熱電阻及其數字顯示儀表的現場校準

摘 要：本研究探討了熱電阻及其數字顯示儀表的現場校準技術，旨在確保儀表測量的準確性與可靠性。校準過程中，選擇Pt100型熱電阻作為標準傳感器，其示值誤差控制在0.4%以內，適用溫度范圍為-80℃至400℃。現場測溫儀要求具有高精度（±0.0025%）和分辨率（0.001℃），并通過RS-232接口與計算機連接，實現數據的自動采集和處理。校準方法包括比對實際測量值與標準值，調整儀表參數以確保輸出信號一致。整體校準時，需檢查熱電阻的外觀、連接及工作溫度范圍，同時測量儀表的絕緣電阻以確保安全性。自動校準需設置多個校準點以評估熱電阻性能，實時監測溫度變化以提高校準準確性。通過對不確定度的計算，得出標準不確定度范圍為0.18℃～0.35℃，最終校準結果滿足儀表的精度要求。校準過程中發現顯示儀表存在誤差，通過調整溫度補償值以提高測量準確性，并考慮溫度場波動對結果的影響，確保校準結果的可靠性和穩定性。

關鍵詞：熱電阻，數字顯示儀表，現場校準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.24.033

0 引 言

熱電阻及其數字顯示儀表在工業生產和實驗室中被廣泛應用于溫度測量和控制領域[1]。熱電阻是一種常用的溫度傳感器，其測量原理是利用材料電阻隨溫度變化而變化的特性。數字顯示儀表則用于接收和顯示熱電阻傳感器所測得的溫度數值，提供方便的實時監測和記錄功能[2]。然而，隨著設備的長時間運行和環境條件的變化，熱電阻及其數字顯示儀表會出現測量誤差或偏差。這是由于熱電阻傳感器安裝位置不當、傳感器老化、儀表校準不準確或環境溫度波動等原因導致的。為了確保溫度測量的準確性和可靠性，對熱電阻及其數字顯示儀表進行現場校準是必不可少的[3]。因此，研究熱電阻及其數字顯示儀表的現場校準過程和方法，探討校準中出現的問題及解決方案，對于提高溫度測量的準確性、穩定性和可靠性具有重要意義。

1 熱電阻及其數字顯示儀表現場校準技術

校準所需的溫度傳感器應保證示值誤差在0.4%的讀數要求內，并且與測溫端之間的距離不應超過76毫米。為此，選擇Pt10 0型熱電阻作為校準用傳感器是最佳選擇。Pt100型熱電阻具有極高的穩定性和準確性，標準不確定度僅為0.05℃，適用范圍廣泛，可覆蓋-80℃至400℃的輸出溫度范圍。確保所選傳感器滿足校準的要求，并且能夠在保持測量準確性的同時，與測溫端之間的距離不會對其性能產生負面影響[4]。現場使用的測溫儀需要具有高精度，準確度要求達到±0.0 025%，分辨率為0.001℃。同時，測溫儀還需要能夠測量校準熱電阻的輸出溫度。校準儀表采用標準鉑電阻溫度計，示值誤差同樣需達到0.4%的讀數誤差要求。為了實現數據的自動采集、處理和存儲，測溫端和儀表需要通過計算機RS-232接口連接。通過軟件實現自動化操作，使得數據采集更加方便快捷。這樣不僅提高工作效率，還減少人為誤差。通過計算機連接，還實時監測數據變化，及時做出調整。

2 校準方法

在校準過程中，需要通過比對實際測量值和標準值，調整儀表的參數，以確保其輸出的電信號與標準傳感器的信號一致。通過對熱電阻和儀表的整體性能進行測試和調整，提高測量的準確性，從而保證工作的可靠性。在單獨校準過程中，需要對溫控儀表的各項參數進行調整和測試，以確保其在實際工作中能夠準確控制溫度，從而滿足工作要求。

