余　佳

（ 上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司　上海電動(dòng)工具工程技術(shù)研究中心，上?！?00233 ）

熱工儀表校準(zhǔn)器及校準(zhǔn)方法的探討與分析

余佳

（ 上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司上海電動(dòng)工具工程技術(shù)研究中心，上海200233 ）

以多功能過(guò)程校準(zhǔn)儀器FLUKE725為例，介紹熱工儀表校驗(yàn)儀的典型故障和優(yōu)化方案，從誤差校準(zhǔn)過(guò)程和不確定度評(píng)定等方面對(duì)提高熱工儀表的靈敏性與正確性作簡(jiǎn)要分析。

熱工儀表；校準(zhǔn)器；校準(zhǔn)

0　引言

熱工儀表可對(duì)溫度傳感器傳遞的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)自身信號(hào)調(diào)理電路以及芯片中固化的處理程序，將測(cè)量得到的溫度信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字或模擬形式顯示值，為工作人員判斷工藝運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)，已被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。熱工儀表校驗(yàn)儀的種類及校驗(yàn)原理各不相同。本文以多功能過(guò)程校準(zhǔn)儀器FLUKE725為例，對(duì)熱工儀表的校準(zhǔn)方法作簡(jiǎn)要分析。

1　概述

熱工儀表校驗(yàn)儀（多功能過(guò)程校準(zhǔn)器FLUKE725）是一種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，主要用于確定電力、化工等行業(yè)工藝流程內(nèi)設(shè)置的熱工儀表運(yùn)行可靠性，為儀表實(shí)施在線精準(zhǔn)測(cè)量提供技術(shù)保障。對(duì)于校準(zhǔn)器而言，該設(shè)備是一臺(tái)采用電池供電、能測(cè)量和輸出電參數(shù)以及物理參數(shù)的手持便攜式測(cè)試工具，屏幕上方顯示測(cè)量的電壓、電流和壓力數(shù)值，屏幕下方顯示測(cè)量和輸出的電壓、電流、壓力、電阻式溫度檢測(cè)器（鉑電阻RTD）、熱電偶、頻率和歐姆。熱電偶（TC輸入輸出端子及校準(zhǔn)器內(nèi)部的等溫接線塊（具有自動(dòng)參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償），可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2　原理

在工業(yè)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于熱工儀表的安裝一般采用固定式，且需實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。因此，熱工儀表的校準(zhǔn)通常同步在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。FLUKE725是一種多功能過(guò)程校準(zhǔn)器，在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作中，選擇所需的測(cè)量和輸出，自動(dòng)輸出信號(hào)并顯示熱工儀表的校準(zhǔn)結(jié)果，具備攜帶方便、精度高等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好效果。

圖1為溫度指示調(diào)節(jié)儀工作原理。

圖1　溫度指示調(diào)節(jié)儀原理

3　故障判斷

數(shù)碼管不亮、輸出穩(wěn)定性差、信號(hào)無(wú)輸出、輸出信號(hào)誤差等是熱工儀表校驗(yàn)儀的典型故障現(xiàn)象，需根據(jù)其表現(xiàn)形式確定故障類型，采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化。

1）數(shù)碼管不點(diǎn)亮，應(yīng)對(duì)電源輸入保險(xiǎn)、電源開(kāi)關(guān)以及電源線等進(jìn)行檢查，確定其是否正常運(yùn)行，對(duì)存在故障的部分進(jìn)行更換檢修。

2）信號(hào)無(wú)輸出，應(yīng)將量程開(kāi)關(guān)設(shè)定為5V輸出方式，利用萬(wàn)用表對(duì)輸出端進(jìn)行測(cè)量，確定是否正常輸出以此來(lái)判斷故障源為調(diào)節(jié)電路或輸出端，進(jìn)一步對(duì)電路電源、電阻元件、基準(zhǔn)穩(wěn)壓管以及輸出端引線等進(jìn)行檢測(cè)，確定運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

3）輸出穩(wěn)定性差，應(yīng)檢查調(diào)節(jié)電位器連接是否正常，選擇無(wú)水乙醇對(duì)電阻體以及相關(guān)觸點(diǎn)進(jìn)行清洗，根據(jù)基準(zhǔn)電壓變化情況對(duì)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4）輸出信號(hào)不準(zhǔn)確，應(yīng)利用萬(wàn)用表對(duì)輸出量程電阻進(jìn)行測(cè)量。一般對(duì)于20mA電流誤差應(yīng)檢查分流電阻；對(duì)于100mV與5V誤差應(yīng)檢查分壓電阻與量程開(kāi)關(guān)。如果兩種情況均具有較大誤差，則需要確定A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓，將其調(diào)整到1V。

4　校準(zhǔn)過(guò)程

1）校準(zhǔn)條件

多功能校驗(yàn)器輸出熱電阻電阻信號(hào)、熱電偶直流電壓信號(hào)、變送器直流電流信號(hào)與直流電壓信號(hào)等，且信號(hào)輸出精度高，用于校準(zhǔn)不具有熱電偶參考端自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臏囟戎甘緝x。環(huán)境溫度：（25±10）℃，相對(duì)濕度（45～75）%RH，儀表應(yīng)外形結(jié)構(gòu)完好，讀數(shù)機(jī)構(gòu)、名稱、分度號(hào)、制造廠、儀器編號(hào)等均應(yīng)有明確標(biāo)記。檢查外觀后通電進(jìn)行功能檢查，數(shù)字面板不應(yīng)有影響讀數(shù)的缺陷。在對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)選用測(cè)量電信號(hào)不確定度小于被校儀表允許誤差1/3～1/5的標(biāo)準(zhǔn)器。

