林春江
广州广电计量检测股份有限公司 广东广州510000
摘要：一体化温度变送器具有测量准确度线性好，方便远距离传输等优点，正逐渐广泛应用在工业生产的各个领域。通过比较现场校准结果和实验室校准结果以及测量不确定度评定，评价现场校准一体化温度变送器装置的计量性能以及测量结果分散性是否符合相关要求。根据实验结果，利用现场校准装置可以校准准确度为0.5级及以下的一体化温度变送器。
关健词：一体化温度变送器；现场校准；试验
引 言
一体化温度变送器通常采用热电偶或热电阻作为测温传感器，将测温传感器输出的信号送到变送器模块，经过稳压滤波、预算放大、非线性校正、V/I转换、恒流和反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20 mA电流信号输出。因其具有测量准确度线性好、方便远距离传输等优点，正逐渐广泛应用于工业生产的各个领域。
一体化温度变送器在实际应用中往往需要专业人员进行调试安装，安装在生产线上的设备对于使用人员不易拆解。所以在日常工作中，往往在安装前进行首次校准，而后因客户对于周期送检的积极性不高，需要计量机构派遣人员进行现场校准。现场校准使用的设备和测量方法没有统一规定。所以参照相关规范，通过将现场校准结果和实验室校准结果的比较以及测量不确定度评定，评价现场校准一体化温度变送器装置的计量性能以及测量结果分散性是否符合相关要求。
1、试验方法
一体化温度变送器（感温元件为工业铂电阻）在-80～300℃测量误差的校准方法是：将其与测量标准器放置在恒温槽内，尽可能地靠近，在近似热平衡的状态下，将其输出值（包括显示温度和输出电流值）与测量标准器的温度示值进行比较。一体化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，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。其原理组成如图1所示。
图1一体化温度变送器原理
测量误差的计算如式下所示：
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Δ
式中：Δ——变送器某温度点的测量误差，mA；
——变送器某温度点附近的实际输出的平均值，mA；
——变送器的输出量程，mA；
——变送器的输入量程，℃；
——测量标准器测得的平均值，℃；
——变送器输入范围的下限值，℃；
——变送器输出的理论下限值[4]，mA
2、温度变送器校准方法
2.1校准方法
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和控制。送检温变一般分为带传感器和不带传感器两种仪表，而现场检测带传感器仪表较为常见，温变标准化输出信号主要为0~10 mA和4~20 mA的直流电信号，具有显示单元的也可直接显示测量温度。
根据温度变送器校准规范可知，校准温度变送器需在温度为（20±5）℃、相对湿度为45%~75%的环境条件下将传感器部分浸没于标准恒温槽内，温场按照仪表量程范围平均布置多点，由低到高逐点升温并依次进行校准。实验室校准由环境及标准器引入的标准不确定度较小，结论准确可靠，但单次检测仪表数量少，检测时间长，校准效率极低，检测人员工作量大。为降低仪表拆卸、搬运导致的损失及人员工作量，需及时开展在线仪表校准工作。温度变送器的工作环境温度一般为-40~85℃，按照校准规范要求，校准环境条件至少应满足温度为15~35℃、相对湿度小于85%，这样才能确保由环境变化引入的标准不确定度不会对校准结果产生较大的影响。
携带便携式温场，要求工作温度范围为50~300℃，温场均匀性优于0.01℃、波动性优于0.03℃，二等标准铂电阻温度计及测量范围为0~30 mA、准确度等级在0.2级以上的便携式校验仪。将温度变速器拆卸后和标准铂电阻温度计一起放入便携温场中，校验仪提供仪表24 V稳压电源并同时读取输出电流值。恒温温场依照校准规范要求检定点依次升温，待温度源内的温度足够稳定后（一般不少于30 min），工作人员比照标准铂电阻温度计示值依次校准各检定点并进行记录。为验证温场均匀性、稳定的时间下限，对温场工作范围包含上下限均匀分布的10个温度点进行测量，分别观察各温度点达到均匀性为0.01℃，10 min内变化为0.03℃的最低时限，其中最长的稳定时间为40 min，则判定温度源均匀、稳定时间下限为40 min。该方法需要模拟实验室校准环境，提供稳定的恒温温场（水平温场≤0.01℃、垂直温场≤0.02℃、10 min变化≤0.04℃）。针对现场环境对便携温场的保温及散热要求较高，需提供一套独立的控温稳定、携带方便的便携式温场和配套计算机软件操作系统，需要拆卸仪表进行校准，校准人员工作量大，对现场生产进程可能产生影响，校准速率较低，但校准结果可靠性高。
2.2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。
2.3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2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。
网状孔腔搅拌扇叶
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。
2.4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。
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。
3、不确定度评定
3.1不确定度分量
根据JJF 1059.1-2012的不确定度评定方法，对现场校准一体化温度变送器进行不确定度分析和评定，以300℃（上限值）为例，其标准不确定度分量汇总表如表1所示。
表1标准不确定度分量汇总表
3.2扩展不确定度
根据U=k·u c，k=2，得到扩展不确定度，采用CMC单值表示，如表2所示。
表2扩展不确定度
注：FS为输出量程16 mA
根据实验结果，可以比较出现场校准一体化温度变送器与实验室的差值并不大，其中最大的差值为5.2μA，对于输出量程16 mA的0.5级温度变送器，其占比不到7%。根据现场校准一体化温度变送器测量结果的不确定度评定结果，扩展不确定度最大值为6.86μA，相当于输出量程的0.04%，小于0.5%的三分之一。所以利用现场校准装置可以校准准确度为0.5级及以下的一体化温度变送器。
4、结束语
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。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]一体化温度变送器现场自动校准装置[J].蒋静,沈文杰,田昀.上海计量测试.2016(01)
[2]一体化温度变送器自动校准系统的探索和研究[J].蒋静,田昀,沈文杰,孙浩,余松林.中国计量.2015(06)
[3]工业铂热电阻不同检定方法检定结果可信度研究[J].陈桂生,付志勇,朱育红,赵晶,杨锐.中国测试.2014(06)