1、概述
溫度在測(cè)試中極其重要，溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，一體化溫度變送器將溫度傳感器和溫度變送器合二為一，將溫度傳感器的溫度信號(hào)(毫伏或電阻)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)。目前一體化溫度變送器使用的相對(duì)較多，現(xiàn)階段校準(zhǔn)均對(duì)其溫度傳感器和溫度變送器單獨(dú)進(jìn)行校準(zhǔn)，從校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)看，有些溫度傳感器送器偏差較大，用戶(hù)在配套使用一體化溫度變送器時(shí)會(huì)存在誤差疊加或抵消現(xiàn)象。本文對(duì)一體化溫度傳感器(熱電阻型)進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)和整體校準(zhǔn)，并對(duì)一體化溫度變送器校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度影響因素分析，從而得出最佳的校準(zhǔn)方法。
1.1 校準(zhǔn)對(duì)象、條件
在環(huán)境溫度：(20±5)℃，相對(duì)濕度：45%～75%，周?chē)卮艌?chǎng)外。以昌暉儀表制造有限公司生產(chǎn)的WZPB-9型二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量-50℃～100℃、溫度變送器測(cè)量-50℃～100℃，輸出4-20mA。以校準(zhǔn)100℃對(duì)應(yīng)輸出20mA為例，以不同方式進(jìn)行一體化溫度變送器校準(zhǔn)，對(duì)一體化溫度變送器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度影響因素分析。
1.2 一體化溫度變送器校準(zhǔn)方法
①單獨(dú)校準(zhǔn)：檢定鉑電阻時(shí)，將被檢鉑電阻與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)一同放入恒溫槽中，讀取各自輸出的電阻值；校準(zhǔn)溫度變送器時(shí)，將模擬的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻信號(hào)輸入至溫度變送器，通過(guò)變送輸出，用高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量其變送輸出電流值。
②整體校準(zhǔn)：將被檢一體化溫度變送器與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻一同放入恒溫槽中，用高精度數(shù)字萬(wàn)用表讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的電阻值，溫度變送器的變送輸出電流值。
1.3 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
①金屬管二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(型號(hào)：WZPB-9)：
(dR/dt)100=0.37928 Ω/℃、復(fù)現(xiàn)性±5mK、周期穩(wěn)定性±10mK。
②FLUKE1560型堆棧式測(cè)溫儀
標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)量±(0.002%RDG+0.0005Ω)、被檢電阻測(cè)量±(0.004%RDG+0.001Ω)。
③Microcal200型多功能校驗(yàn)儀
電流測(cè)量±(0.02%RDG+0.4μA)、Pt100輸出±(0.02%RDG+0.05℃)。
④恒溫槽
均勻性≤0.01℃、溫度波動(dòng)≤±0.02℃/10 min。
1.4 測(cè)量數(shù)據(jù)
標(biāo)準(zhǔn)電阻平均值為35.352Ω、被檢電阻平均值為138.2610Ω、單獨(dú)校準(zhǔn)方法測(cè)量電流值平均值為20.003mA、整體校準(zhǔn)方法測(cè)量電流值平均值為19.936mA。
2、數(shù)學(xué)模型
單獨(dú)校準(zhǔn)和整體校準(zhǔn)測(cè)量模型詳見(jiàn)JJF1183-2007《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》和JJG229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》。
3、影響因素分析
3.1 單獨(dú)校準(zhǔn)
3.1.1 鉑電阻檢定影響因素的不確定度分析凡由重復(fù)性誤差引入分量的都采用A類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，其他分量引入的都采用B類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，按均勻分布考慮，包含因子(以下全同)。
①輸入量Δth引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δth)
輸入量u(Δth)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于被檢鉑電阻重復(fù)性誤差、恒溫槽插孔之間的溫差、電測(cè)設(shè)備和電測(cè)設(shè)備自熱效應(yīng)引入的誤差。各分量為：被檢鉑電阻重復(fù)性誤差約為0.003℃，恒溫槽插孔之間的溫差約為0.012℃，電測(cè)設(shè)備約為0.009℃，電測(cè)設(shè)備自熱約為0.002℃。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此輸入量u(Δth)引入的不確定度分量約為0.015℃。
②輸入量u(Δt*h)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Δt*h)
輸入量u(Δt*h)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)復(fù)現(xiàn)性、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)周期穩(wěn)定性、自熱效應(yīng)和電測(cè)設(shè)備。各分量為：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻復(fù)現(xiàn)性約為0.003℃，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻周期穩(wěn)定性約為0.006℃，恒溫槽自熱效應(yīng)約為0℃(100℃時(shí)其處于較高溫度，自熱影響可以忽略不計(jì))，電測(cè)設(shè)備約為0.002℃。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此u(Δt*h)引入的不確定度分量約為0.007℃。
