温度变送器的现场校准研究

李天宇

（江阴市计量测试检定所 江苏 江阴 214400）

0 引言

近年来，随着工业的不断发展，温度变送器逐渐得到了广泛应用，它将温度信号转换为可传输的电信号（电流、电压等），主要用于过程的参数测量与控制。在当前对温度变送器实际开展校准工作的过程中，校准人员主要依据《JJF1183-2007温度变送器校准规范》在实验室内对温度变送器进行校准，这就需要送检企业将温度变送器拆下来，然后送到各个计量院所进行校准。但是这种校准方式存在一些问题，一方面温度变送器拆卸存在一定风险，很容易将温度变送器损坏，造成经济的损失；另一方面温度变送器的送检周期一般都比较长，在送检过程中可能会影响企业生产，不利于企业的进一步发展[1]。而现场校准一般都存在很多局限性，难以进行相关操作。再加上现场需要使用到大量的仪表设备，很容易对其造成损坏，不仅大幅增加了相关人员的工作压力，还增大了校准工作的难度[2]。因此，对温度变送器的现场校准具有非常重要的意义。所以，长期以来，对温度变送器的现场校准一直是计量学领域的重点研究方向。

1 温度测量系统的组成与变送器的工作原理

温度测量系统主要由两个部分组成，其一为传感器，主要包括热电阻，其二为信号转换器，主要由转换单元、信号处理以及测量单元组成。除了这两个部分之外，部分变送器还具有现场总线以及显示单元。在变送器的输入端输入热电阻信号，这时电桥不够稳定，一旦温度发生变化，其就会处于不平衡状态，进而输出电压，经过处理，再输出直流电流信号，将该信号经过反馈回路之后，再进入到放大器的输入端口，进而有效保障了输入、输出线性度。对于热电阻的测温原理，具体流程为将温度变转化为热电阻，再将其转化为电压的变化，然后利用计算机计算出温度值。而热电偶主要勇敢材料的热电效应来实现温度的测量。首先准备两种成分不同的金属导体，然后将其收尾相连，形成闭合回路，一旦两个连接点的温度存在差异，就会在回路中产生热电流，这一过程就是热电效应。热电偶主要由两个不同的金属材料制成，将两种材料焊接到一起，对于焊接的这一端，可以称为测量端，而对于没有焊接的另一端，又叫参考端，其在使用过程中，往往温度是固定不变的。若对测量端进行加热，那么两者之间的接点处会产生热电势，并且其会随着测量端温度的变化而变化，利用两者这一关系，可以对温度进行测量。如果参考端的温度一直不变，那么热电极形状不会对热点势的大小和方向产生影响，只有两种金属材料的特性和测量端的温度变化有关系。

2 温度变送器的安全要求和安全完整性要求

2.1 安全要求

温度变送器的安全功能主要是保障EUC处于安全状态，最大程度上降低危险事件的风险值。对于温度变送器而言，其基本功能是对温度进行测量。但对于智能温度变送器而言，其需要保障测量温度的准确性，并使得输出的温度电流处于合理范围内。温度变送器的安全功能具有一定复杂性，主要由于其与其他所有功能都存在一定的关联，所有各个功能之间的安全是相关的。具体可以分为以下几个方面：首先在开始阶段，应对温度变送器进行初始化设置，对其硬件配置和存储器中的数据进行详细的检查，并校准特性曲线。其次，读取温度电压值，对电流计算和温度计算等进行转换并输出。再次，对远程组态的信息进行复查，监测过程变量。最后，对控制器进行诊断，对电源、温度传感器以及人机接口的故障进行探测。

2.2 安全完整性要求

在既定时间和条件下，安全相关系统成功完成安全功能的概率就是安全完整性。要得到安全功能所要达到的SIL，就要分析功能安全生命周期中存在的风险，获得温度变送器要达到的相关要求。