2.1 整體校準

仔細檢查熱電阻的外觀，確保沒有明顯的損壞或腐蝕，并檢查傳感器的連接是否牢固可靠。同時，還需要核對熱電阻的工作溫度范圍和精度等級是否與校準儀器相符，以確保校準的準確性和有效性。使用萬能表來測量儀表金屬外殼與輸入端子、接地端子、電源端子之間的絕緣電阻。這一步驟是為了確保儀表在使用過程中的安全性，避免因絕緣不良而導致電路短路或其他安全隱患。在進行電阻測量時，應該讓儀器在測量后穩定5秒后再進行讀數，避免由于儀器波動或干擾導致的誤差[5]。另外，在進行電阻測量時，還需要確保測得的電阻至少達到20MΩ。電阻值足夠大時，降低電路的漏電流，減小測量誤差，提高測量的準確性。

在進行熱電阻的自動校準時，首先需要采用校準用的溫控系統。在進行校準之前，應該提前打開電源開關進行預熱，預熱的時間至少應達到15分鐘。通過預熱，確保系統內部的溫度穩定，并且達到所需的工作溫度，從而提高校準的準確性和可靠性。在進行自動校準時，需要在熱電阻的溫度上限和下限范圍內設置至少3個校準點，以開展測試。通過設置多個校準點，更全面地評估熱電阻在不同溫度下的性能表現，確保其在整個溫度范圍內的測量準確性。

在工業車間現場對溫控系統進行校準時，一種常見的方法是將補償導線直接連接校準和被校準儀表的兩端。這樣的連接方式確保信號傳輸的穩定性和準確性，從而保證校準的有效性和可靠性。通過直接連接補償導線，實現儀表與熱電阻測量環境箱內溫度變化的實時監測和對比。通過連接熱電阻測量環境箱內的溫度變化，模擬實際工作環境下的溫度波動，進而對溫控系統進行更為真實和準確的校準。這種實時監測和對比的方式幫助校準人員更好地了解系統的工作狀態，及時發現問題并進行調整。熱電阻及數字顯示儀表整體校準如圖1所示。

在進行溫控系統的校準時，一種常見的方法是將溫度設定為從20℃逐步升溫至40℃，然后迅速降溫至20℃。這個過程旨在模擬實際工作環境中的溫度變化情況，以確保系統在不同溫度下的穩定性和準確性。通過這種方式逐步升溫和迅速降溫，評估溫控系統在溫度變化時的響應速度和準確性。在校準過程中，需要確保環境溫度發生變化4小時后，校準結果的變化不超過0.2℃。這個要求旨在驗證溫控系統在長時間使用過程中的穩定性和準確性。通過監測校準結果在環境溫度變化后的變化情況，評估系統的性能表現是否符合要求，確保其在實際工作環境中能夠穩定可靠地工作。在校準過程中，需要對系統進行嚴格的監測和記錄，以確保校準結果的準確性和可靠性。通過設定溫度變化范圍和時間要求，更全面地評估溫控系統在不同工作條件下的性能表現，為系統的后續使用提供參考和依據。同時，通過這種嚴格的校準方法，確保溫控系統在實際工作中能夠穩定可靠地控制溫度，提高生產過程的效率和產品質量。

2.2 單獨校準

在進行現場測試時，通常會對儀表的測量準確性進行評估，以確保其可靠性和準確性。根據標準規定，現場測試中最大允許誤差通常不應超過±0.6℃或讀數的±0.1%。在將示值誤差作為儀表校準的關鍵指標時，應將溫度的上限和下限視為校準點，并在這些點中至少設置3個混合分布點。通過在校準點附近設置混合分布點，更全面地評估儀表在不同溫度范圍內的測量準確性和穩定性。

在工業生產中，儀表搭配Pt-100熱電阻使用是一種常見的溫度測量方法。Pt-100熱電阻是一種常用的溫度傳感器，具有高精度和穩定性。該熱電阻的最大允許誤差一般為±1.0%FS，分辨率可達到0.1℃，能夠滿足工業生產對溫度測量精度的要求。為了更好地應對工業生產環境中存在的信號干擾問題，通常會采用三線制連接儀表的方式。通過內部電橋電路連接導線線阻，有效消除信號干擾，確保溫度測量的準確性和穩定性。

根據儀表使用規范要求，通常會在溫度范圍內設置多個校準點，以確保儀表的準確性和穩定性。在使用Pt-100熱電阻進行溫度測量時，一般會設置0℃、100℃、200℃、300℃、400℃等共計5個校準點。這些校準點覆蓋了常見的工業生產溫度范圍，能夠有效地對儀表進行校準和調試。根據90溫標查找各個校準點對應的電勢值是一種常見的校準方法。通過查表或計算，得到Pt-100熱電阻在不同溫度下的電勢值，從而與儀表測量的電勢值進行比較，調整儀表的校準參數，確保溫度測量的準確性。

