過程儀表模擬熱電偶輸出的兩種校準(zhǔn)方法比較和研究

王舒卉 符堃 聶曉曄

摘? 要：過程儀表校驗(yàn)儀是常見的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備。針對校準(zhǔn)過程中，模擬熱電偶輸出功能測量超差的某一臺(tái)過程儀表校驗(yàn)儀設(shè)備，文章依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范采用了兩種方法完成校準(zhǔn)。文章通過對兩種方法的比對和研究，得出了可靠的校準(zhǔn)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：過程儀表校驗(yàn)儀;模擬熱電偶輸出;校準(zhǔn)

中圖分類號：TB9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）17-0125-02

Abstract： Process calibrator is a common industrial field equipment. In view of a certain process instrument calibrator equipment which simulates the output function of thermocouple to measure the super error in the process of calibration， this paper adopts two methods to complete the calibration according to the calibration specification. In this paper， through the comparison and study of the two methods， a reliable conclusion concerning calibration is obtained.

Keywords： process calibrator; analog thermocouple output; calibration

引言

過程儀表校驗(yàn)儀是化工電力等工礦企業(yè)及計(jì)量檢測實(shí)驗(yàn)室常用的儀器設(shè)備。過程儀表校驗(yàn)儀主要特點(diǎn)是同時(shí)具有獨(dú)立的電信號測量單元和電信號輸出單元，過程儀表校驗(yàn)儀模擬熱電偶輸出是必須校準(zhǔn)的項(xiàng)目之一，其校準(zhǔn)的依據(jù)一般是JJF1472-2014《過程校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》，也可依據(jù)JJF 1309-2011《溫度校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模擬熱電偶輸出功能是校準(zhǔn)過程中非常不容易判斷被校儀器是否超差的校準(zhǔn)項(xiàng)目。判斷儀器超差需要非常慎重，因此確保測量過程的可靠性非常重要。

1 模擬熱電偶輸出的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)結(jié)果

在一次對某臺(tái)過程儀表認(rèn)證校驗(yàn)儀設(shè)備的校準(zhǔn)過程中，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果和客戶提供的設(shè)備最大允差對比，初步得出了“其K型模擬熱電偶輸出功能超差”的結(jié)論。本著計(jì)量工作的嚴(yán)謹(jǐn)性，仔細(xì)研究JJF1472-2014和適用于模擬熱電偶過程信號的JJF 1309-2011中的校準(zhǔn)方法。依據(jù)兩個(gè)規(guī)范中提供的方法，得到了兩組不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.1 依據(jù)JJF1472-2014

1.1.1 校準(zhǔn)方法

過程儀表校驗(yàn)儀中模擬熱電偶輸出功能校準(zhǔn)連接圖根據(jù)JJF1472-2014《過程儀表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》6.2.5所述。

將標(biāo)準(zhǔn)器和過程儀表校驗(yàn)儀通過銅導(dǎo)線直接相連，校驗(yàn)儀輸出模擬熱電偶信號（K型），分別讀取標(biāo)準(zhǔn)器和校驗(yàn)儀的示值，記錄并比對。

1.1.2 校準(zhǔn)結(jié)果

客戶給出的該過程儀表校驗(yàn)儀的K型模擬模擬熱電偶輸出校準(zhǔn)的最大允許誤差指標(biāo)為±0.4℃，表1是利用FLUKE 5520A作為標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)備得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從測量結(jié)果來看，所得數(shù)據(jù)不符合客戶要求，部分?jǐn)?shù)據(jù)超過最大允差。

1.2 依據(jù)JJF1309-2011

1.2.1 校準(zhǔn)方法

依據(jù)JJF 1309-2011《溫度校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》6.2中提出的校準(zhǔn)方法，利用0℃恒溫槽作為冷端補(bǔ)償，通過直流電壓源或直流電流表對具有參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪M熱電偶溫度輸出進(jìn)行校準(zhǔn)。

0℃恒溫槽法就是采用直流電壓源或直流電壓表作為標(biāo)準(zhǔn)器，校驗(yàn)儀的模擬熱電偶溫度測量端（或模擬熱電偶輸出端） 用補(bǔ)償導(dǎo)線引出，標(biāo)準(zhǔn)器的電壓輸出端（或測量端）通過銅導(dǎo)線引出[1]。補(bǔ)償導(dǎo)線和銅導(dǎo)線的引出端連接，并將連接點(diǎn)放置于0℃恒溫槽內(nèi)，并確認(rèn)開啟過程校驗(yàn)儀參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。補(bǔ)償導(dǎo)線必須是與被測的模擬熱電偶為同種型號，且極性不能接反。

1.2.2 校準(zhǔn)結(jié)果

采用0℃恒溫槽的校準(zhǔn)方法，再次對某型號過程校準(zhǔn)儀的K型模擬熱電偶輸出功能進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)器使用了安捷倫3458A、0℃恒溫槽和補(bǔ)償導(dǎo)線，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。表2中的數(shù)據(jù)滿足了客戶提供的最大允差在±0.4℃范圍內(nèi)的要求。

