热工仪表原位校准技术发展趋势

布光斌　郝　佳

(中国人民解放军91181部队，大连 116001)

0　引言

热工参量(热工过程与控制中的温度、压力、真空、流量、热物性、热能等)的准确测量与控制，在武器装备研制、装备使用保障、一般工业过程以及材料加工等领域，都是必不可少的。为保证热工仪表的测量准确性，目前通常采用传统离线校准的标校方法。由于离线校准是在实验室条件下通过比较待测仪表与更高等级的计量标准器来实现量值的标定，通常具有精度高的优点。但对一些特殊的应用需求环境而言，如仪表不便反复拆卸、送检周期不稳定、测试环境复杂等条件下，离线校准的不足之处则显现得十分突出。本文在综述热工仪表离线校准发展现状的基础上，针对特殊使用需求，提出了热工仪表原位校准方法，并总结出原位校准的技术关键。在实际应用中，热工仪表的原位校准是保障热工参量在线测量有效的必要技术手段。

1　热工仪表及其作用

热工仪表指的是对热工过程控制中的热工参量进行测量、监控、记录的仪表。本文针对部队的特殊使用需求，重点讨论温度、压力、流量这三类典型的热工仪表。

按照测量的量程和准确度水平要求，常用的压力仪表有数字压力计、压力变送器、弹性元件式压力仪表等[1]；按照测量现场条件，常用的温度仪表分为接触测温仪表和辐射测温仪表，接触测温仪表又分铂电阻温度计、热电偶温度计、热敏电阻等；按照测量的流体种类、安装条件和准确度水平，常用的流量仪表可分为差压式流量计、容积式流量计、质量式流量计、速度式流量计等。

由于长期使用，这些仪表都可能存在漂移、性能下降、损坏等情况，因此需要定期对其计量性能进行检测，以确定其是否能够正常工作和提供所要求的量值。

2　传统离线校准方法及存在的问题

2.1　压力仪表离线校准

针对弹性元件式压力表，现行有效的检定规程主要是JJG 49—2013《弹性元件式精密压力表和真空表检定规程》和JJG 52—2013《弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程》。根据检定规程，被检压力表需要与标准器连接在同一个校验器上，进行满量程的检定[2-5]。该检定方法对于舰船上使用的压力表来说存在以下不足之处：一是在拆卸被测压力表时对仪表接头、安装位置的密封件会造成磨损，可能影响其密封性。二是对于只使用一个或几个固定压力值的压力表而言，对全量程(特别是测量范围上限)的检测实际意义并不大。相反，国内弹性元件式压力表的质量和耐用性并不理想，几次加压到上限压力后可能对弹性元件造成不利影响，反而使得其他压力点示值不准。第三，压力表拆下送检，往往周期较长，可能影响使用，也不利于管理。

2.2　温度仪表离线校准

对于接触式温度仪表，传统的温度校准方法通常将测温元件和仪表在实验室环境中分别检定。比如工业中大量使用的热电偶，一般在使用之前或使用一定时期后，从安装现场拆分下来，送至计量标准实验室，在设定的恒温环境中，与较高等级的标准传感器进行比较[6]。然而，离线式校准方法具有不可忽略的局限性，对于很多工业过程，测量仪表一旦安装后很难再拆装。

对于辐射式温度仪表，通常在实验室使用变温黑体辐射源作为标准辐射源[7]，对被校准辐射温度计进行定标。

同样，离线式校准辐射温度计具有不可忽略的缺点，对于很多高温环境，现场使用环境与实验室条件往往差异较大，如测量目标发射率的动态变化、观察窗口的污染、传递辐射介质干扰、目标周围高温环境反射影响等，导致离线校准往往难以包含真实的在线测量环境影响，从而难以保证辐射法测温在现场的测量准确性。

2.3　流量仪表离线校准

流量计的检定一般在流量标准装置上，在实验室环境条件下完成，也就是我们通常所称的离线检定[8-11]。依据各自相应的检定规程，对各种流量计进行检定。

实验室检定存在以下问题：检定介质同实际测量介质可能不一样，其物性参数也就不同；检定时的工况如温度、压力等同流量计的应用工况不一致；流量计的安装型式同现场也存在很大差异；流量计的安、拆、装对流量计有损耗，检定后可能会出现问题。以上问题表明，在实验室对流量计所做的检定或性能评价，同流量计实际使用性能还是有差别的。

