溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法
發(fā)布時(shí)間：2023-02-08 09:59:51來源：hseauto.cn來源：..
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因現(xiàn)場可操作性較差，溫度變送器過去始終以《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》為依據(jù)被局限于實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)。溫度變送器設(shè)備工藝復(fù)雜，包含大量儀表且布置分散，現(xiàn)場校準(zhǔn)操作階段極易出現(xiàn)設(shè)備損壞繼而導(dǎo)致企業(yè)停工、停產(chǎn)問題，且如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)階段不確定度的有效評定始終是應(yīng)用企業(yè)深度研究的問題。故從事溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法探討，是提升現(xiàn)場校準(zhǔn)水平，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(yè)領(lǐng)域常見設(shè)備，其主要用途為面向工業(yè)過程溫度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的參數(shù)測量與控制，常見應(yīng)用領(lǐng)域包括生物醫(yī)藥、化工、石油、建材、冶金、紡織等。溫度變送器通常分為設(shè)置傳感器、未設(shè)置傳感器兩類，現(xiàn)場檢測工況下設(shè)置傳感器型設(shè)備較為常見。輸出信號方面，溫度變送器標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號以4～20 mA與0～10 mA直流電信號為主，具備顯示單元的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)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(jù)圖1可知，溫度變送器工作原理為將工業(yè)現(xiàn)場工況下測得的普通電信號、物理測量信號向通信協(xié)議支持的輸出形式或是標(biāo)準(zhǔn)電信號轉(zhuǎn)換，設(shè)備以熱電阻、熱電偶作為溫度測量元件，設(shè)備運(yùn)行階段，自測量單元輸出信號，信號傳輸至信號處理/信號轉(zhuǎn)換單元后，基于穩(wěn)壓濾波處理、運(yùn)算放大處理、非線性校正處理、V/I轉(zhuǎn)換處理以及恒流處理、反向保護(hù)處理后，將采集的信號轉(zhuǎn)換成同溫度呈線性關(guān)系的電流信號。這一過程，是將交流電流轉(zhuǎn)換成為恒流電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號，并以連續(xù)的形式向接收裝置輸出[1]。
2溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究
2.1校準(zhǔn)方法
以《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》為依據(jù)，規(guī)范中明確指出溫度變送器校準(zhǔn)工作，要求工作環(huán)境滿足相對濕度45%～75%，溫度為（20±5）°C，將傳感器部分在標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽內(nèi)浸沒，溫場方面意義儀表的量程范圍為依據(jù)采取平局布置多點(diǎn)形式，遵循從低到高逐個(gè)點(diǎn)升溫原則實(shí)現(xiàn)逐一校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方面，由環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)器所引入的標(biāo)準(zhǔn)具有較小的不確定度，結(jié)論相對準(zhǔn)確，然而具有檢測時(shí)間成本高、單次檢測儀表數(shù)量較少、校準(zhǔn)效率基地以及消耗大量人工成本的缺點(diǎn)，因此目前在線校準(zhǔn)為應(yīng)用領(lǐng)域主要發(fā)展方向。通常，溫度變送器工作環(huán)境溫度要求在-40 °C～85 °C范圍內(nèi)，基于《校準(zhǔn)規(guī)范》提出的要求，溫度變送器校準(zhǔn)環(huán)境至少需要滿足15 °C～35 °C條件，且相對濕度至少滿足達(dá)到85%，如此才可確保設(shè)備校準(zhǔn)工作不會受環(huán)境因素影響繼而導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果失準(zhǔn)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(yōu)于0.03 °C，溫場均勻性優(yōu)于0.01 °C。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與測量范圍為0～30 mA，且要求便攜式校驗(yàn)儀滿足0.2級以上準(zhǔn)確度等級。校準(zhǔn)階段，將溫度變送器拆卸，向便攜溫場內(nèi)一并放入標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，校驗(yàn)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(zhǔn)規(guī)范》內(nèi)提出的檢定點(diǎn)依次升溫要求為依據(jù)，等到30 min左右溫度源內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，校準(zhǔn)人員比照標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)顯示值，依次開展各檢定點(diǎn)校準(zhǔn)，同時(shí)進(jìn)行操作過程詳細(xì)記錄。對于溫場均勻性以及穩(wěn)定時(shí)間下限進(jìn)行驗(yàn)證，工作人員需要面向上下限10個(gè)均勻分布的溫度點(diǎn)加以測試，觀察10個(gè)溫度點(diǎn)是否達(dá)到0.01 °C均勻性，以及10 min內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)?.03 °C最低時(shí)限。檢測期間，若最長穩(wěn)定時(shí)間為40 min，該情況判定溫度源檢測結(jié)果為均勻，且為40 min穩(wěn)定時(shí)間下線。該方法校準(zhǔn)階段，需要模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，于實(shí)際工況內(nèi)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(wěn)定恒溫溫場。溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)期間，對于溫場散熱、保溫有著較高要求，故工作單位需架設(shè)獨(dú)立的便攜式溫場，同時(shí)配套計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，但拆卸設(shè)備儀表校準(zhǔn)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(zhǔn)結(jié)果具備可靠性，但是對現(xiàn)場生產(chǎn)可能造成阻礙，且校準(zhǔn)速率較低[2]。
