嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的校準(zhǔn)方法研究

韓志鑫，付志勇，霍志民，陳桂生，楊銳，趙茜

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都 610021；2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川成都 610303）

嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的校準(zhǔn)方法研究

韓志鑫1，付志勇1，霍志民2，陳桂生1，楊銳1，趙茜1

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川成都 610021；2.攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川成都 610303）

為完善嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法，針對(duì)目前其校準(zhǔn)方法存在的問(wèn)題，分析它的測(cè)量原理和實(shí)際工作環(huán)境，按照使用手冊(cè)和現(xiàn)有檢定規(guī)程，提出將記錄儀置于可接受的不同的工作環(huán)境溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，并且按照提出的校準(zhǔn)方法完成了實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明了所提出的嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀校準(zhǔn)方法的正確性和必要性。

熱處理爐；溫度監(jiān)測(cè)；嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀；測(cè)量原理；校準(zhǔn)方法

0 引言

嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀是測(cè)溫儀器之一，能夠通過(guò)內(nèi)置或者外接溫度傳感器在線(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的變化，具有自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)方式傳輸至PC機(jī)的功能[1]。記錄儀工作環(huán)境溫度多樣，例如應(yīng)用于冷鏈冷藏、窯爐溫度、熱處理爐溫度、電子產(chǎn)品老化溫度、電子線(xiàn)路板貼焊溫度等環(huán)境下的記錄儀，其內(nèi)部電路各種元件和外置或內(nèi)置傳感器物理特性在極端溫度條件下均可能發(fā)生變化。所以，一方面為了確保儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有必要對(duì)儀器進(jìn)行周期校準(zhǔn)；另一方面，為使實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更加符合記錄儀現(xiàn)場(chǎng)使用，其校準(zhǔn)方法應(yīng)區(qū)別于常溫工作環(huán)境下記錄儀的校準(zhǔn)方法。因此，根據(jù)測(cè)量原理和技術(shù)指標(biāo)，按照生產(chǎn)企業(yè)提供的儀器使用說(shuō)明書(shū)和現(xiàn)有數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程，對(duì)嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。

1 測(cè)量原理

嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀主要由溫度傳感器、測(cè)量單元、放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU、存儲(chǔ)電路組成，見(jiàn)圖1。測(cè)量時(shí)，溫度傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量單元轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再將經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，按照設(shè)置要求由CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、存儲(chǔ)[2]。對(duì)于有線(xiàn)通信的記錄儀，測(cè)量結(jié)束后，將記錄儀通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)纜直接與PC機(jī)連接，運(yùn)行相應(yīng)軟件，可顯示、處理、打印相應(yīng)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)；對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的記錄儀[3]，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中可直接將數(shù)據(jù)從發(fā)射器傳送至接收器，PC機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

圖1 溫度記錄儀原理圖

用于監(jiān)測(cè)窯爐溫度、熱處理爐溫度、電子產(chǎn)品老化溫度、電子線(xiàn)路板貼焊溫度等環(huán)境下的嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀，由于工作環(huán)境溫度過(guò)高，引起記錄儀內(nèi)部元件工作異常，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)存在較大誤差。因此，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，必須對(duì)記錄儀施加保護(hù)，將記錄儀裝入隔熱箱[4]后再將其整體放入監(jiān)測(cè)溫場(chǎng)中，見(jiàn)圖2。