2.4　离线校准在特殊应用中存在的问题

基于以上分析不难看出，离线校准在实验室条件下可以有效保障热工仪表的溯源和量值测量的准确性，但对于某些特殊应用，如仪表不便反复拆卸、检定条件与使用条件差异大等情况下，离线校准方法尚存在不少问题，具体体现在：

1)离线校准通常要求仪表拆卸后送至计量实验室标定，反复拆装增加了对仪表的损坏风险；同样，对于高压或负压管路，多次安装可能造成泄漏风险。对于很多工业过程，一旦安装后很难再拆装，且现场使用环境与实验室条件相差较大，难以监测和保证测温系统在使用过程中的长期稳定性。

2)离线校准通常要求满量程标定，上限量程使用增加了仪表的损坏风险。比如压力仪表，可能平常只在中间量程使用，检测时需加载至高量程，加快了仪表的磨损和损坏。

3)仪表拆卸检测的用时较长，不利于使用和管理。

4)离线校准无法复现在线测试中的复杂环境条件，使用条件对仪表计量性能的影响有时会大大超过其标明的准确度水平。

3　原位校准方法

3.1　原位校准的基本原理

原位校准是指在热工仪表使用现场进行校准，不需要将热工仪表拆卸后送至计量实验室进行校准，避免了仪表和结构的拆卸、分解和安装，节省了维护时间，同时杜绝因拆装不当造成的人为故障和损伤。更重要的是，原位校准条件与使用条件一致，有效克服了离线校准最大的缺点——无法复现现场复杂的使用环境条件。原位校准通常表现为在线校准，一定程度上包含现场校准。

3.2　原位校准方法

3.2.1经常性在线比测校准

在仪表使用现场，通过合理地设置一个可以加装计量标准器的接口，使该处仪表感受到的量值与安装被检仪表处的量值保持一致。在此接口上接装计量标准器，采用直接比较的方法即可实现仪表的原位校准。该方法的缺点是依赖现场条件，可能在校准时无法全量程覆盖使用范围。

比如对于压力表，可以在安装被测压力表的管道附近加装三通、阀门和接头，形成另一个与被测压力表等压的接口(可称之为校准口)。在日常使用时，只需将阀门关闭，完全不影响正常使用。当需要校准时，将标准压力计安装在校准口上，打开阀门，使被测表与标准表连通，即可比较当前压力下二者的示值，从而实现在线校准。

类似的方法也可应用于接触式测温仪表[12-14]，当然是在温度准确度要求不太高，也就是两测量点的温度差值的影响可以忽略的情况下使用。

此外，对用于贸易交接的流量计进行在线检定，已经成为具有计量法规依据的成熟方法而被广泛使用。当然使用在线检测的前提是能够在管道中串联流量标准器，如舰船上用于为飞机加油的流量计，由于管路与加油口间用可拆卸的软管连接，中间可以很方便地串接标准流量计。由于流量计在现场的安装条件与实验室不同，所以在线检测可以包含现场管路条件的影响，因此在线检定能够更完整准确地对流量计的计量性能进行评定。

3.2.2加装在线计量标准源

加装标准源可实现仪表在测量过程中的实时校准。该方法的优点是测量参数的量值范围由标准器提供，具有更高灵活性。但不是所有仪表都有条件在线加装计量标准器，有时加装计量标准器需对原有工艺管线有较大改造。

比如，在需要辐射测温的装备上配备在线黑体辐射源，可以实时原位校准，实时监控辐射测温仪表的技术状态，保证其可用性[15-16]。在线黑体辐射源的光谱亮度温度的量值，可定期使用现场单位实验室的黑体辐射源在使用现场标定，用光谱亮度温度直接比较法进行校准。现场黑体辐射源则可定期送至军事计量部门的实验室使用军用黑体辐射源标准进行校准。军用黑体辐射源标准则可溯源至国家黑体辐射源标准，直至SI单位开尔文。从而实现军事装备量值准确一致并可有效溯源到国家标准。

3.2.3现场校准

当以上在线校准难以实现时，可以采用现场校准的方式实现对仪表的检测。其优点是：仪表可以在使用现场快速拆卸、检测和安装，缩短检测周期，从而降低管理成本。比如避免了现场拆卸后附件的保管、仪表安装孔的保护、以及运输过程中可能的磕碰等。

