1、概述
溫度在測試中極其重要，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(毫伏或電阻)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號。目前一體化溫度變送器使用的相對較多，現(xiàn)階段校準(zhǔn)均對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)來看，有些溫度傳感器送器偏差較大，用戶在配套使用一體化溫度變送器時會存在誤差疊加或抵消現(xiàn)象。本文對一體化溫度傳感器(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)對象、條件
在環(huán)境溫度：(20±5)℃，相對濕度：45%～75%，周圍除地磁場外。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)測量-50℃～100℃、溫度變送器測量-50℃～100℃，輸出4-20mA。以校準(zhǔn)100℃對應(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)，對一體化溫度變送器測量結(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，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，將模擬的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻信號輸入至溫度變送器，通過變送輸出，用高精度數(shù)字萬用表測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 測量標(biāo)準(zhǔn)
①金屬管二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(型號：WZPB-9)：
(dR/dt)100=0.37928 Ω/℃、復(fù)現(xiàn)性±5mK、周期穩(wěn)定性±10mK。
②FLUKE1560型堆棧式測溫儀
標(biāo)準(zhǔn)電阻測量±(0.002%RDG+0.0005Ω)、被檢電阻測量±(0.004%RDG+0.001Ω)。
③Microcal200型多功能校驗(yàn)儀
電流測量±(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≤±0.02℃/10 min。
1.4 測量數(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)方法測量電流值平均值為20.003mA、整體校準(zhǔn)方法測量電流值平均值為19.936mA。
2、數(shù)學(xué)模型
單獨(dú)校準(zhǔn)和整體校準(zhǔn)測量模型詳見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類評定方法進(jìn)行評定，其他分量引入的都采用B類評定方法進(jìn)行評定，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、電測設(shè)備和電測設(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℃，電測設(shè)備約為0.009℃，電測設(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℃時其處于較高溫度，自熱影響可以忽略不計(jì))，電測設(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源于被校變送器電流測量的重復(fù)性和溫度校驗(yàn)儀的測量誤差。各分量為：電流測量重復(fù)性約為0.0003mA，溫度校驗(yàn)儀測量誤差約為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源于溫度校驗(yàn)儀輸出誤差和專用連接導(dǎo)線誤差。各分量為：溫度校驗(yàn)儀輸出誤差約為0.04℃，專用連接導(dǎo)線約為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)主要誤差來源于連接導(dǎo)線。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源于被校變送器電流測量的重復(fù)性和溫度校驗(yàn)儀的測量誤差。各分量為：電流測量重復(fù)性約為0.0003mA，溫度校驗(yàn)儀測量誤差約為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、電測設(shè)備、電測設(shè)備自熱、恒溫槽自熱效應(yīng)和專用連接導(dǎo)線。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℃，電測設(shè)備約為0.002℃，恒溫槽自熱效應(yīng)約為0℃，電測設(shè)備自熱約為0.002℃，專用連接導(dǎo)線約為0℃(被檢輸出信號線直接連接至輸入信號端鈕上，故不存在連接導(dǎo)線誤差)。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)果略優(yōu)于單獨(dú)校準(zhǔn)結(jié)果，但兩者的校準(zhǔn)結(jié)果均滿足其準(zhǔn)確度等級。
4、結(jié)語
①通過對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量結(jié)果介于兩相鄰準(zhǔn)確度等級之間，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通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較，在校準(zhǔn)過程中使用的連接導(dǎo)線應(yīng)盡量使用同一根銅導(dǎo)線(不超過1m)截取成3、4段進(jìn)行連接，減小其帶來的誤差。
作者：(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院)袁杰、董艷慧、林興梅
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