现场温度变送器（带传感器）测量的不确定度分析与评定

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

温度是表征物体冷热程度的物理量，在检验检测、工业生产、科学研究等领域都是十分重要的参数[1,2]。温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量与控制。带传感器的变送器一般由两部分组成：一部分是传感器，主要由热电偶或热电阻组成；另一部分是信号转换器，主要由测量单元、信号处理和转换单元组成，如图1 所示[3]。变送器输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数），目前标准化输出信号主要为（0～20）mA 和（4～20）mA 或（1～5）V 的直流电信号。

近年来，随着温度变送器在工业控温应用中的快速普及，温度变送器（带传感器）的校准检测需求与日俱增。目前检测所依据的JJF 1183-2007《温度变送器校准规范》主要是针对实验室检测，检测仪器设备较难适用于现场环境的在线测量。在工业生产中，温度变送器主要起到实时监控温度变化的作用，在整个温度探测设备中处于核心地位，其测量准确性直接决定着产品质量的好坏，企业必须定期进行检测和维护。但因其数量多、分布广、拆卸易损坏、实验室检测周期长需要停产停工等诸多问题，极大影响了企业生产效率，增加了企业运营成本。本文通过使用便携式干井炉作为检测配套设备，FLUKE 744 多功能校准仪作为测量标准（如图2 所示），开展温度变送器（带传感器）的现场校准检测，并对其示值误差的不确定度进行分析与评定，进一步提高现场温度测量的准确性。

图2 便携式干井炉和FLUKE 744

1 测量方法

1.1 测量依据

JJF 1183-2007《温度变送器校准规范》、JJF 1071-2010《国家计量校准规范编写规则》[4]和GB/T 27418-2017《测量不确定度评定和表示》[5]作为测量依据。

1.2 测量标准

主要计量标准设备为精密数字温度计配二等标准铂电阻温度计，以及一等标准铂铑10―铂热电偶。主标准器与配套设备的技术指标如表1 所示。

FLUKE 744 多功能校准仪作为测量标准，测量范围（0～30）mA，最大允许误差为±（读数的0.01%+满刻度的0.015%）。

1.3 测量对象

带传感器的温度变送器，总的测量范围（-25～1100）℃。

1.4 测量要求和步骤

测量点应按量程均匀分布，包含上限值、下限值和量程中间的5 个点。测量时应从测量范围下限温度开始，然后自下而上依次测量。在每个试验点上，待温度源足够稳定后方可进行测量。应轮流对标准温度计的示值和变送器输出反复6 次读数。

2 建立数学模型

测量误差的数学模型为：

式中：

Id—变送器的输出值；

Im—变送器的输出量程；

tm—变送器的温度输出量程；

ts—变送器的输入温度值；

t0—变送器输入的下限温度值；

I0—变送器输出的理论下限值。

3 不确定度因子来源

从温度变送器（带传感器）测量误差的数学模型可知，不确定度主要来源于5 个方面：（1）被测变送器输出电流的重复性；（2）744 多功能现场校准仪的测量误差；（3）标准温度计读数；（4）干井炉的不均匀性和稳定性；（5）现场环境温度的影响。其中（1）～（2）属于输出量引起的不确定度，（3）～（5）属于输入量引起的不确定度。

4 不确定度评定

4.1 输出量Id的标准不确定度u(Id)的评定

（1）输出电流重复性导致的校准不确定度u(Id1)

对温度变送器进行三个循环的测量，再输入同一温度信号，输出电流值不尽相同，取平均值作为测量结果。则标准不确定度A 类可以用实验标准偏差来评估。

每次测量点共有6 个读数，分别计算出实验标准偏差，取最大值。

表1 主要技术指标

（2）744 多功能现场校准仪的测量误差导致的校准不确定度u(Id2)

744多功能现场校准仪的最大允许示值误差为±（读数的0.01%+满刻度的0.015%）；按均匀分布考虑，则：

（3）标准不确定度u(Id)

由于Id1和Id2彼此独立，因此：

对应输出（4～20）mA 量程为200 ℃的温度变送器u(Id)=0.05℃。

4.2 输入量ts的标准不确定度u(ts)的评定

（1）标准温度计读数引入的标准不确定度u(ts1)，可以用B 类方法进行评定。按均匀分布处理，由表1 标准温度计技术指标可得：。

（2）干井炉的不均匀性引入的标准不确定度u(ts2)，用B类方法进行评定。低温干井炉的均匀性为0.05℃，则不确定度区间半宽为0.025℃，按均匀分布处理。

（3）干井炉的稳定性引入的标准不确定度u(ts3)，用B 类方法进行评定。低温干井炉的稳定性为±0.01℃/10 min，按均匀分布处理。

（4）现场温度变化对校准的影响为0.5℃，按均匀分布计算，

表2 合成标准不确定度计算中不确定度来源情况汇总表

（5）标准不确定度u(ts)

由于u(ts1)、u(ts2)、u(ts3)和u(ts4)彼此独立，因此：

4.3 合成标准不确定度

标准不确定度汇总表如表2 所示。

表2 对不同不确定度来源下的标准不确定度值进行梳理汇总。输入量Id与ts相互彼此独立，所以合成标准不确定度可按下式得到：

4.4 扩展标准不确定度计算

主要分量均为正态分布，可取包含因子

4.5 对温度变送器（带传感器）全量程示值误差测量结果不确定度评定

对其他量程范围及输出电流不同时，对全部测量点不确定度评估如表3 所示。参照电流输出（4～20）mA 量程为200℃的温度变送器的不确定度评定方法，类推计算出在（-25～1100）℃全范围下，不同量程及不同输出电流范围时，温度变送器（带传感器）的不确定度评定汇总情况。

表3 不同量程范围及输出电流时不确定度汇总表

4.6 校准和测量能力

温度变送器带传感器的仪表量程为200℃时，是可校准的最佳被校仪表，该项目的CMC 为：（-25～1100）℃，U=（0.6～1.0）℃（k=2）。

5 结束语

本文参考JJF 1183-2007《温度变送器校准规范》对现场温度变送器（带传感器）测量结果不确定度进行评定。通过分析现场测量环境、便携式仪器仪表等问题，确定不确定度因子来源。详细描述了使用低温干井炉，测量输出（4～20）mA量程为200℃的温度变送器的不确定度评定过程。同时，类推计算整理出其他量程范围及输出电流不同时，温度变送器（带传感器）在（-25～1100）℃全范围下的不确定度评定汇总表。对企业开展温度变送器测试和第三方实验室开展温度现场检测工作具有积极指导作用和参考价值。