温度变送器现场校准方法
发布时间：2023-02-08 09:59:51来源：hseauto.cn来源：..
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因现场可操作性较差，温度变送器过去始终以《温度变送器校准规范》为依据被局限于实验室范围内。温度变送器设备工艺复杂，包含大量仪表且布置分散，现场校准操作阶段极易出现设备损坏继而导致企业停工、停产问题，且如何实现现场校准阶段不确定度的有效评定始终是应用企业深度研究的问题。故从事温度变送器现场校准方法探讨，是提升现场校准水平，促进企业经济效益的重要研究举措。
1温度变送器概述
温度变送器为工业领域常见设备，其主要用途为面向工业过程温度实现精准的参数测量与控制，常见应用领域包括生物医药、化工、石油、建材、冶金、纺织等。温度变送器通常分为设置传感器、未设置传感器两类，现场检测工况下设置传感器型设备较为常见。输出信号方面，温度变送器标准化输出信号以4～20 mA与0～10 mA直流电信号为主，具备显示单元的设备可实现的测量温度直观显示。温度变送器原理示意图具体见图1。
根据图1可知，温度变送器工作原理为将工业现场工况下测得的普通电信号、物理测量信号向通信协议支持的输出形式或是标准电信号转换，设备以热电阻、热电偶作为温度测量元件，设备运行阶段，自测量单元输出信号，信号传输至信号处理/信号转换单元后，基于稳压滤波处理、运算放大处理、非线性校正处理、V/I转换处理以及恒流处理、反向保护处理后，将采集的信号转换成同温度呈线性关系的电流信号。这一过程，是将交流电流转换成为恒流电流环标准信号，并以连续的形式向接收装置输出[1]。
2温度变送器现场校准方法研究
2.1校准方法
以《温度变送器校准规范》为依据，规范中明确指出温度变送器校准工作，要求工作环境满足相对湿度45%～75%，温度为（20±5）°C，将传感器部分在标准恒温槽内浸没，温场方面意义仪表的量程范围为依据采取平局布置多点形式，遵循从低到高逐个点升温原则实现逐一校准。实验室校准方面，由环境与标准器所引入的标准具有较小的不确定度，结论相对准确，然而具有检测时间成本高、单次检测仪表数量较少、校准效率基地以及消耗大量人工成本的缺点，因此目前在线校准为应用领域主要发展方向。通常，温度变送器工作环境温度要求在-40 °C～85 °C范围内，基于《校准规范》提出的要求，温度变送器校准环境至少需要满足15 °C～35 °C条件，且相对湿度至少满足达到85%，如此才可确保设备校准工作不会受环境因素影响继而导致校准结果失准问题[2]。
携带便携式温场工作温度要求处于50 °C～300 °C范围之间，且温场波动性优于0.03 °C，温场均匀性优于0.01 °C。二等标准铂电阻温度计与测量范围为0～30 mA，且要求便携式校验仪满足0.2级以上准确度等级。校准阶段，将温度变送器拆卸，向便携温场内一并放入标准铂电阻温度计，校验仪方面则提供仪表24 V电压源，一并读取输出电流值。恒温温场，以《校准规范》内提出的检定点依次升温要求为依据，等到30 min左右温度源内温度实现稳定状态，校准人员比照标准铂电阻温度计显示值，依次开展各检定点校准，同时进行操作过程详细记录。对于温场均匀性以及稳定时间下限进行验证，工作人员需要面向上下限10个均匀分布的温度点加以测试，观察10个温度点是否达到0.01 °C均匀性，以及10 min内转变为0.03 °C最低时限。检测期间，若最长稳定时间为40 min，该情况判定温度源检测结果为均匀，且为40 min稳定时间下线。该方法校准阶段，需要模拟实验室环境，于实际工况内提供水平均温度≤0.01 °C，10 min变化<0.04 °C且垂直温场<0.02 °C的稳定恒温温场。温度变送器现场校准期间，对于温场散热、保温有着较高要求，故工作单位需架设独立的便携式温场，同时配套计算机操作系统，但拆卸设备仪表校准期间需要消耗较高人工成本，即需要大量工作人员参与，尽管校准结果具备可靠性，但是对现场生产可能造成阻碍，且校准速率较低[2]。
