一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)研制

田昀，沈文杰，蔣靜，孫浩，余松林

（天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津300192）

一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)研制

田昀，沈文杰，蔣靜，孫浩，余松林

（天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院，天津300192）

針對一體化溫度變送器校準工作中使用儀器繁多、連接線路復雜、數(shù)據(jù)處理工作量大等問題，研制一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括標準恒溫槽、多路數(shù)據(jù)采集裝置、標準鉑電阻溫度計和計算機，其中多路數(shù)據(jù)采集裝置將標準鉑電阻配套儀表功能和直流電流表功能進行集成化設計，設置一路標準器通道和六路被校準儀器通道，可實現(xiàn)多支一體化溫度變送器的同時校準。系統(tǒng)通過計算機控制程序可實現(xiàn)自動溫度控制、溫場判定、數(shù)據(jù)采集及處理以及生成校準記錄等功能，且控制準確、自動化程度高。

一體化溫度變送器；多路采集裝置；自動校準；人機交互

一體化溫度變送器校準采用的計量設備[1-2]包括標準鉑電阻溫度計及配套電測儀表[3]、一體化溫度變送器的供電模塊、一體化溫度變送器電測儀表，并且需要由恒溫設備提供校準所需的恒溫溫場，連接線路復雜。校準過程中，該設備需要人工控制溫度、判斷溫場條件是否符合要求、讀取校準數(shù)據(jù)及處理，不僅工作量大，而且大量不確定因素的引入嚴重影響計量工作的質(zhì)量。基于此，本文研制一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)。

1 一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)的設計

1.1 總體設計

一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)包括標準恒溫槽、多路數(shù)據(jù)采集裝置、標準鉑電阻溫度計和計算機，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)框圖

其中，標準恒溫槽可以實現(xiàn)自動PID控溫，使恒溫工作區(qū)域的溫度穩(wěn)定在設定溫度點；多路數(shù)據(jù)采集裝置連接標準鉑電阻溫度計和六路一體化溫度變送器，并且為一體化溫度變送器提供24V的直流供電電源；計算機作為系統(tǒng)的主控制部件，通過RS232接口與標準恒溫槽和一體化多路數(shù)據(jù)采集裝置通信，以實現(xiàn)校準系統(tǒng)的自動化。

1.2 自動校準系統(tǒng)的硬件設計

一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)中提供恒溫溫場的設備為標準恒溫槽，該恒溫槽有兩組PID，可在高低溫時自動切換，以保證溫場的高穩(wěn)定性。恒溫槽具有通信接口，可在計算機預設程序的控制下根據(jù)校準溫度點的需要自動進行溫度控制。

多路數(shù)據(jù)采集裝置的結構如圖2所示，其中電源模塊利用PWM技術將220V交流電壓轉(zhuǎn)化為直流24V電壓，供一體化溫度變送器及人機交互界模塊使用；測量模塊采用24位AD芯片進行電阻測量和電流測量，可以到達7位半的準確度，滿足標準鉑電阻溫度計電阻值和一體化溫度變送器直流電流值的測量要求。

該采集裝置設有人機交互模塊和通信模塊，具有良好的人機交互功能，可單獨使用也可聯(lián)機使用，具有較高的使用靈活性。

1.3 自動校準系統(tǒng)的軟件設計

一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)[4]的軟件流程如圖3所示。在保證各個功能組件通信正常的情況下，計算機對標準恒溫槽進行溫度控制。計算機通過標準鉑電阻溫度計的測量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測溫場的溫度偏差和穩(wěn)定性，從而判定當前溫場是否符合校準要求[5-6]。若溫場不符合要求，則繼續(xù)進行溫度控制；若溫場符合要求，則多路數(shù)據(jù)采集裝置分別顯示標準鉑電阻的電阻值和一體化溫度變送器的電流值，并將采集數(shù)據(jù)通過通信模塊送至計算機，寫入Excel文件。數(shù)據(jù)采集結束后，判斷是否所有溫度點均校準結束，若仍有需要校準的溫度點，則進入下一個溫度點的校準過程；若全部溫度點都已校準完畢，則程序調(diào)取Excel文件，進行數(shù)據(jù)處理，并生成校準記錄[4]。

圖2 多路采集裝置結構圖

本自動校準系統(tǒng)主要針對傳感器為熱電阻的一體化溫度變送器，所以測量誤差[1]采用的計算公式為

式中：ΔAt——變送器的測量誤差；

Am——變送器的輸出量程；

tm——變送器的輸入量程；

A0——變送器輸出的理論下限值；

t0——變送器輸入范圍的下限值；

圖4為自動校準系統(tǒng)的軟件界面，軟件界面中顯示的主要參數(shù)包括設定溫度、恒溫區(qū)域?qū)崟r溫度、控制狀態(tài)、檢測數(shù)據(jù)等信息，并通過圖形界面直觀反應溫場的變化情況，具有界面簡潔、操作簡易的優(yōu)點。

2 校準試驗與數(shù)據(jù)分析

選用測量范圍為0～200℃的一體化溫度變送器進行試驗，并對100℃的數(shù)據(jù)進行分析。將標準鉑電阻溫度計和一體化溫度變送器與多路數(shù)據(jù)采集裝置連接完畢，并放置于工作腔內(nèi)。計算機控制恒溫槽升溫至100℃。待工作腔內(nèi)的溫度變化滿足溫度偏差＜±0.2℃，且10min內(nèi)的溫度變化＜±0.02℃的溫場條件時，計算機開始采集標準鉑電阻溫度計數(shù)值和一體化溫度變送器的電流值[7]。全部溫度點校準完畢后，生成校準記錄。表1為自動校準系統(tǒng)讀取的試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)測量誤差的計算公式，計算得到該一體化溫度變送器在100℃時的測量誤差為-0.0027mA。