比如对于接触测温方法，将便携式恒温箱带到仪表使用现场。以热电偶测温为例，选用对应的更高等级热电偶或铂电阻温度计作为参考测温传感器，并采用合适量程的数显仪表或数据采集系统开展现场校准。

3.3　原位校准的技术关键

3.3.1安装条件

实现原位校准是需要现场条件的，简单说就是要有能够安装计量标准器的条件，要有能够形成比较稳定的测量环境的条件。现场安装也需要有移动标准器可以在现场使用。在以上条件不能满足时，有时需要对现场管路进行改造。

例如，原位检测压力计时需要考虑校准口安装标准压力计之后的压力参考位置高度与被测表安装高度基本保持一致，避免过大的高度差对测量结果的影响。同时，校准口最好选用可靠耐用且方便拆装的接头形式。原位检测流量仪表时需要管路中可以串联标准流量计，且应有安装温度、压力测量仪表的位置，以便于做相应的修正。

3.3.2量值溯源链的完整性

原位校准并不是降低要求的计量，其计量准确度必须与离线校准一样给予保证。因此需要量值传递链连续，特别是作为标准计量器具的在线计量标准器，应有有效的校准方法和传递方法，在现场使用前后都应在实验室进行校准，两次校准的差异应被评估。

3.3.3计量方法的科学性

计量方法应有完整的量值传递的不确定度评估链。如对于压力量值，就要分析气源的稳定性、管路内气体对流、安装位置高度、标准压力计准确度水平等等，综合评估后得到在线校准压力计的计量水平，并形成规范方法。

3.3.4量值保证方案

实验室检测仪表是有检定周期的，在线检测需要根据仪表本身的特性，仪表计量准确度的要求，现场条件和以往检测结果变化情况确定相应的检测周期。特别是当被检仪表示值与标准器示值差异超过允许范围后，需要拆下送检或更换。这些技术指标的确定是量值保证的关键点，需要通过对现场条件和实验数据的分析计算确定。

4　结论

原位校准是伴随着对现场测量结果有效、测量过程快捷、仪表管理有序而发展起来的校准方法，相对离线校准而言具有优势，避免了仪表的拆卸、分解和安装，节省了维护时间，同时杜绝因拆装不当造成的人为故障和损伤。更重要的是，原位校准条件与现场使用条件一致，能够在有效保障仪表准确的同时实现量值有效，也就是在一定程度上，从对在标准条件下对仪表的校准(或检定)拓展为对现场测量条件下的校准(或检定)乃至对现场测量结果的校准。由于具有以上诸多优点，相信原位校准方法会得到快速发展。同时，为了保证仪表测量结果的有效性，应对该方法的技术细节做深入分析，形成保证测量结果有效的技术方法，并持续完善，形成技术规范。

[1]蒋思敬,姚士春.压力计量[M].北京:中国计量出版社,1991

[2]JJG 49—2013弹性元件式精密压力表和真空表检定规程[S]

[3]JJG 52—2013弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程[S]

[4]JJG 875—2005数字压力计检定规程[S]

[5]JJG 882—2004压力变送器检定规程[S]

[6]Preston-Thomas H.The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90)[J].Metrologia,1990, 27: 3-10

[7]GJB 1826—93323～1273K黑体辐射源检定规程

[8]王池，王自和，等.流量测量技术全书.北京：化学工业出版社，2012

[9]王自和，范砧.气体流量标准装置(修订版).北京：中国计量出版社，2005

[10]苏彦勋，范砧.液体流量标准装置.北京：中国计量出版社，1994

[11]苏彦勋，杨有涛.流量检测技术.北京：中国质检出版社，2012

[12]王魁汉.在线原位校准——测温系统校准的新理念.计量学报，2012,33(6A)：61-65

[13]江勇，张发启.一种热电阻动态特性原位校准方法.空军工程大学学报(自然科学版)，2004,5(4)：76-79

[14]ASTM E220-13.Standard test method for calibration of thermocouples by comparison techniques

[15]Navy Primary Standards Laboratory.FTIR spectral calibration of blackbodies

[16]原遵东,王景辉,郝小鹏,邢波,柏成玉,王铁军.变温黑体辐射源溯源方法探讨.计量学报.2012,33(z2)