溫度變送器現場校準方法探討

趙雪 張偉

(北京生物制品研究所有限責任公司 北京 100176)

因現場可操作性較差，溫度變送器過去始終以《溫度變送器校準規范》為依據被局限于實驗室范圍內。溫度變送器設備工藝復雜，包含大量儀表且布置分散，現場校準操作階段極易出現設備損壞繼而導致企業停工、停產問題，且如何實現現場校準階段不確定度的有效評定始終是應用企業深度研究的問題。故從事溫度變送器現場校準方法探討，是提升現場校準水平，促進企業經濟效益的重要研究舉措。

1 溫度變送器概述

溫度變送器為工業領域常見設備，其主要用途為面向工業過程溫度實現精準的參數測量與控制，常見應用領域包括生物醫藥、化工、石油、建材、冶金、紡織等。溫度變送器通常分為設置傳感器、未設置傳感器兩類，現場檢測工況下設置傳感器型設備較為常見。在輸出信號方面，溫度變送器標準化輸出信號應以4～20 mA 與0～10 mA 直流電信號為主，具備顯示單元的設備可實現的測量溫度直觀顯示。溫度變送器原理示意圖具體見圖1。

根據圖1 可知，溫度變送器工作原理為將工業現場工況下測得的普通電信號、物理測量信號向通信協議支持的輸出形式或是標準電信號轉換，設備以熱電阻、熱電偶作為溫度測量元件，設備運行階段，自測量單元輸出信號，信號傳輸至信號處理/信號轉換單元后，基于穩壓濾波處理、運算放大處理、非線性校正處理、V/I轉換處理以及恒流處理、反向保護處理后，將采集的信號轉換成同溫度呈線性關系的電流信號。這一過程，是將交流電流轉換成為恒流電流環標準信號，并以連續的形式向接收裝置輸出[1]。

圖1 溫度變送器原理示意圖

2 溫度變送器現場校準方法研究

2.1 校準方法

以《溫度變送器校準規范》為依據，規范中明確指出溫度變送器校準工作，要求工作環境滿足相對濕度45%～75%，溫度為（20±5）°C，將傳感器部分在標準恒溫槽內浸沒，溫場方面以儀表的量程范圍為依據采取平局布置多點形式，遵循從低到高逐個點升溫原則實現逐一校準。實驗室校準方面，由環境與標準器所引入的標準具有較小的不確定度，結論相對準確，然而具有檢測時間成本高、單次檢測儀表數量較少、校準效率基地以及消耗大量人工成本的缺點，因此目前在線校準為應用領域主要發展方向。通常，溫度變送器工作環境溫度要求在-40 °C～85 °C 范圍內，基于《校準規范》提出的要求，溫度變送器校準環境至少需要滿足15 °C～35 °C 條件，且相對濕度至少滿足達到85%，如此才可確保設備校準工作不會受環境因素影響繼而導致校準結果失準問題[2]。

攜帶便攜式溫場工作溫度要求處于50 °C～300 °C范圍之間，且溫場波動性優于0.03 °C，溫場均勻性優于0.01 °C。二等標準鉑電阻溫度計與測量范圍為0～30 mA，且要求便攜式校驗儀滿足0.2級以上準確度等級。校準階段，將溫度變送器拆卸，向便攜溫場內一并放入標準鉑電阻溫度計，校驗儀方面則提供儀表24 V電壓源，一并讀取輸出電流值。恒溫溫場，以《校準規范》內提出的檢定點依次升溫要求為依據，等到30 min左右溫度源內溫度實現穩定狀態，校準人員比照標準鉑電阻溫度計顯示值，依次開展各檢定點校準，同時進行操作過程詳細記錄。對溫場均勻性以及穩定時間下限進行驗證，工作人員需要面向上下限10個均勻分布的溫度點加以測試，觀察10個溫度點是否達到0.01 °C均勻性，以及10 min內轉變為0.03 °C最低時限。檢測期間，若最長穩定時間為40 min，該情況判定溫度源檢測結果為均勻，且為40 min 穩定時間下線。該方法校準階段，需要模擬實驗室環境，于實際工況內提供水平均溫度≤0.01 °C，10 min 變化＜0.04 °C 且垂直溫場＜0.02 °C的穩定恒溫溫場。溫度變送器現場校準期間，對溫場散熱、保溫有著較高要求，故工作單位需架設獨立的便攜式溫場，同時配套計算機操作系統，但拆卸設備儀表校準期間需要消耗較高人工成本，即需要大量工作人員參與，盡管校準結果具備可靠性，但是對現場生產可能造成阻礙，且校準速率較低[2]。

2.2 一體化溫度變送器現場校準

2.2.1 現場校準方法確認

一體化溫度變送器的感溫元件為工業鉑電阻，在-80 °C～300 °C 環境下進行現場校準階段的方法為將一體化溫度變送器同測量標注近期一并放置于恒溫槽之內，盡可能讓二者靠近。隨后，在近似熱平衡狀態下將包含輸出電流值、顯示溫度在內的輸出值，同測量標準其溫度直加以比較。一體化溫度變送器，隸屬將溫度變化轉換成為具備一定函數關系標準化輸出信號的儀表設備，主要部件包括信號轉換器與傳感器，其中信號轉換器下包括測量、信號處理單元。