圖2 嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀現(xiàn)場(chǎng)使用示意圖

2 校準(zhǔn)記錄儀存在的問(wèn)題

在現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)中，嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的實(shí)際工作溫度也會(huì)隨著被監(jiān)測(cè)溫場(chǎng)的變化而變化。例如，在工業(yè)窯爐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，將溫度記錄儀放入隔熱箱后，隨著傳送帶移動(dòng)，記錄儀的工作環(huán)境溫度也在逐漸升高，最終能夠達(dá)到60℃甚至更高。若在環(huán)境溫度為（20±5）℃時(shí)校準(zhǔn)溫度記錄儀，此時(shí)環(huán)境溫度與記錄儀的工作環(huán)境溫度是有明顯差別的。其校準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)際使用時(shí)測(cè)量的結(jié)果可能有較大變化，不能反映儀器實(shí)際工作時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確性。為更加接近真實(shí)的工作環(huán)境，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更加有利于實(shí)際使用，應(yīng)該將記錄儀置于可接受的不同的工作環(huán)境溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，選取了不同廠家、不同型號(hào)的記錄儀進(jìn)行試驗(yàn)，本文選取其中3種型號(hào)，并且每個(gè)記錄儀各選用3個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。它們分別為：Oven tracker XL2（記錄儀1），最大內(nèi)部工作溫度85℃，分辨力0.1℃，最大允許誤差±0.3℃；KIC start（記錄儀2），最大內(nèi)部工作溫度105℃，分辨力0.1℃，最大允許誤差±1.2℃；Datapaq 9000（記錄儀3），最大內(nèi)部工作溫度70℃，分辨力0.5℃，最大允許誤差±1.0℃。

3 校準(zhǔn)方法及測(cè)量器具

3.1 校準(zhǔn)方法

將不帶隔熱箱的記錄儀與標(biāo)準(zhǔn)器按照規(guī)程[5]規(guī)定的校準(zhǔn)方法接線(xiàn)。打開(kāi)記錄儀電源，設(shè)定采樣時(shí)間間隔，將其放入試驗(yàn)箱中。設(shè)定試驗(yàn)箱溫度在第一個(gè)工作環(huán)境溫度點(diǎn)，進(jìn)行控溫。在箱體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)30min以后，波動(dòng)度小于±0.2℃時(shí)，采用輸入標(biāo)稱(chēng)電量值法，從記錄儀溫度校準(zhǔn)點(diǎn)下限開(kāi)始向記錄儀各通道輸入各溫度校準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)電量值，每一溫度校準(zhǔn)點(diǎn)至少恒定4次采樣時(shí)間間隔，直至上限；然后減小輸入信號(hào)，分別向記錄儀各通道輸入各溫度校準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)電量值，每一溫度校準(zhǔn)點(diǎn)至少恒定4次采樣時(shí)間間隔，直至下限。其中校準(zhǔn)溫度點(diǎn)不應(yīng)少于5個(gè)，一般應(yīng)選擇包括測(cè)量量程的上、下限在內(nèi)的，原則上均勻的整十或整百攝氏度點(diǎn)。

第1個(gè)工作環(huán)境下的測(cè)量結(jié)束后，設(shè)定試驗(yàn)箱溫度在第2個(gè)工作環(huán)境溫度點(diǎn)，再按照上述方法，完成所有的工作環(huán)境溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。一般選取的工作環(huán)境溫度點(diǎn)為20℃、40℃、60℃。

3.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的選擇

對(duì)嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的校準(zhǔn)采用標(biāo)稱(chēng)電量值法，標(biāo)準(zhǔn)器可選用溫度校驗(yàn)儀，其技術(shù)指標(biāo)為誤差小于被校儀表允差的1/5。

嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的工作環(huán)境溫度一般可達(dá)60℃，因此可以選擇標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)量環(huán)境溫度，選用試驗(yàn)箱作為恒定溫場(chǎng)。其中試驗(yàn)箱的技術(shù)指標(biāo)為：溫度均勻性[6-8]不超過(guò)0.5℃，溫度波動(dòng)性不超過(guò)±0.5℃/30min。

校準(zhǔn)時(shí)，選用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備見(jiàn)表1，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足上述技術(shù)要求。

