一体化温度变送器现场自动校准装置*

蒋　静　沈文杰　田　昀 / 天津市计量监督检测科学研究院



一体化温度变送器现场自动校准装置*

蒋静沈文杰田昀 / 天津市计量监督检测科学研究院

摘要介绍了一种一体化温度变送器现场自动校准装置。通过计算机程序控制，实现了工作温度的自动调节、温场条件的自动判定、数据自动读数及异常值剔除。内置的多路切换模式使六路温度变送器可同时校准。集成化设计和特殊的技术方案使装置具有小型化和便携式特点，并达到以下技术指标：工作温区50 ~300 ℃，工作温场的均匀性0.01 ℃，波动性0.03 ℃/10 min.，校准结果的不确定度0.07 ℃（k=2）。

关键词一体化温度变送器；自动化测量；现场校准

0　引言

随着一体化温度变送器在工业过程温度控制领域的日益广泛应用，其校准业务的工作量增长迅猛。目前，一体化温度变送器现场校准需要携带的仪器有[1]：恒温试验设备、标准铂电阻温度计、电阻测量仪表、24 V直流供电模块和电流测量仪表。仪器繁多，携带不便，且连接线路复杂。人工校准过程中，数据处理工作量大，校准结果易受到主观因素的影响，不利于量值传递。

本文提出的一体化温度变送器现场自动校准装置具有集成化和便携式的优点。通过采用侧面搅拌结构、局部保温和强化散热的技术方案，恒温工作区域的温度范围可达到50~300 ℃，温场均匀性优于0.01 ℃，波动性优于0.03 ℃/10min。该套装置通过计算机程序实现工作温度的自动调节、温场条件的自动判定和数据自动读取及异常值剔除，满足客户对量值传递标准装置性能不断提高的要求。

1　基本原理

温度变送器是将温度变量转化为与之具有一定函数关系的标准化输出信号的仪表。一体化温度变送器通常由传感器与信号转化器组成。信号转化器包括测量单元、信号处理单元和转化单元[1]。一体化温度变送器的组成及工作原理如图1所示。

图1　一体化温度变送器组成及工作原理

本校准装置主要针对传感器为热电阻[2-3]的一体化温度变送器。变送器的测量误差计算公式为

式中：ΔAt—— 变送器被校点的测量误差；

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；

t —— 标准温度计测得的平均温度值；

t0—— 变送器输入范围的下限值；

Ad—— 变送器被校点实际输出的平均值

2　校准装置

一体化温度变送器现场自动校准装置包括计算机、标准铂电阻温度计和便携式恒温槽。标准铂电阻温度计和一体化温度变送器放置于工作腔内；计算机根据校准温度点需要进行温度控制，并根据标准铂电阻温度计的数值实时监测工作腔内的温度变化；待温场满足条件时读取测量数据。校准装置的主要功能模块组成如图2所示。

图2　校准装置主要功能模块组成

2.1基于侧面搅拌结构的恒温工作区域

温度控制模块包括控制仪表和恒温工作区域。恒温工作区域的组成如图3所示，主要包括工作腔体、控温热电阻、加热电阻丝以及由电机和扇叶组成的搅拌结构。

图3　恒温工作区域的结构

侧面搅拌结构设计克服了现有磁力搅拌技术的局限，扇叶转动的搅拌结构有效增强了搅拌力度，提高了恒温工作区域的性能指标。此外，搅拌结构安装于工作腔体的侧面，有效扩展了工作腔体的深度，克服了因被检计量器具插入深度不足对测量造成的影响。

2.2局部保温和强化散热

自动校准装置将多种功能模块高度集成于同一便携式恒温槽内，所以解决恒温工作区域内介质温度对各种电测仪表的影响是该装置的技术关键。

装置在恒温区域外部包覆保温外壁，从内到外依次为内泡沫保温层、真空层、纳米陶瓷保温层和外泡沫保温层。各保温层间层层紧密相贴，有效阻隔恒温工作区域对外的热传递。恒温工作区域保温外壁的结构如图4所示。

除了采用局部保温技术减少高温介质对周围的散热，校准装置还采用强化散热的措施，即在便携式恒温槽的底部安装散热风扇，顶部设置连续的排风孔，保证槽体内多余热量的有效排放。 图5为槽体顶部俯视图。