3 温度变送器校准方法

温度变送器不仅可以测量相关数据，还能控制温度参数，所以得到较为普遍的应用。送检的温度变送器主要可以分为两种不同的仪表，即一种带传感器，还有一种不带传感器，一般情况下，在现场检测过程中会使用前者。温度变送器输出信号为直流电，有时也能显示测量温度[3]。《JJF1183-2007温度变送器校准规范》中对于校准温度和湿度有着明确的要求：环境温度为15～35 ℃，相对湿度小于85%，并且为了保证校准结果的可靠性，对于不同的环境温度，选择不同等级的温度变送器。当环境温度为20±2 ℃时，对温度变送器的要求较高，需要选择准确度等级为0.1级～0.2级的温度变送器；当环境温度为20±5 ℃时，对温度变送器的要求较低，需要选择准确度等级为0.5级～2.5级的温度变送器[4]。同时，在校准过程中要确保整个传感器均处于恒温槽内，并根据仪表量程范围设置温场，并按照从低温到高温的顺序设置多个点，最后再进行校准[1]。实验室校准具有较小的不确定度，并且结论具有较高的准确性。但同时也有较多的不足，如工作量较大，大大提升了相关人员的工作压力，需要花费较多的时间进行检测，并且校准效率非常低。因此，为了减轻工作人员的压力，避免对仪表造成严重的损坏，需要进行在线仪表校准。根据校准规范对温度变送器工作环境的要求，为了降低环境变化对校准结果的影响，在实际进行校准工作的过程中，其温度应为12～35 ℃之间，相对湿度不能超过85%。

对于携带便携式温场的相关数据也有一定的要求，其准确度等级必须高于0.2级，工作温度应处于50～300 ℃，测量范围为0～30 mA。将拆下来的温度变速器放置到便捷温场当中，同时，将铂电阻温度计也放入其中，校验仪提供稳定电源，并获取输出电流值。根据相应的校准规范要求，对于恒温温场的多个检定点进行依次升温，直到半个小时左右，温度逐渐稳定后，相关人员再对各个检定点进行校准，并将相关数据详细记录下来[5]。为了明确温场的不同时间下限，要对相应温度点进行测量，发现其均匀性为0.01 ℃，并发现其温度点最长的稳定时间为40 min，则该时间为最均匀、稳定的时间下限[2]。在使用该方法的过程中，不仅需要恒温温场具有一定的稳定性，还需要根据实验室环境条件进行相应设置。在现场在线校准的过程中，对便携温场有较高的要求，不仅需要具备良好的保温效果，也需要具有良好的散热性。所以，不仅要设置相应的计算机软件操作系统，也要具有良好性能的便捷式温场，虽然相关工作人员的工作比较繁琐，需要对仪表进行拆卸，并要避免在这一过程中对其造成损害，工作效率较低，但能够最大限度上保障校准结果的准确性[6]。

4 设计标准热电阻比对现场校准方法

4.1 比对校准方法原理

依据《JJF1183-2007温度变送器校准规范》，在线校准过程中，对于正在使用的温度变送器进行校准，主要需要两种工具，一个是热工仪表校验仪，还有一个携带标准热电阻。在同一介质环境中，若其带有温度计插孔，那么就可以直接插入标准热电阻。若没有温度计插孔，则需要打开其后盖，将固定螺丝拆除，最后将标准热电阻插入到其传感器套管内[7]。在10 min内，不仅要记录温度变送器示值变化的最大值和最小值，也要同时记录标准热电阻的最大和最小值，然后再计算被检表的基本误差，其范围不能超出表1的规定。

表1 温度变送器准确度等级和最大允许误差

若是在实验室内进行校准，应在整个测量范围内设置校准点，并确保其能够均匀分布，同时应包含上下限值。但在现场校准工作中就不同了，需要按照变送器测量标的来进行，同时应与相关人员进行沟通，只针对常用温度点进行校准，并且在最终结果上只出具常用点的校准数据。由于现场在线校准是直接开始校准工作，不能提供独立温场，并且相应仪表也不需要拆卸，但这都不会对现场工作流程产生影响，现场校准工作的效率比较高。但由于温场缺乏稳定性，校准点也没有那么多，所以目前还难以保障校准结果的准确性。

4.2 符合性试验分析

在现场校准工作的过程中，会受到很多因素的影响，不能提高稳定的恒温温场。同时，相较于实验室校准环境而言，现场管线环境具有一定的不可控性，很容易产生较大的波动，并且被检表相对标准器示值也会受到相应的影响，容易出现滞后的现象。对于这些情况，为了更好地保障校准结果的准确度，减少工作人员的工作量，提升现场校准工作效率，并且满足在不稳定温场中进行校准工作的需求，所以提出了一种新的方法，即曲线符合性判定法。首先，将标准热电阻的传感器插入到温度变送器套管内，同时将温度变送器的传感器也插入，并确保两者插入的深度相同，然后观察它们变化的情况，并详细记录下来，然后再计算相应的系数[7]。另外，该方法的可靠性还需要进一步研究，所以应进行现场试验。