表1 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

3.3 數(shù)據(jù)處理

采用標(biāo)稱(chēng)電量值法，按式（1）計(jì)算

式中：Δt——溫度記錄儀的示值誤差，℃；

td——儀表記錄的溫度值，℃；

ts——標(biāo)準(zhǔn)儀器輸入的電量值所對(duì)應(yīng)的被校溫度值，℃；

e——補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的修正值，mV；

Si——被校準(zhǔn)點(diǎn)微分電勢(shì)，mV/℃；

±b——儀表顯示的分辨力，+、-號(hào)與前兩項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果的符號(hào)相一致，℃。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將3種溫度記錄儀分別處于環(huán)境溫度為20℃、40℃、60℃，相對(duì)濕度不超過(guò)85%的環(huán)境下。采用本文校準(zhǔn)方法，計(jì)算平均值，得到測(cè)量誤差[9-10]。各記錄儀每個(gè)通道在3個(gè)工作環(huán)境溫度下測(cè)量結(jié)果的比較如圖3所示。可以看出，記錄儀1在20℃時(shí)，各個(gè)通道的測(cè)量誤差均已經(jīng)超出技術(shù)指標(biāo)（最大允許誤差±0.3℃）要求。隨著環(huán)境溫度的升高，各個(gè)通道的測(cè)量誤差有向負(fù)值轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。其中通道1在20℃的測(cè)量誤差為-0.6℃，為最大允許誤差的2倍。在60℃時(shí)，通道1最大誤差達(dá)到-1.7℃。從20℃到60℃，其測(cè)量誤差偏移量超出最大允許誤差近4倍，從而導(dǎo)致60℃的測(cè)量誤差達(dá)最大允許誤差近6倍。

從圖4可知，雖然記錄儀2在20℃和60℃時(shí)的測(cè)量誤差均滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)（最大允許誤差±1.2℃）要求。但是，可以看出隨著環(huán)境溫度的升高，其測(cè)量誤差有向負(fù)值轉(zhuǎn)變。從20℃到60℃，各個(gè)通道測(cè)量誤差的最大偏差均達(dá)到-0.8℃。

如圖5所示，記錄儀3在20℃時(shí)的測(cè)量誤差值較小，各個(gè)通道誤差最小值均為0℃，通道1和通道3的誤差最大值僅為+0.5℃和-0.5℃，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)（±1.0℃）要求。當(dāng)環(huán)境溫度變?yōu)?0℃時(shí)，3個(gè)通道均不滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，最大測(cè)量誤差分別達(dá)到了-2.0℃、-2.5℃和-3.0℃，為最大允許誤差的2倍、2.5倍和3倍。

由此得出，嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀在不同的環(huán)境溫度下工作，其測(cè)量誤差會(huì)有所差別。若只在環(huán)境溫度為（20±5）℃的狀態(tài)下校準(zhǔn)記錄儀是不夠科學(xué)和準(zhǔn)確的，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并不能夠完全表示出其工作狀態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)。所以，在校準(zhǔn)溫度記錄儀時(shí)，必須考慮其實(shí)際工作環(huán)境溫度，在其可接受的不同工作環(huán)境溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)工作，以保證記錄儀實(shí)際工作使用時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖3 記錄儀1各通道測(cè)量誤差比對(duì)

圖4 記錄儀2各通道測(cè)量誤差比對(duì)

圖5 記錄儀3各通道測(cè)量誤差比對(duì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)嵌入溫場(chǎng)型溫度記錄儀的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明提出的校準(zhǔn)方法是必要的，可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，校準(zhǔn)方法在實(shí)驗(yàn)室實(shí)施是可行的。

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Research on calibration method of embedded tem perature field recorder

HAN Zhi-xin1，F(xiàn)U Zhi-yong1，HUO Zhi-min2，CHEN Gui-sheng1，YANG Rui1，ZHAO Qian1
（1.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；
2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，LTD.，Chengdu 610303，China）

In order to promote the relevant calibration mthods for the embedded temperature field recorder，and overcome the problem existing in the present calibration methods，this paper analyzed the principle of measurement and the actual working environment，and put forward the calibration method which can put the calibrating recorder in different and acceptable temperature working environment according to the user manual and the verification regulation.The calibration experiment was completed in accordance with the proposed calibration method，and the experimental data were analyzed.The experimental results proven that the calibration method of embedded temperature field recorder is correct and necessary.

heat treatment furnace；temperature monitoring；embedded temperature field recorder；measurement principle；calibration method

TB942；TH811；TP206+.1；TP216

A

1674-5124（2013）03-0024-03

2012-10-13；

：2012-12-25

韓志鑫（1982-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，助理工程師，碩士，主要從事溫度計(jì)量與測(cè)試研究。