2.2一体化温度变送器现场校准
2.2.1现场校准方法确认
一体化温度变送器的感温元件为工业铂电阻，在-80 °C～300 °C环境下进行现场校准阶段的方法为将一体化温度变送器同测量标注近期一并放置于恒温槽之内，尽可能让二者靠近。随后，在近似热平衡状态下将包含输出电流值、显示温度在内的输出值，同测量标准其温度直加以比较。一体化温度变送器，隶属将温度变化转换成为具备一定函数关系标准化输出信号的仪表设备，主要部件包括信号转换器与传感器，其中信号转换器下包括测量、信号处理单元。
校准阶段，测量误差计算公式见式：2：
式（1）中，表示一体温度变送器某一温度点测量的误差，单位为mA。表示一体化温度变送器某一温度点附近的实际输出均值，单位为mA。与分别为一体化温度变送器输出量程以及输入的量程，单位分别为mA与°C。与分别表示测量标准器测试获取的平均值以及一体化温度变送器输入范围下限值，单位均为°C。表示一体化温度变送器输出理论下限值 2.2.2现场校准实验
准备5支包含0.5等级准确度传感器的Pt100热电阻一体化温度变送器，实验样品变送器标准化输出信号为4～20 mA，校准温度点选择样品上限值、下限值、量程50%附近3个温度点。
实验室校准条件下的恒温槽为正常尺寸，而限产校准则采用便携式恒溫槽，且需要以现场实际需要为依据对导热介质进行调整，通常生物制药、工业、煤炭等工况下以乙醇、硅油、蒸馏水为主[4]。此次试验恒温设备参数见表1。
根据表1内容可知，一体化温度变送器现场校准应用便携式恒温槽与便携式油槽，而实验室校准则主要应用制冷恒温槽、水槽与标准油槽，现场校准应用设备对比实验室应用设备，有着更强的环境适应性。
2.2.3校准实验结果
实验结果具体见表2。
基于上述实验结果，可以得出，应用此次提出的一体化温度变送器现场校准方法，获取的校准结果同实验室环境下校准结果差值较小，最大差值仅达到5.2，对于 0.5级16 mA输出量程一体化温度变送器占比仅不到7%。
2.3温度变送器现场校准不确定度评定方法
温度变送器现场校准期间，输出电流误差测量结果存在不确定度[5]。以配K分度温度变送器输出电流误差不确定度为例，从事数学模型的分析与评定过程。
2.3.1不确定度评定模型
温度变送器现场校准不确定度评定数学模型：
式（2）中，为温度变送器t时刻之下温度测量的误差;为温度变送器输出电流值。与分别为温度变送器输出量程与输入量程;与分别为温度变送器输入的温度值以及输入下线温度值;与分别为补偿导线的修正值与热电偶特性曲线下各个温度测量点斜率;为温度变送器输出起始电流的值。
2.3.2 输入量标准不确定度评定
输入量的不确定度主要源自于两部分，其中，一种是被校准温度变送器测量重复性，即测量重复性与测量过程校准仪示值误差。
2.3.3 输入量标准不确定度评定
输入量的不确定度主要来源于多功能校验仪设备示值存在的误差。校准期间，受连接导线、环境湿度与环境温度的影响问题可忽略不计，多功能校验仪标准不确定度可采取B类方法加以行动。
2.3.4 e输入量标准不确定度评定
e输入量的不确定度，主要源自于补偿导线修正值所造成的不确定度。补偿导线标准不确定度同样可采用B类方法加以评定。
2.3.5标准不确定度合成
首先，计算灵敏系数，即：
其次，合成标准不确定度计算表达式，计算期间，、、三者关系为彼此独立，故标准不确定度合成期间按下式进行计算：
最后，开展不确定度评定的扩展，取包含因子，95%置信概率，即，各个校准点的测量误差扩展不确定度，取上式计算结果最大值[6]。
以该文提出的数学模型进行一体化温度变送器现场校准不确定度评定，以300 ℃上限值为例，最终得出拓展不确定对最大值为20 mA标称值下的6.07，仅为一体化温度变送器输出量程0.04%，<0.5%的1/3，可判定此次面向一体化温度变送器的现场校准方法，可准确校准0.5级以及0.5一下标准的一体化温度变送器。
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