2）基本誤差校準(zhǔn)

某企業(yè)一溫度箱采用型號(hào)為XMT的控溫儀表對(duì)材料的加溫溫度進(jìn)行控制，校準(zhǔn)時(shí)，選用FLUKE725 SOUCE直流電壓輸出功能，測(cè)量接線如圖2所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2　測(cè)量接線

在直流電壓信號(hào)校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)參照J(rèn)JG617-1996數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程，將校準(zhǔn)器設(shè)定為mV狀態(tài)并選擇對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)，與待校驗(yàn)儀表熱電偶輸出端進(jìn)行連接。一般選取5～10個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，并應(yīng)均勻地選取，從下限開(kāi)始逐漸增大輸出信號(hào)，直至達(dá)到下限。將得到的最大誤差測(cè)量值作為最大基本誤差。校準(zhǔn)器輸出標(biāo)準(zhǔn)值為YN（實(shí)際值），被校儀器顯示讀數(shù)為Yx，則被校儀器的誤差為Δ=Yx-YN或相對(duì)誤差γ=（Yx-YN）/YN×100%，熱電偶分度號(hào)：K型。

表1　多功能校準(zhǔn)器測(cè)量結(jié)果

使用FLUKE725校準(zhǔn)儀對(duì)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，輸入對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，或者直接使用熱電偶用TC端口輸入相應(yīng)分度號(hào)的溫度值，即可進(jìn)行校準(zhǔn)工作，準(zhǔn)確性較高。

選用此種方法，應(yīng)注意其不能滿足具備溫度自動(dòng)補(bǔ)償熱工儀表校驗(yàn)要求。同時(shí)，修正值計(jì)算難度大，計(jì)算所得修正值與實(shí)際溫度間存在一定差異。

5　不確定度評(píng)定

5.1 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)器：FLUKE725多功能校準(zhǔn)器，DCV：0V～10V， 準(zhǔn)確度等級(jí)：±（0.02%讀數(shù)+ 2個(gè)字）。

數(shù)學(xué)模型：

△=T-TN（1）

式中：△——示值誤差

T——儀表刻度值對(duì)應(yīng)標(biāo)稱電量值

TN——標(biāo)準(zhǔn)器輸出電量值

5.2 輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

輸入量T的不確定度來(lái)源有兩種，即由標(biāo)準(zhǔn)器FLUKE725準(zhǔn)確度帶來(lái)的不確定度u（T1）、被校準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果的不重復(fù)性u(píng)（T2）。

1）T1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（T1）評(píng)定（B類）

T1的不確定度來(lái)源主要是標(biāo)準(zhǔn)器的不準(zhǔn)確，依照校準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)，其準(zhǔn)確度等級(jí)±（0.02%讀數(shù)+2個(gè)字），以41.28mV為例，其在41.28mV時(shí)不確定度區(qū)間為±0.008mV，則半寬度a1為0.008mV，在區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為服從均勻分布。取包含因子，則不確定度u（T1）=a1/k1=0.008/=0.005mV。

2）T2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（T2）評(píng)定（A類）

T2的不確定度來(lái)源主要是被校儀表示值的不重復(fù)性?？赏ㄟ^(guò)重復(fù)測(cè)量得到測(cè)量列。采用A類評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。選擇一臺(tái)溫控儀，對(duì)其1000℃（K型）這一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)10次測(cè)量，得到表2的測(cè)量數(shù)據(jù)列。

表2　測(cè)量數(shù)據(jù)列

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

由于是單次測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果，故：

u（T2）=0.031 mV （4）

3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

靈敏系數(shù)：

數(shù)學(xué)模型 Y=X （5）

靈敏系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度見(jiàn)表3。

表3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tc的計(jì)算

輸入量u（T1）與u（T2）彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按下式得到：

5）擴(kuò)展不確定度的確定

取置信概率P=95%，k取2

由此可得擴(kuò)展不確定度Up為：

U=k×uc=2×0.031=0.062 mV （8）

Urel=0.062/41.28×100 %=0.2 % （9）

6）測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示

溫度指示儀示值誤差相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

Urel=0.2 % （10）

6　結(jié)語(yǔ)

熱工儀表校驗(yàn)儀是確定儀表運(yùn)行狀態(tài)是否正常的重要技術(shù)保障。基于熱工儀表相關(guān)特點(diǎn)與特性，確定基本誤差校驗(yàn)要求與標(biāo)準(zhǔn)，控制好各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)，才能獲得精確校驗(yàn)結(jié)果，為熱工儀表管理提供技術(shù)依據(jù)。

［1］呂雪飛，呂穎，甘樹(shù)坤.熱工儀表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)方法的探討［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（03）：66-69.

［2］JJG 617-1996數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1996.

［3］郭慧，陳國(guó)剛.熱工儀表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)方法的探討［J］.科技傳播，2013，（09）：88-100.

［4］張樹(shù)群.熱工儀表校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)方法［J］.科技傳播，2013，（10）：180-183.

Analysis of thermal instruments calibrator and calibration methods

Yu Jia
（SETRI （Group） Co.， Ltd.， Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China）

Taking the FLUKE725 as an example， this paper introduces the typical failure and optimization scheme of thermal instruments calibrator. The sensitivity and correctness of thermal instruments are analyzed in the aspects of error calibration and uncertainty evaluation.

Thermal instruments； Calibrator； Calibration

TH811

A

1674-2796（2016）04-0014-04

2016-03-10

余佳（1985—），女，大學(xué)本科，主要從事熱工類儀器儀表的校準(zhǔn)工作（含現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)）。