表2 0℃恒溫器法K型模擬熱電偶輸出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

1.2.3 冷端補(bǔ)償

0℃恒溫槽法又可稱為冷端補(bǔ)償法。熱電偶的測溫原理是由于熱電偶兩端的溫度不同而產(chǎn)生了電勢差，即熱電效應(yīng)。熱電偶的溫度-熱電勢曲線是在冷端溫度為0℃時(shí)分度的。然而在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶是暴露在環(huán)境中的，冷端溫度不可能恒定為0℃，這樣在測溫的過程中就會(huì)產(chǎn)生測量誤差。為了消除這種誤差，要采用冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行[2]。

測量模擬熱電偶輸出信號的原理與測量熱電偶的原理是相似的。FLUKE 5520A中也有冷端補(bǔ)償?shù)哪K，但是在環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，測量存在的誤差較大。因此，想要準(zhǔn)確地測量模擬熱電偶輸出信號，需要使得參考端溫度恒定。所以，利用0℃恒溫器標(biāo)準(zhǔn)器作為冷端環(huán)境，對其參考端進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，確保溫度測量的準(zhǔn)確性[3]。

2 兩種方法的比較

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)可知，采用兩種不同的方法對同一個(gè)過程校驗(yàn)儀的K型模擬熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，卻得到了兩種不同的結(jié)果。利用FLUKE 5520A直接測量得出的結(jié)論是設(shè)備超差，利用0℃恒溫槽法得到設(shè)備狀態(tài)正常的結(jié)論。這樣的情況是不合理的。因此，我們對兩種方法的不確定度進(jìn)行了分析。

2.1 直接測量法

查閱FLUKE 5520A超級多功能校準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)，得到表3的數(shù)據(jù)。根據(jù)JJF1472-2014《過程儀表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》5.2的要求，校準(zhǔn)時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)器、輔助設(shè)備及環(huán)境條件所引起的擴(kuò)展不確定度（k=2）不大于校驗(yàn)儀最大允許誤差絕對值的三分之一。客戶送檢儀器的最大允許誤差要求在±0.4℃，F(xiàn)LUKE 5520A并不滿足作為測量標(biāo)準(zhǔn)器的要求。因此此次測量結(jié)果并不可靠，無法得出被檢儀器超差的結(jié)論。

2.2 0℃恒溫槽法

采用0℃恒溫槽法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)器有安捷倫3458A，0℃恒溫槽和補(bǔ)償導(dǎo)線。首先用A類不確定度對安捷倫3458A的測量重復(fù)性進(jìn)行評定。然后根據(jù)3458A的最大允差進(jìn)行B類不確定度評定，最終得到3458A的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。再引用上級溯源報(bào)告，獲得補(bǔ)償導(dǎo)線和0℃恒溫器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，獲得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。最后根據(jù)ITS-90《常用熱電偶、熱電阻分度表》將此擴(kuò)展不確定度單位換算成攝氏度。

表4是0℃恒溫器法整套標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度評定結(jié)果?？梢娫撗b置滿足“三分之一”法則的要求，測得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。則我們可以得出該被檢儀器性能良好的可靠結(jié)論。

3 結(jié)束語

以上結(jié)果表明，在本次的校準(zhǔn)過程中，F(xiàn)LUKE 5520A并不能作為標(biāo)準(zhǔn)器完成設(shè)備校準(zhǔn)。因此，其校準(zhǔn)得到的結(jié)果——設(shè)備超差，也并不可靠。在進(jìn)行校準(zhǔn)工作之前，要確保由標(biāo)準(zhǔn)器、輔助設(shè)備及環(huán)境條件所引起的擴(kuò)展不確定度（k=2）不大于校驗(yàn)儀最大允許誤差絕對值的三分之一。從兩個(gè)方法比較中可看出：JJF1472-2014《過程儀表校驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》適用于校準(zhǔn)準(zhǔn)確度比較低的工作用過程校準(zhǔn)器，而JJF 1309-2011《溫度校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》適用于實(shí)驗(yàn)室用的準(zhǔn)確度比較高的可作為標(biāo)準(zhǔn)器的過程校準(zhǔn)器。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳旭，孫力，凌彥萃.溫度校準(zhǔn)儀熱電偶檔基于冷端補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)方法研究[J].中國測試，2018，44（12）：96-100.

[2]陳永強(qiáng)，崔馨元，吳勤，等.熱電偶校準(zhǔn)過程中的不同冷端補(bǔ)償方法的比較[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2018，45（05）：68-69.

[3]司延召.過程校驗(yàn)儀熱電偶功能校準(zhǔn)方法分析[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2017，44（02）：73-75+77.