在试验过程中，应先选择两块合适的试验样本，选取的温度变送器应具有较高的精度，并且其测量范围应处于0～100 ℃。在选好试验样本后，为了确保其符合相关规范要求，并能够得到更为标准的校准值，所以应先开展实验室校准工作。对管道环境进行模拟，并选择不稳定温场，通过校准可以得到相应的测量曲线。通过实验可以发现，样本1在波动温场两次测量温度误差均为-0.15 ℃，样本2在波动温场两次测量温度误差均为-0.2 ℃，两个样本均满足要求。由实验发现测量曲线相关系数最小为0.822，则初步认为只要小于这个数值，样本仪表就符合要求。另外，为了验证实验的准确性，应选取多个不同的温度变送器进行试验，如量程存在差异，准确度是相同的等级。在实验室同一场地进行测量工作，并对校准结果进行比对。为了确保试验结果具有代表性，需要对模拟温场进行多点测试，若试验结果符合预期目标，则确保校准结果具有较高的可靠性。由于该方法需要多次进行现场试验，所以为了更好地对相关数值和参数进行判定，应加强对大数据技术的应用，建立相应的试验数据库，试验过程图见图1。

5 温度变送器现场校准的注意事项

在开始校准工作之前，相关工作人员必须要做好与委托方的沟通工作，确保已经具备现场校准的基本条件，然后准备好校准记录表，对热电阻在不同校验点的电阻对照表和温度等进行确认，并将这些数据填写到原始记录表当中，之后才能开展校准工作。在接线的过程中，工作人员要将通电预热控制在适当时间范围内，之后再进行校准，以补偿导线与直流电源之间的不同极性。另外，试验人员在调整电位器时，应尽快谨慎使用，避免由于力气过大而使其出现损坏。

6 现场温度校验案例分析

预热器测温主要采用两种测温元件，一种为热电阻测温，热电阻测温使用广泛，但其测温范围有限，而只能使用另外一种比较有效的手段，即热电偶测温。本次校验采用的是非一体化热电偶，可以通过温度变送器连接到DCS系统。在测量的过程中，由于受到环境的影响，温度变送器的零点和满点会出现漂移的情况，对此，需要进行有效的处理，才能保障校准的准确性。通过特殊的校准仪器连接温度变送器，进行现场校验。将稳压电源的一端接入万用表，再将其另一端接入温度变送器，并将温度变送器接入稳压电源，将校准仪器正确连接热电偶的两根线上。然后将稳定电源接到220 V的电源上，并确保输出的电压为24 V。然后打开稳压电源的开关，设置校准仪器的量程，使得万用表显示数值为4 MA，再根据温度变送器上规定的量程，对校准器进行调整，使二者一致，如为1 300度，那么要使得万用表显示为20 MA，这样才完成温度变送器的校验，若不是，则需要对温度变送器的调满旋钮进行调节。另外，在实际进行校验的过程中，要注意确保温度变送器的量程与DCS设置的量程保持一致，这样才能确保中央控制室显示的温度值的真实性。

7 结语

综上所述，随着工业的不断发展和社会的不断进步，温度变送器的使用会越来越广泛，从而对温度变送器的现场校准有着重要意义。在此背景下，本文依据《JJF1183-2007温度变送器校准规范》，对温度变送器实验室和现场校准进行了分析，提出科学可行的温度变送器在线校准方法，它可以有效减少相关校准人员的工作量，避免了拆卸仪表对其造成损害的问题，提高了工作效率，并降低了检测成本。

同时，本文通过对现场温度校验的案例分析，总结了温度变送器现场校准的注意事项，以实现对温度变送器的更好现场校准，进而提高温度变送器的校准水平。为了进一步判定校准结果的准确性，进行了样本符合性试验，为温度变送器现场校准带来了新的思路，促进了仪表检测领域的发展，具有一定的借鉴意义。随着现场校准理论的不断完善，相信在不久的将来，在线仪表校准会受到广泛的推广。