圖3 自動校準系統(tǒng)軟件流程圖

結合測量過程，對測量結果進行不確定度分析。根據(jù)測量誤差的數(shù)學模型可知，不確定度的來源主要包括：

1）二等標準鉑電阻溫度計穩(wěn)定性引入的標準不確定度u（ts1）。根據(jù)二等標準鉑電阻溫度計不確定度分析報告可知，其在100℃的不確定度分量u（ts1）=2.7mK。

表1 自動校準裝置校準試驗數(shù)據(jù)

2）二等標準鉑電阻溫度計水三相點變化引入的標準不確定度u（ts2）。按規(guī)程的要求，標準鉑電阻溫度計水三相點變化≤10mK，取k=2，則u（ts2）=5mK。

3）二等標準鉑電阻溫度計電測儀表引入的標準不確定度u（ts3）。多路采集裝置的引用誤差為0.003%，電阻檔的測量范圍為0～100Ω，引入的標準不確定度換算成溫度為u（ts3）=0.03℃。

4）標準恒溫槽溫場不均勻引入的標準不確定度u（ts4）。恒溫槽溫場的最大溫差為0.02℃，則區(qū)間半寬為0.01℃，按照均勻分布處理，則u（ts4）=0.006℃。

5）標準恒溫槽波動引入的標準不確定度u（ts5）。恒溫槽溫場穩(wěn)定性為±0.02℃/10min，區(qū)間半寬為0.02℃，按均勻分布處理，則u（ts5）=0.012℃。

6）被校準一體化溫度變送器讀數(shù)重復性引入的標準不確定度u（t1）。試驗進行6次讀數(shù)，根據(jù)貝塞爾公式計算并換算成溫度指標，得到u（t1）=0.23mK。

圖4 自動校準系統(tǒng)的軟件界面

7）被校準一體化溫度變送器電測儀表引入的標準不確定度u（t2）。多路采集裝置的引入誤差為0.003%，電流檔的測量范圍為0～30mA，引入的標準不確定度換算成溫度為u（t2）=5.6mK。

上述各項標準不確定度分量互不相關，所以合成標準不確定度為uc=0.034℃。取包含因子k=2，則測量結果的擴展不確定度為U=0.07℃。結果滿足JJF 1094——2002《測量儀器特性評定》[8]中“測量結果的不確定度應小于測量儀器最大允差絕對值的1/3”的要求。

3 結束語

本文建立一套一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)，解決了一體化溫度變送器校準工作中連接線路復雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣等問題，有效減少了對測量有不良影響的因素，提高了計量工作的效率和質(zhì)量。系統(tǒng)具有控制精確、自動化程度高的優(yōu)點，通過對試驗數(shù)據(jù)的不確定分析，可知系統(tǒng)具有良好的計量性能，可滿足一體化溫度變送器校準的需要。

[1]JJF 11883—2007溫度變送器校準規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2007.

[2]JJG 229—2010工業(yè)鉑、銅熱電阻[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2010.

[3]JJG 160—2007標準鉑電阻溫度計[S].北京：中國計量出版社，2007.

[4]蔣靜，田昀，沈文杰，等.一體化溫度變送器自動校準系統(tǒng)的探索和研究[J].中國計量，2015（6）：83-84.

[5]陳桂生，付志勇，朱玉紅，等.工業(yè)鉑熱電阻不同檢定方法檢定結果的可信度研究[J].中國測試，2014（6）：17-21.

[6]楊銳，朱育紅，陳桂生，等.不同檢定方法對工業(yè)鉑熱電阻檢定結果貢獻的誤差研究[J].中國測試，2015（2）：22-26.

[7]趙海宇，于慧忠.溫度傳感器動態(tài)校準的研究[J].電子測量與儀器學報，2001（3）：27-31.

[8]JJF 1094—2002測量儀器特性評定[S].北京：中國計量出版社，2002.

Development of one automatic system for calibrating integrated tem perature transm itter

TIAN Yun，SHEN Wenjie，JIANG Jing，SUN Hao，YU Songlin
（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China）

An automatic system has been developed to solve the problem in calibrating integrated temperature transmitters，such as numerous instruments，complicated connecting lines，a large amount of processing data.The system is made up of a standard thermostat，a multi-channel data acquisition device，a standard platinum resistance thermometer，and a computer.The multichannel data acquisition device is provide with one channel for standard platinum resistance and six channels for the calibrated instruments to calibrate the integrated temperature transmitters in the same time.The system can automatically control temperature，determine temperature fields，read and process data，and generate calibration records，etc.It is accurate and automatic.

integrated temperature transmitter；multi-channel data acquisition device；automatic calibration；human-computer interaction

A文章編號：1674-5124（2015）08-0067-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.016

0 引言

溫度計量在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療安全等方面具有重要的意義，一體化溫度變送器作為重要的溫度測量儀表具有廣泛的應用價值。

2015-03-20；

2015-04-29

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2014QK185）

天津市質(zhì)量技術監(jiān)督局科技開發(fā)項目（14-04）

田昀（1974-），男，天津市人，高級工程師，碩士，主要從事熱工儀表檢測方面的研究。