校準結果的準確性。

4.2 符合性試驗分析

在現場校準工作的過程中，會受到很多因素的影響，不能提高穩定的恒溫溫場。同時，相較于實驗室校準環境而言，現場管線環境具有一定的不可控性，很容易產生較大的波動，并且被檢表相對標準器示值也會受到相應的影響，容易出現滯后的現象。對于這些情況，為了更好地保障校準結果的準確度，減少工作人員的工作量，提升現場校準工作效率，并且滿足在不穩定溫場中進行校準工作的需求，所以提出了一種新的方法，即曲線符合性判定法。首先，將標準熱電阻的傳感器插入到溫度變送器套管內，同時將溫度變送器的傳感器也插入，并確保兩者插入的深度相同，然后觀察它們變化的情況，并詳細記錄下來，然后再計算相應的系數[7]。另外，該方法的可靠性還需要進一步研究，所以應進行現場試驗。

在試驗過程中，應先選擇兩塊合適的試驗樣本，選取的溫度變送器應具有較高的精度，并且其測量范圍應處于0～100 ℃。在選好試驗樣本后，為了確保其符合相關規范要求，并能夠得到更為標準的校準值，所以應先開展實驗室校準工作。對管道環境進行模擬，并選擇不穩定溫場，通過校準可以得到相應的測量曲線。通過實驗可以發現，樣本1在波動溫場兩次測量溫度誤差均為-0.15 ℃，樣本2在波動溫場兩次測量溫度誤差均為-0.2 ℃，兩個樣本均滿足要求。由實驗發現測量曲線相關系數最小為0.822，則初步認為只要小于這個數值，樣本儀表就符合要求。另外，為了驗證實驗的準確性，應選取多個不同的溫度變送器進行試驗，如量程存在差異，準確度是相同的等級。在實驗室同一場地進行測量工作，并對校準結果進行比對。為了確保試驗結果具有代表性，需要對模擬溫場進行多點測試，若試驗結果符合預期目標，則確保校準結果具有較高的可靠性。由于該方法需要多次進行現場試驗，所以為了更好地對相關數值和參數進行判定，應加強對大數據技術的應用，建立相應的試驗數據庫，試驗過程圖見圖1。

5 溫度變送器現場校準的注意事項

在開始校準工作之前，相關工作人員必須要做好與委托方的溝通工作，確保已經具備現場校準的基本條件，然后準備好校準記錄表，對熱電阻在不同校驗點的電阻對照表和溫度等進行確認，并將這些數據填寫到原始記錄表當中，之后才能開展校準工作。在接線的過程中，工作人員要將通電預熱控制在適當時間范圍內，之后再進行校準，以補償導線與直流電源之間的不同極性。另外，試驗人員在調整電位器時，應盡快謹慎使用，避免由于力氣過大而使其出現損壞。

6 現場溫度校驗案例分析

預熱器測溫主要采用兩種測溫元件，一種為熱電阻測溫，熱電阻測溫使用廣泛，但其測溫范圍有限，而只能使用另外一種比較有效的手段，即熱電偶測溫。本次校驗采用的是非一體化熱電偶，可以通過溫度變送器連接到DCS系統。在測量的過程中，由于受到環境的影響，溫度變送器的零點和滿點會出現漂移的情況，對此，需要進行有效的處理，才能保障校準的準確性。通過特殊的校準儀器連接溫度變送器，進行現場校驗。將穩壓電源的一端接入萬用表，再將其另一端接入溫度變送器，并將溫度變送器接入穩壓電源，將校準儀器正確連接熱電偶的兩根線上。然后將穩定電源接到220 V的電源上，并確保輸出的電壓為24 V。然后打開穩壓電源的開關，設置校準儀器的量程，使得萬用表顯示數值為4 MA，再根據溫度變送器上規定的量程，對校準器進行調整，使二者一致，如為1 300度，那么要使得萬用表顯示為20 MA，這樣才完成溫度變送器的校驗，若不是，則需要對溫度變送器的調滿旋鈕進行調節。另外，在實際進行校驗的過程中，要注意確保溫度變送器的量程與DCS設置的量程保持一致，這樣才能確保中央控制室顯示的溫度值的真實性。

7 結語

綜上所述，隨著工業的不斷發展和社會的不斷進步，溫度變送器的使用會越來越廣泛，從而對溫度變送器的現場校準有著重要意義。在此背景下，本文依據《JJF1183-2007溫度變送器校準規范》，對溫度變送器實驗室和現場校準進行了分析，提出科學可行的溫度變送器在線校準方法，它可以有效減少相關校準人員的工作量，避免了拆卸儀表對其造成損害的問題，提高了工作效率，并降低了檢測成本。

同時，本文通過對現場溫度校驗的案例分析，總結了溫度變送器現場校準的注意事項，以實現對溫度變送器的更好現場校準，進而提高溫度變送器的校準水平。為了進一步判定校準結果的準確性，進行了樣本符合性試驗，為溫度變送器現場校準帶來了新的思路，促進了儀表檢測領域的發展，具有一定的借鑒意義。隨著現場校準理論的不斷完善，相信在不久的將來，在線儀表校準會受到廣泛的推廣。