图4　恒温工作区域保温外壁的组成

图5　槽体顶部俯视图

2.3软件

测量过程中，异常值的出现会影响校准工作的质量。鉴于此，软件中采用格拉布斯准则对异常值进行剔除，以提高校准的准确度和可靠性[5]。

设在一组重复观测的结果xi中，其残差绝对值最大者为xd，在给定置信概率p = 0.95时，如果满足异常值剔除公式，则判定xd为异常值，并进行重新的数据采集。如果采集数据中不存在异常值，则按程序依次往下进行[7-9]。异常值剔除公式为

式中：s —— 按照贝塞尔公式计算出的实验标准偏差；

G(a, n)——与显著水平a和重复性观测次数n有关的格布拉斯临界值

本软件中取a=0.05，n=6，则格布拉斯临界值为1.822。

3　校准装置的试验及性能分析

恒温工作区域采用侧面搅拌结构以及局部保温和强化散热的技术方案，显著提高了工作区域的各项性能指标。温场实现了从50 ℃到300 ℃的宽温区跨度，同时工作腔的深度达到200 mm。经试验测定，温场的水平温差优于0.005 ℃，垂直温差优于0.01 ℃，均匀性优于0.01 ℃，波动性优于0.03 ℃/10min。

3.1校准试验

为了验证本套装置校准结果的准确性和可靠性，选用测量范围为0~300 ℃的一体化温度变送器进行校准试验。将试验数据与省级法定计量检定机构出具的校准数据进行分析对比，具体数据如表1所示。

表1　一体化温度变送器校准结果的分析对比

由数据分析可知，一体化温度变送器现场自动校准装置的试验数据与经溯源得到的校准数据具有高度的一致性，系统测量误差在0.02 ℃以内。试验表明，该装置的性能指标满足开展量值传递的要求。

3.2测量不确定度评定

一体化温度变送器校准结果不确定度分为A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度为被校准仪器的读数重复性u(T)；B类不确定度主要包括标准铂电阻引入不确定度u(b)、电阻测量引入的不确定度u(Ω)、电流测量引入的不确定度u(I)以及由恒温温场引入的不确定度u(t)。结果如表2所示。

表2　自动校准装置的不确定度分量表

通过不确定度评定，一体化温度变送器在线自动校准装置测量结果的合成不确定度为0.034 ℃，扩展不确定度为0.07 ℃（k = 2）。

4　结语

一体化温度变送器在线自动校准装置具有集成化、便携式和自动化的优点，侧面搅拌结构、局部保温和强化散热的技术方案显著提高了温场性能。经评定，该装置测量结果的扩展不确定度为0.07 ℃（k = 2），满足一体化温度变送器校准需要的同时，该研究成果对其他温度计量器具的自动化检测有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 全国温度计量技术委员会.JJF 1183-2007 温度变送器校准规范[S]. 北京：中国计量出版社，2007.

[2] 全国温度计量技术委员会.JJG 229-2010 工业铂、铜热电阻检定规程[S].北京：中国计量出版社，2010.

[3] 全国温度计量技术委员会.JJG 160-2007 标准铂电阻温度计检定规程[S].北京：中国计量出版社，2007.

[4] 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.

[5] 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（06）：81-82.

[6] Santhosh K V，Roy B K. An adaptive calibration circuit for RTD using optimized ANN[J].Intelligent Systems and Control, 2013(7).

[7] Luo Wenguang, Wu Tongfeng. Development of high accuracy temperature transmitter[J].Journal of Transducer Technology, 2005(5).

[8] 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，2001,03

[9] 郭明清，秦树人.虚拟仪器实验管理信息系统[J].中国测试，2009 （05）：145-147.

*基金项目：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）

An automatic field-calibrating device for integrated temperature transmitters

Jiang Jing，Shen Wenjie，Tian Yun
（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing）

Abstract:An automatic field-calibrating device for integrated temperature transmitters is introduced. By the control of computer programs, adjustment of working temperature, determination of temperature field condition, data reading and abnormal value elimination are automaticly realized. Through the built in multi-channel switching module, six temperature transmitters can be calibrated at the same time. By means of the integrated design and particular technical solutions, the device has charateristics of miniaturization and portalibility, and the following technical specifications are successfully achieved: the working temperature zone 50 ℃~300 ℃, the uniformity and fluctuation of the working temperature are 0.01 ℃ and 0.03 ℃/10 min respectively, the uncertainty of calibration results 0.07 ℃(k=2).

Key Words:integrated temperature transmitter; automatic measurement; field-calibration