校準階段，測量誤差計算公式如下。

式（1）中，ΔAt為一體溫度變送器某一溫度點測量的誤差，單位為mA為一體化溫度變送器某一溫度點附近的實際輸出均值，單位為mA；Am與tm分別為一體化溫度變送器輸出量程以及輸入的量程，單位分別為mA 與°C；tˉ與t0分別為測量標準器測試獲取的平均值以及一體化溫度變送器輸入范圍下限值，單位均為°C；A0為一體化溫度變送器輸出理論下限值[3]。

2.2.2 現場校準實驗

準備5支包含0.5等級準確度傳感器的Pt100熱電阻一體化溫度變送器，實驗樣品變送器標準化輸出信號為4～20 mA，校準溫度點選擇樣品上限值、下限值、量程50%附近3個溫度點。

實驗室校準條件下的恒溫槽為正常尺寸，而限產校準則采用便攜式恒溫槽，且需要以現場實際需要為依據對導熱介質進行調整，通常生物制藥、工業、煤炭等工況下以乙醇、硅油、蒸餾水為主[4]。此次試驗恒溫設備參數具體見表1。

根據表1 內容可知，一體化溫度變送器現場校準應用便攜式恒溫槽與便攜式油槽，而實驗室校準則主要應用制冷恒溫槽、水槽與標準油槽，現場校準應用設備對比實驗室應用設備，有著更強的環境適應性。

表1 一體化溫度變送器現場校準實驗恒溫設備

2.2.3 校準實驗結果

實驗結果具體見表2。

表2 一體化溫度變送器現場校準實驗

基于上述實驗結果，可以得出，應用此次提出的一體化溫度變送器現場校準方法，獲取的校準結果同實驗室環境下校準結果差值較小，最大差值僅達到5.2 μA，對于0.5 級16 mA 輸出量程一體化溫度變送器占比僅不到7%。

2.3 溫度變送器現場校準不確定度評定方法

溫度變送器現場校準期間，輸出電流誤差測量結果存在不確定度[5]。以配K 分度溫度變送器輸出電流誤差不確定度為例，從事數學模型的分析與評定過程。

2.3.1 不確定度評定模型

溫度變送器現場校準不確定度評定數學模型：

式（2）中，ΔIt為溫度變送器t時刻之下溫度測量的誤差；Id為溫度變送器輸出電流值。Im與tm分別為溫度變送器輸出量程與輸入量程；ts與t0分別為溫度變送器輸入的溫度值以及輸入下線溫度值；e與Si分別為補償導線的修正值與熱電偶特性曲線下各個溫度測量點斜率；I0為溫度變送器輸出起始電流的值。

2.3.2Id輸入量標準不確定度評定

Id輸入量的不確定度主要源自于兩部分，其中，一種是被校準溫度變送器測量重復性，即u(Id1)測量重復性與u(Id2)測量過程校準儀示值誤差。

2.3.3ts輸入量標準不確定度評定

ts輸入量的不確定度主要來源于多功能校驗儀設備示值存在的誤差。校準期間，受連接導線、環境濕度與環境溫度的影響問題可忽略不計，u(ts)多功能校驗儀標準不確定度可采取B類方法加以行動。

2.3.4e輸入量標準不確定度評定

e輸入量的不確定度，主要源自于補償導線修正值所造成的不確定度。u(e)補償導線標準不確定度同樣可采用B類方法加以評定。

2.3.5 標準不確定度合成

首先，計算靈敏系數，即

其次，合成標準不確定度計算表達式，計算期間，Id、ts、e三者關系為彼此獨立，故標準不確定度合成期間按式（4）進行計算。

最后，開展不確定度評定的擴展，取包含因子k=2，95%置信概率，即U=k×uc(ΔIt)，各個校準點的測量誤差擴展不確定度，取上式計算結果最大值[6]。

以該文提出的數學模型進行一體化溫度變送器現場校準不確定度評定，以300 ℃上限值為例，最終得出拓展不確定對最大值為20 mA標稱值下的6.07 μA，僅為一體化溫度變送器輸出量程0.04%，＜0.5%的1/3，可判定此次面向一體化溫度變送器的現場校準方法，可準確校準0.5 級以及0.5 一下標準的一體化溫度變送器。

3 結語

該文開展溫度變送器現場校準方法探討。首先對溫度變送器原理加以介紹，隨后對溫度變送器校準領域當下常見校準方法的利弊做出分析，并提出具備較高可行性一體化溫度變送器現場校準方法并進行實驗分析，同時實現溫度變送器現場校準不確定度評定方法研究與實驗結果分析，最終基于實驗結果證明此次提出的方法可實現0.5 及以下等級一體化溫度變送器有效的現場校準。目前，溫度變送器應用過越發普及，各應用人員、設計單位未來應繼續針對現場校準方法開展深度研究，以全面降低設備校準難度，為設備應用企業帶來更大便利，從而推動應用企業生產率與經濟效益的提升。