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计量:探讨校准温度校验仪的方法

更新时间:2017年05月17日 所属类别:知识百科 阅读量:

引言

随着市场经济的发展,温度显示和控制仪表已经广泛应用于国民经济、社会生产中的各个方面,在生产生活中起到重要的作用,尤其是在石油、电力、化工、冶金、航空等重要工业领域起着重要的测控作用。这些温度仪表测量温度传感器传递来的模拟信号或数字信号,通过自身的信号调理电路或固化在芯片中的处理程序将所测得的温度转变成数字形式或模拟形式的显示值。为了保证测试系统的可靠,对这些温度仪表及传感器的校准、调整和检修维护同样也是一件十分重要的工作。

目前,国内对于这些温度仪表的校准、调试通常依据检定规程中规定的,对配热电阻的温度仪表采用标准电阻箱作为标准电阻源,对于配热电偶的温度仪表采用直流电位差计作为标准信号源进行。然而,由于采用多仪器进行校准,在实际工作中特别是现场校准工作中十分不方便,在国内的计量、测试、校准领域逐渐出现了一些智能型多功能的温度校验仪,例如FLUKE 72X系列、DRUCK TRX系列,绍兴中仪CA102S多功能信号校验仪、NHR100/NHR200热工信号校验仪等系列。它在功能上类似于标准电阻箱和直流电位差计的集成,使用上却更加方便,但是由于国家温度仪表类检定规程中并没有出现这种标准源,在检定校准这类仪器时多数只能参照相关规程规范进行,校准方法也就不能一致,造成校准结果有一定的差异。本文在多次校准比较的基础上提出一种校准方法供大家探讨,在实际工作中也有一定的参考价值。

温度校验仪原理

温度校验仪是一种用于温度传感器和测控仪表或测控系统校准、测试、调试的多功能综合性仪器。它的原理是以单片机或处理器为核心,配置人机接口界面和输入输出电路,通常具有以下几个特点:

1、能测量多种热电阻、热电偶的信号并以温度值显示;

2、具有冷端(参考端) 温度自动补偿功能;

3、能输出和测量电阻、直流电压或直流电流值;

4、能按照分度表稳定输出多种热电阻、热电偶各温度对应的标准电量值。

用户可以将要测量和显示的各项数据通过人机界面输入到指令操作电路中,单片机或处理器根据接收到的指令,控制电路做出相应的输入输出动作,并将其结果在显示屏上显示,有的功能较单一可能没有显示。另外,由于热电阻、热电偶的电量值和温度值是非线性的,电路中通常还有一部分是用来存储数据表格的存储器电路。如图1所示。对于带热电阻校准功能的温度校验仪由于输入输出的都是电阻信号,直接通过A/D转换器就可以进行测控。

温度校验仪原理图

图1:温度校验仪原理结构图

对于带热电偶校准功能的温度校验仪,在A/D转换器之前还有一个冷端补偿电路,用来测量热电偶的冷端温度并进行自动补偿。补偿方法常见到有补偿桥路法、变送器转换法和LWB冷端补偿器法。

校准方法

1、校准条件

温度校验仪通常可输出各种电信号,如热电偶的直流毫伏信号(mV) ,热电阻的直流电阻信号(Ω) ,变送器的直流毫安信号(mA)和直流电压信号(V),同时具有较高的精度(>0.02%) ,所以校准温度校验仪用的标准器应选用测量各种电信号不确定度小于温度校验仪允差1/5的测量标准器,可以调温的均匀性大于0.05 ℃的恒温器,以及校准热电阻电阻信号用的四根专用连接导线。

2、基本误差的校准方法

对于校准输出热电阻信号的温度校验仪来说,我们可以依据国家检定规程中的方法,采用四根专用连接导线连接校验仪和测量标准器,即可得出它输出的电阻信号基本误差,再依据分度表可以得到不同分度下的温度误差。

对于校准输出热电偶信号的温度校验仪来说,通过校验仪原理我们可以看出,它的基本误差实际包括两个部分:输出直流毫伏信号的误差和冷端测量的误差。在JJ G617—1996《数字温度指示调节仪检定规程》中规定对配热电偶的数字温度仪表基本误差的检定,采用如图2 所示的方法,被检仪表连接补偿导线插入冰点槽,再用铜导线与信号源相连接,输入直流毫伏信号来测量仪表的误差。所以有人提出采用类似的方法来校准温度校验仪,将被检仪表换成校验仪,信号源换成测量标准器。但是笔者认为这种方法不妥,主要原因有:

温度校验仪校准方法图

1、这种方法对于那些测量精度不高的仪表适用,但是对于温度校验仪这种精度较高的仪器来说,所测得的误差中包括了恒温槽和补偿导线的测量误差,不确定度分量较大。尤其是补偿导线由于稳定性、材料等原因本身的误差就比较大,精密级的补偿导线也要达到2μV,而且由于补偿导线的修正值采用的都是20 ℃时的修正值,而实际冷端温度可能与20 ℃存在一定的差异,存在一定误差,因而无论配备再好的测量标准器,整套校准装置的不确定度也无法得到有效提高。

2、温度校验仪通常都具有校准多种分度号热电偶的功能,按上述方法必须对每一种分度号的热电偶进行校准,这在实际工作中工作量巨大,难以做到,而且在技术上也毫无必要。因为不论什么分度号的热电偶的温度输出都是由直流电压输出和冷端补偿组成的。

所以,本文认为对于校准热电偶信号输出的温度校验仪适宜分别对直流毫伏信号输出基本误差和冷端补偿误差进行校准,对于直流毫伏输出误差的校准可以依据JJ G445—86《直流标准电压源检定规程》连接测量标准器进行校准,而对于冷端补偿误差可以采用以下方法进行校准。

如图3,采用一个可以调节温度的恒温槽来代替零度恒温槽,该恒温槽的偏差要求不高,但是均匀性不得大于0.05 ℃,以保证测量精度。将恒温槽的初始温度t0=20℃,任选一分度号的补偿导线,补偿导线的一端短接后插入恒温槽,另一端接入被校的温度校验仪冷端输入端。另外采用标准铂电阻温度计及相应测量仪表(或者标准水银温度计) 测量槽温,铂电阻温度计感温元件端应该与补偿导线短接端保持同一高度并尽量接近。待槽温和被校冷端温度恒定后,测量此时补偿导线参考端的热电动势值E1,按下式换算成温度Δt1。

温度校验仪应用案例图

其中,St0表示该分度号热电偶在20 ℃时的微分电动势值。

将恒温槽温度调整为t1 = t0 - Δt1 ,待槽温恒定后,再测量补偿导线的热电动势值E2,重复以上步骤,直到热电动势值E或Δt接近零(或者小于一定值,一般可取Δt<0.1℃) ,即认为恒温槽的槽温与冷端温度一致。此时将被检温度校验仪转换至测温档,读取仪表指示值td和标准温度计读数t标。

然后,将补偿导线参考端拆下后接上铜导线,放入恒温槽中,补偿导线的短接端和参考端放置在同一深度并尽量接近,铜导线的两端同时接到测量标准器上,测量补偿导线的热电动势Δe。并按照下式得出该温度校验仪的冷端补偿误差Δ补。

Δ补= (td - t标)·St标- Δe

式中,Δ补为被校仪器的冷端补偿误差,μV ;

td为被校仪器读取的温度示值,℃;

t标为标准温度计读取的温度值,℃;

St标为该分度号热电偶在标准温度计所示温度时的微分电动势,μV/ ℃;

Δe为补偿导线实际温度下的修正值,μV。

所得出的冷端补偿误差,根据热电偶的分度表可以分别得出不同分度号热电偶换算出的温度值。

这样校准结果就分成了温度校验仪的直流毫伏信号输出误差和冷端补偿误差,最大限度的减少了冷端测量和补偿导线引起的误差。

3、基本误差计算

温度校验仪的最后基本误差按下式计算:

温度校验仪温度校准公式

式中:Δt为温度校验仪换算成温度的基本误差,℃;

ΔA为电量程输出指示误差,μV、Ω或mA ;

Δ补为热电偶输出时的冷端补偿误差,μV,在校准非热电偶输出时,此项为0;

(ΔA /Δt) t 为电量程输出指示误差,μV/℃、Ω/℃或mA/℃。

Δt 的最后结果应按照数据修约规则化整到与温度校验仪该功能档的分辨率一致。

结束语

通过对温度校验仪的电量输出误差和冷端补偿误差分别测量,对于高准确度、多功能的温度校验仪我们可以更加方便、准确的测量其误差,达到校准的目的。其校准的测量不确定度实际只是由两部分组成:电量输出的不确定度和冷端补偿的不确定度。

其中,电量输出的不确定度与冷端补偿的不确定度相比通常较小,在输出热电偶信号时,我们可以通过两者的合成得到温度校验仪在各个分度时的测量不确定度,并且通过对冷端补偿误差的更精确测量来校准高精度温度校验仪。

相关产品:

CA102S/CA103过程信号校验仪/xuanxing/26.htm

NHR200/NHR100多功能信号校验仪:/xuanxing/27.htm

参考文献

[1] 黄泽铣.热电偶原理及其检定.中国计量出版社,1993。

[2] 国家技术监督局.JJ G617~1996 数字温度指示调节仪检定规程. 中国计量出版社,1997。

[3] 北京市标准计量局.温度计量.中国计量出版社,1987。

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