③合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
輸入量Δth和Δt*h相互之間彼此獨(dú)立，可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度約為0.017℃。
從上述分量可看出鉑電阻檢定主要誤差來(lái)源于恒溫槽插孔之間的溫差。
3.1.2 溫度變送器校準(zhǔn)影響因素的不確定度分析
①輸入量Ad引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Ad)
輸入量u(Ad)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于被校變送器電流測(cè)量的重復(fù)性和溫度校驗(yàn)儀的測(cè)量誤差。各分量為：電流測(cè)量重復(fù)性約為0.0003mA，溫度校驗(yàn)儀測(cè)量誤差約為0.0025mA。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此u(Ad)引入的不確定度分量約為0.0025mA。
②輸入量ts引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ts)
輸入量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于溫度校驗(yàn)儀輸出誤差和專(zhuān)用連接導(dǎo)線(xiàn)誤差。各分量為：溫度校驗(yàn)儀輸出誤差約為0.04℃，專(zhuān)用連接導(dǎo)線(xiàn)約為0.043℃。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此u(ts)引入的不確定度分量約為0.06℃。
③)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
輸入量Ad和ts相互之間彼此獨(dú)立，可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度約為0.0069mA。從上述各分量可看出溫度變送器校準(zhǔn)主要誤差來(lái)源于連接導(dǎo)線(xiàn)。根據(jù)上述單獨(dú)校準(zhǔn)不確定度分析可知：鉑電阻合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.017℃，溫度變送器合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0069mA約為0.065℃，用ΔAt=實(shí)表示單獨(dú)校準(zhǔn)的合成誤差，則：ΔAt=實(shí)≈0.067℃。
3.2 一體化溫度變送器整體校準(zhǔn)
①輸入量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于被校變送器電流測(cè)量的重復(fù)性和溫度校驗(yàn)儀的測(cè)量誤差。各分量為：電流測(cè)量重復(fù)性約為0.0003mA，溫度校驗(yàn)儀測(cè)量誤差約為0.0025mA。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此引入的不確定度分量約為0.0025mA。
②輸入量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來(lái)源于恒溫槽插孔之間的溫差、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻復(fù)現(xiàn)性、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻周期穩(wěn)定性、電測(cè)設(shè)備、電測(cè)設(shè)備自熱、恒溫槽自熱效應(yīng)和專(zhuān)用連接導(dǎo)線(xiàn)。各分量為：恒溫槽插孔之間約為0.012℃，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)復(fù)現(xiàn)性約為0.003℃，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)周期穩(wěn)定性約為0.006℃，電測(cè)設(shè)備約為0.002℃，恒溫槽自熱效應(yīng)約為0℃，電測(cè)設(shè)備自熱約為0.002℃，專(zhuān)用連接導(dǎo)線(xiàn)約為0℃(被檢輸出信號(hào)線(xiàn)直接連接至輸入信號(hào)端鈕上，故不存在連接導(dǎo)線(xiàn)誤差)。由于各分量彼此相互獨(dú)立，因此引入的不確定度分量約為0.024℃。
③輸入量和相互之間彼此獨(dú)立，可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量約為0.0036mA。從上述分量可看出一體化變送器校準(zhǔn)主要誤差來(lái)源于恒溫槽插孔之間的溫差。根據(jù)上述整體校準(zhǔn)不確定度分析可知：整體合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0036mA，約為0.034℃，用ΔAt=實(shí)表示整體校準(zhǔn)的合成誤差，則：ΔAt=實(shí)=uc(ΔAt)≈0.034℃。根據(jù)對(duì)兩種種校準(zhǔn)方式的不確定度分析，從校準(zhǔn)結(jié)果可看出整體校準(zhǔn)方式的結(jié)果略?xún)?yōu)于單獨(dú)校準(zhǔn)結(jié)果，但兩者的校準(zhǔn)結(jié)果均滿(mǎn)足其準(zhǔn)確度等級(jí)。
4、結(jié)語(yǔ)
①通過(guò)對(duì)一體化溫度變送器校準(zhǔn)結(jié)果影響因素進(jìn)行不確定度分析和評(píng)定可看出單獨(dú)校準(zhǔn)和整體校準(zhǔn)這兩種校準(zhǔn)方式均可行。
②從時(shí)間成本、計(jì)算復(fù)雜程度、油槽溫度限制(油槽最高溫度300℃)等方面考慮，可優(yōu)先選擇單獨(dú)校準(zhǔn)方式。
③如一體化溫度變送器的測(cè)量結(jié)果介于兩相鄰準(zhǔn)確度等級(jí)之間，則應(yīng)采取整體校準(zhǔn)方法進(jìn)行一體化溫度變送器驗(yàn)證。
④通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較，在校準(zhǔn)過(guò)程中使用的連接導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量使用同一根銅導(dǎo)線(xiàn)(不超過(guò)1m)截取成3、4段進(jìn)行連接，減小其帶來(lái)的誤差。
作者：(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院)袁杰、董艷慧、林興梅
相關(guān)閱讀
◆溫度變送器調(diào)校技能
◆一句話(huà)說(shuō)溫度變送器校準(zhǔn)方式
◆高精度一體化溫度變送器誤差和整體精度
◆環(huán)境溫度對(duì)一體化溫度變送器精度和穩(wěn)定性影響