在每次進行溫度測量的過程中，為了提高測量的準確性，通常會取兩次讀數的平均值作為最終的測量結果。這種方法有效地減少由于環境因素或人為誤差引起的測量偏差，提高測量結果的穩定性和可靠性。儀表能夠準確顯示溫度值的最小單位為0.1℃，為了進一步提高測量結果的精確度，通常會將測量結果末位取值小數點后一位。

3 校準結果

3.1 溫控系統校準誤差

根據整體校準結果來看，環境溫度的變化對校準結果的影響通常按照正態分布來進行估計。正態分布是一種常見的統計分布，描述大部分自然現象的變化情況，包括環境溫度對校準結果的影響。在實際的現場環境中，由于各種因素的影響，環境溫度會發生變化。為了評估這種溫度變化對校準結果的不確定性，引入一個參數k，用來描述環境溫度變化引入的不確定度。當k =2.58時，表示環境溫度變化引入的不確定度為u（t環）=0.2/2.58=0.078℃。這個不確定度的計算方式是通過將環境溫度變化的影響按照正態分布進行估計，并結合實際的環境溫度變化情況來計算得出的。

Δt =td -（ts +te） （ 1）

式中：td為通過多次測量得到的結果的平均數，ts作為校準的標準參考值，te為在實際的校準過程中由于導線的阻抗、長度等因素會引入誤差。需要通過補償導線的修正值來校正這些誤差，以確保校準結果的準確性和可靠性。在-80℃測溫點下，待校儀表讀數td的不確定度為0.01，標準器輸出ts的不確定度為0.12，補償導線修正值te的不確定度為0.10，環境溫度變化u（t 環）的不確定度為0.78。在200℃測溫點下，待校儀表讀數td的不確定度為0.01，標準器輸出ts的不確定度為0.12，補償導線修正值te的不確定度為0.10，環境溫度變化u（t 環）的不確定度為0.078。在400℃測溫點下，待校儀表讀數td的不確定度為0.01，標準器輸出ts的不確定度為0.12，補償導線修正值te的不確定度為0.10，環境溫度變化u（t 環）的不確定度為0.078。標準不確定度分量見表1。

標準不確定度在0.18～0.35℃，在校準過程中考慮了各個分量的影響后，得到的標準不確定度范圍比較窄，表明校準結果的準確性較高。在考慮了K=2的情況下，標準不確定度的范圍相對較大，但仍在可接受的范圍內，最終取值在0.4～0.7℃。校準過程中考慮的不確定度范圍與儀表的允許誤差之間的差距在可接受的范圍內。表明溫控系統在整體校準要求方面是達到要求的，即校準結果滿足儀表的精度和準確性要求。

3.2 顯示儀表校準誤差

在進行校準過程中，發現顯示儀表存在一定的校準誤差。為了提高儀表的準確性和可靠性，采取了修正儀表的溫度補償值的措施。通過調整溫度補償值，使得儀表的顯示值更加接近實際溫度，從而提高了測量的準確性。在校準過程中，還特別考慮了溫度場波動對校準結果的影響。由于溫度場的波動會導致測量結果的不穩定性，采取了相應的措施來減小不確定度，確保校準結果的可靠性和穩定性。通過對溫度場波動和其他因素的影響進行分析，對儀表的校準結果進行了更加準確和全面的評估。擴展不確定度的值較小，表明對儀表的校準結果有較高的信心，校準結果的可靠性較高。

4 結 語

通過本次研究和實踐，深入了解了熱電阻及其數字顯示儀表的現場校準過程，并發現了一些常見的問題和解決方法。在今后的工作中，將繼續關注熱電阻的準確性和穩定性，不斷改進現場校準的方法和技術，以提高生產效率和產品質量。希望本文對相關領域的研究和實踐有所啟發，為工程技術人員提供有益的參考和指導。

參考文獻

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作者簡介

曹廣鵬，碩士研究生，工程師，主要研究方向為熱工計量測試。

（責任編輯：袁文靜）