一体化温度变送器自动校准系统研制

田昀，沈文杰，蒋静，孙浩，余松林

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

一体化温度变送器自动校准系统研制

田昀，沈文杰，蒋静，孙浩，余松林

（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

针对一体化温度变送器校准工作中使用仪器繁多、连接线路复杂、数据处理工作量大等问题，研制一体化温度变送器自动校准系统。该系统包括标准恒温槽、多路数据采集装置、标准铂电阻温度计和计算机，其中多路数据采集装置将标准铂电阻配套仪表功能和直流电流表功能进行集成化设计，设置一路标准器通道和六路被校准仪器通道，可实现多支一体化温度变送器的同时校准。系统通过计算机控制程序可实现自动温度控制、温场判定、数据采集及处理以及生成校准记录等功能，且控制准确、自动化程度高。

一体化温度变送器；多路采集装置；自动校准；人机交互

一体化温度变送器校准采用的计量设备[1-2]包括标准铂电阻温度计及配套电测仪表[3]、一体化温度变送器的供电模块、一体化温度变送器电测仪表，并且需要由恒温设备提供校准所需的恒温温场，连接线路复杂。校准过程中，该设备需要人工控制温度、判断温场条件是否符合要求、读取校准数据及处理，不仅工作量大，而且大量不确定因素的引入严重影响计量工作的质量。基于此，本文研制一体化温度变送器自动校准系统。

1 一体化温度变送器自动校准系统的设计

1.1 总体设计

一体化温度变送器自动校准系统包括标准恒温槽、多路数据采集装置、标准铂电阻温度计和计算机，其系统组成如图1所示。

图1 一体化温度变送器自动校准系统框图

其中，标准恒温槽可以实现自动PID控温，使恒温工作区域的温度稳定在设定温度点；多路数据采集装置连接标准铂电阻温度计和六路一体化温度变送器，并且为一体化温度变送器提供24V的直流供电电源；计算机作为系统的主控制部件，通过RS232接口与标准恒温槽和一体化多路数据采集装置通信，以实现校准系统的自动化。

1.2 自动校准系统的硬件设计

一体化温度变送器自动校准系统中提供恒温温场的设备为标准恒温槽，该恒温槽有两组PID，可在高低温时自动切换，以保证温场的高稳定性。恒温槽具有通信接口，可在计算机预设程序的控制下根据校准温度点的需要自动进行温度控制。

多路数据采集装置的结构如图2所示，其中电源模块利用PWM技术将220V交流电压转化为直流24V电压，供一体化温度变送器及人机交互界模块使用；测量模块采用24位AD芯片进行电阻测量和电流测量，可以到达7位半的准确度，满足标准铂电阻温度计电阻值和一体化温度变送器直流电流值的测量要求。

该采集装置设有人机交互模块和通信模块，具有良好的人机交互功能，可单独使用也可联机使用，具有较高的使用灵活性。

1.3 自动校准系统的软件设计

一体化温度变送器自动校准系统[4]的软件流程如图3所示。在保证各个功能组件通信正常的情况下，计算机对标准恒温槽进行温度控制。计算机通过标准铂电阻温度计的测量数据实时监测温场的温度偏差和稳定性，从而判定当前温场是否符合校准要求[5-6]。若温场不符合要求，则继续进行温度控制；若温场符合要求，则多路数据采集装置分别显示标准铂电阻的电阻值和一体化温度变送器的电流值，并将采集数据通过通信模块送至计算机，写入Excel文件。数据采集结束后，判断是否所有温度点均校准结束，若仍有需要校准的温度点，则进入下一个温度点的校准过程；若全部温度点都已校准完毕，则程序调取Excel文件，进行数据处理，并生成校准记录[4]。

图2 多路采集装置结构图

本自动校准系统主要针对传感器为热电阻的一体化温度变送器，所以测量误差[1]采用的计算公式为

式中：ΔAt——变送器的测量误差；

Am——变送器的输出量程；

tm——变送器的输入量程；

A0——变送器输出的理论下限值；

t0——变送器输入范围的下限值；

图4为自动校准系统的软件界面，软件界面中显示的主要参数包括设定温度、恒温区域实时温度、控制状态、检测数据等信息，并通过图形界面直观反应温场的变化情况，具有界面简洁、操作简易的优点。

2 校准试验与数据分析

选用测量范围为0～200℃的一体化温度变送器进行试验，并对100℃的数据进行分析。将标准铂电阻温度计和一体化温度变送器与多路数据采集装置连接完毕，并放置于工作腔内。计算机控制恒温槽升温至100℃。待工作腔内的温度变化满足温度偏差＜±0.2℃，且10min内的温度变化＜±0.02℃的温场条件时，计算机开始采集标准铂电阻温度计数值和一体化温度变送器的电流值[7]。全部温度点校准完毕后，生成校准记录。表1为自动校准系统读取的试验数据。