2.2一體化溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)
2.2.1現(xiàn)場校準(zhǔn)方法確認(rèn)
一體化溫度變送器的感溫元件為工業(yè)鉑電阻，在-80 °C～300 °C環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)階段的方法為將一體化溫度變送器同測量標(biāo)注近期一并放置于恒溫槽之內(nèi)，盡可能讓二者靠近。隨后，在近似熱平衡狀態(tài)下將包含輸出電流值、顯示溫度在內(nèi)的輸出值，同測量標(biāo)準(zhǔn)其溫度直加以比較。一體化溫度變送器，隸屬將溫度變化轉(zhuǎn)換成為具備一定函數(shù)關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表設(shè)備，主要部件包括信號轉(zhuǎn)換器與傳感器，其中信號轉(zhuǎn)換器下包括測量、信號處理單元。
校準(zhǔn)階段，測量誤差計(jì)算公式見式：2：
式（1）中，表示一體溫度變送器某一溫度點(diǎn)測量的誤差，單位為mA。表示一體化溫度變送器某一溫度點(diǎn)附近的實(shí)際輸出均值，單位為mA。與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。與分別表示測量標(biāo)準(zhǔn)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。表示一體化溫度變送器輸出理論下限值 2.2.2現(xiàn)場校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
準(zhǔn)備5支包含0.5等級準(zhǔn)確度傳感器的Pt100熱電阻一體化溫度變送器，實(shí)驗(yàn)樣品變送器標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號為4～20 mA，校準(zhǔn)溫度點(diǎn)選擇樣品上限值、下限值、量程50%附近3個(gè)溫度點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)條件下的恒溫槽為正常尺寸，而限產(chǎn)校準(zhǔn)則采用便攜式恒溫槽，且需要以現(xiàn)場實(shí)際需要為依據(jù)對導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，通常生物制藥、工業(yè)、煤炭等工況下以乙醇、硅油、蒸餾水為主[4]。此次試驗(yàn)恒溫設(shè)備參數(shù)見表1。
根據(jù)表1內(nèi)容可知，一體化溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)應(yīng)用便攜式恒溫槽與便攜式油槽，而實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)則主要應(yīng)用制冷恒溫槽、水槽與標(biāo)準(zhǔn)油槽，現(xiàn)場校準(zhǔn)應(yīng)用設(shè)備對比實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用設(shè)備，有著更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
2.2.3校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體見表2。
基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出，應(yīng)用此次提出的一體化溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，獲取的校準(zhǔn)結(jié)果同實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下校準(zhǔn)結(jié)果差值較小，最大差值僅達(dá)到5.2，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(xiàn)場校準(zhǔn)不確定度評定方法
溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)期間，輸出電流誤差測量結(jié)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(shù)學(xué)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(xiàn)場校準(zhǔn)不確定度評定數(shù)學(xué)模型：
式（2）中，為溫度變送器t時(shí)刻之下溫度測量的誤差;為溫度變送器輸出電流值。與分別為溫度變送器輸出量程與輸入量程;與分別為溫度變送器輸入的溫度值以及輸入下線溫度值;與分別為補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值與熱電偶特性曲線下各個(gè)溫度測量點(diǎn)斜率;為溫度變送器輸出起始電流的值。
2.3.2 輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
輸入量的不確定度主要源自于兩部分，其中，一種是被校準(zhǔn)溫度變送器測量重復(fù)性，即測量重復(fù)性與測量過程校準(zhǔn)儀示值誤差。
2.3.3 輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
輸入量的不確定度主要來源于多功能校驗(yàn)儀設(shè)備示值存在的誤差。校準(zhǔn)期間，受連接導(dǎo)線、環(huán)境濕度與環(huán)境溫度的影響問題可忽略不計(jì)，多功能校驗(yàn)儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度可采取B類方法加以行動。
2.3.4 e輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
e輸入量的不確定度，主要源自于補(bǔ)償導(dǎo)線修正值所造成的不確定度。補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)不確定度同樣可采用B類方法加以評定。
2.3.5標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成
首先，計(jì)算靈敏系數(shù)，即：
其次，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算表達(dá)式，計(jì)算期間，、、三者關(guān)系為彼此獨(dú)立，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成期間按下式進(jìn)行計(jì)算：
最后，開展不確定度評定的擴(kuò)展，取包含因子，95%置信概率，即，各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測量誤差擴(kuò)展不確定度，取上式計(jì)算結(jié)果最大值[6]。
以該文提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一體化溫度變送器現(xiàn)場校準(zhǔn)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(biāo)稱值下的6.07，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(xiàn)場校準(zhǔn)方法，可準(zhǔn)確校準(zhǔn)0.5級以及0.5一下標(biāo)準(zhǔn)的一體化溫度變送器。
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