根据测量误差的计算公式，计算得到该一体化温度变送器在100℃时的测量误差为-0.0027mA。

图3 自动校准系统软件流程图

结合测量过程，对测量结果进行不确定度分析。根据测量误差的数学模型可知，不确定度的来源主要包括：

1）二等标准铂电阻温度计稳定性引入的标准不确定度u（ts1）。根据二等标准铂电阻温度计不确定度分析报告可知，其在100℃的不确定度分量u（ts1）=2.7mK。

表1 自动校准装置校准试验数据

2）二等标准铂电阻温度计水三相点变化引入的标准不确定度u（ts2）。按规程的要求，标准铂电阻温度计水三相点变化≤10mK，取k=2，则u（ts2）=5mK。

3）二等标准铂电阻温度计电测仪表引入的标准不确定度u（ts3）。多路采集装置的引用误差为0.003%，电阻档的测量范围为0～100Ω，引入的标准不确定度换算成温度为u（ts3）=0.03℃。

4）标准恒温槽温场不均匀引入的标准不确定度u（ts4）。恒温槽温场的最大温差为0.02℃，则区间半宽为0.01℃，按照均匀分布处理，则u（ts4）=0.006℃。

5）标准恒温槽波动引入的标准不确定度u（ts5）。恒温槽温场稳定性为±0.02℃/10min，区间半宽为0.02℃，按均匀分布处理，则u（ts5）=0.012℃。

6）被校准一体化温度变送器读数重复性引入的标准不确定度u（t1）。试验进行6次读数，根据贝塞尔公式计算并换算成温度指标，得到u（t1）=0.23mK。

图4 自动校准系统的软件界面

7）被校准一体化温度变送器电测仪表引入的标准不确定度u（t2）。多路采集装置的引入误差为0.003%，电流档的测量范围为0～30mA，引入的标准不确定度换算成温度为u（t2）=5.6mK。

上述各项标准不确定度分量互不相关，所以合成标准不确定度为uc=0.034℃。取包含因子k=2，则测量结果的扩展不确定度为U=0.07℃。结果满足JJF 1094——2002《测量仪器特性评定》[8]中“测量结果的不确定度应小于测量仪器最大允差绝对值的1/3”的要求。

3 结束语

本文建立一套一体化温度变送器自动校准系统，解决了一体化温度变送器校准工作中连接线路复杂、数据处理繁琐等问题，有效减少了对测量有不良影响的因素，提高了计量工作的效率和质量。系统具有控制精确、自动化程度高的优点，通过对试验数据的不确定分析，可知系统具有良好的计量性能，可满足一体化温度变送器校准的需要。

[1]JJF 11883—2007温度变送器校准规范[S].北京：中国计量出版社，2007.

[2]JJG 229—2010工业铂、铜热电阻[S].北京：中国质检出版社，2010.

[3]JJG 160—2007标准铂电阻温度计[S].北京：中国计量出版社，2007.

[4]蒋静，田昀，沈文杰，等.一体化温度变送器自动校准系统的探索和研究[J].中国计量，2015（6）：83-84.

[5]陈桂生，付志勇，朱玉红，等.工业铂热电阻不同检定方法检定结果的可信度研究[J].中国测试，2014（6）：17-21.

[6]杨锐，朱育红，陈桂生，等.不同检定方法对工业铂热电阻检定结果贡献的误差研究[J].中国测试，2015（2）：22-26.

[7]赵海宇，于慧忠.温度传感器动态校准的研究[J].电子测量与仪器学报，2001（3）：27-31.

[8]JJF 1094—2002测量仪器特性评定[S].北京：中国计量出版社，2002.

Development of one automatic system for calibrating integrated tem perature transm itter

TIAN Yun，SHEN Wenjie，JIANG Jing，SUN Hao，YU Songlin
（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China）

An automatic system has been developed to solve the problem in calibrating integrated temperature transmitters，such as numerous instruments，complicated connecting lines，a large amount of processing data.The system is made up of a standard thermostat，a multi-channel data acquisition device，a standard platinum resistance thermometer，and a computer.The multichannel data acquisition device is provide with one channel for standard platinum resistance and six channels for the calibrated instruments to calibrate the integrated temperature transmitters in the same time.The system can automatically control temperature，determine temperature fields，read and process data，and generate calibration records，etc.It is accurate and automatic.

integrated temperature transmitter；multi-channel data acquisition device；automatic calibration；human-computer interaction

A文章编号：1674-5124（2015）08-0067-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.016

0 引言

温度计量在工业生产、医疗安全等方面具有重要的意义，一体化温度变送器作为重要的温度测量仪表具有广泛的应用价值。

2015-03-20；

2015-04-29

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2014QK185）

天津市质量技术监督局科技开发项目（14-04）

田昀（1974-），男，天津市人，高级工程师，硕士，主要从事热工仪表检测方面的研究。