熱電阻及其數(shù)字顯示儀表的現(xiàn)場校準(zhǔn)

[摘要]工業(yè)場所使用數(shù)字顯示儀表監(jiān)控?zé)犭娮铚囟刃畔?，?yīng)通過現(xiàn)場校準(zhǔn)保證儀表達(dá)到量值溯源要求。結(jié)合新建機組調(diào)試實例，圍繞熱電阻及其數(shù)字顯示儀表校準(zhǔn)需求，根據(jù)相關(guān)規(guī)范明確了溫控系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)使用的裝置，從系統(tǒng)整體校準(zhǔn)和儀表單獨校準(zhǔn)兩方面提出了現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)，通過分析校準(zhǔn)結(jié)果判斷系統(tǒng)測溫、控溫正確性，指導(dǎo)熱電阻及其數(shù)字顯示儀表安裝調(diào)整，確保熱力系統(tǒng)運行狀態(tài)符合要求。
1熱電阻及其數(shù)字顯示儀表校準(zhǔn)需求
　　某新建機組配備的多種主機、輔機系統(tǒng)具備調(diào)溫、監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制等功能。各系統(tǒng)中溫控系統(tǒng)主要由熱電阻、溫度變送器、溫度表、熱電偶、DCS控制柜、.數(shù)字顯示儀表等多個部分構(gòu)成。在現(xiàn)場完成各種熱控設(shè)備安裝前，按照要求需完成設(shè)備校準(zhǔn)，保證系統(tǒng)能夠正常運行。如某空冷發(fā)電機空冷系統(tǒng)熱電阻用于冷卻水調(diào)門開度調(diào)節(jié)，應(yīng)得到精準(zhǔn)控制，防止發(fā)電機內(nèi)部溫度過高。將熱電阻直接連接數(shù)字顯示儀表，對熱電阻的阻值進(jìn)行測量，利用電平完成信號放大、非線性校正和A/D轉(zhuǎn)換后，可以數(shù)字、圖形方式直觀顯示測量溫度"。根據(jù)JJF1664--2017《溫度顯示儀表校準(zhǔn)規(guī)范》要求可知，溫度儀表最大允許誤差應(yīng)達(dá)到量程的±α%，按照準(zhǔn)確度等級具體劃分為0.1級、0.2級、0.5級和1.0級，分辨力達(dá)到0.1℃。使用數(shù)字顯示儀表測量溫度，要求達(dá)到較高測量精度，通常為1.0級。系統(tǒng)采用熱電阻以Pt100為主，根據(jù)需求對熱電阻及其數(shù)字顯示儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，首先應(yīng)完成安全性檢查，確定為絕緣電阻后，完成儀表示值和輸入標(biāo)準(zhǔn)值的差值計算，即儀表示值誤差。
2熱電阻及其數(shù)字顯示儀表現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)
2.1校準(zhǔn)裝置
　　在溫度儀表校準(zhǔn)方面,主要需要與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備比較,因此需提前準(zhǔn)備好校準(zhǔn)用的溫度傳感器、校準(zhǔn)儀表和連接導(dǎo)線，確保可以形成穩(wěn)定、誤差已知的溫控系統(tǒng)。校準(zhǔn)用的溫度傳感器示值誤差應(yīng)達(dá)到0.4%讀數(shù)要求,.與測溫端間的距離不超76mm，并確認(rèn)安裝位置、方向等固定，確保多次測量獲得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有較強的可比性。選用Pt100型熱電阻作為校準(zhǔn)用傳感器，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.05℃，輸出溫度范圍在-80~400℃,確認(rèn)使用的補償導(dǎo)線與儀表相同。現(xiàn)場使用測溫儀準(zhǔn)確度達(dá)到±0.0025%，分辨率達(dá)0.001℃，可測量被校準(zhǔn)熱電阻輸出。校準(zhǔn)儀表采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，示值誤差同樣達(dá)到0.4%讀數(shù)誤差要求，同時要求具有較高分辨力和環(huán)境適應(yīng)能力，避免校準(zhǔn)結(jié)果受環(huán)境過多影響。在儀表校準(zhǔn)過程中，需配備計算機軟件記錄測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化校準(zhǔn)。將測溫端和儀表與計算機RS--232接口連接，能夠通過軟件自動采集、處理和存儲數(shù)據(jù)。
2.2校準(zhǔn)方法
　　在儀表校準(zhǔn)方面，需在各校準(zhǔn)點下完成電信號輸出，對標(biāo)準(zhǔn)模擬傳感器的電信號進(jìn)行測量，與校準(zhǔn)儀表讀數(shù)比較，分析得到儀表示值誤差?？紤]到熱電阻為絕對信號量，測量端不會產(chǎn)生熱電勢，所以無需考慮溫度補償問題。在現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中，需先完成熱電阻及其儀表的整體校準(zhǔn),然后完成溫控儀表單獨校準(zhǔn)。
2.2.1整體校準(zhǔn)
　　熱電阻屬于絕對量信號，校準(zhǔn)操作相對簡單。首先應(yīng)檢查確認(rèn)熱電阻外觀良好，傳感器連接無松動，工作溫度范圍和精度等級與校準(zhǔn)儀器匹配，周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定且無干擾外部熱源。在安全性檢查中，考慮到熱電阻及儀表使用24V直流電源，應(yīng)使用萬能表完成儀表金，屬外殼與輸入端子、接地端子、電源端子間的絕緣電阻測量。連線測量過程中，應(yīng)穩(wěn)定5s后讀數(shù)，確定測得電阻至少達(dá)到20MΩ。將熱電阻連接至校準(zhǔn)儀表后，啟動溫度校準(zhǔn)模式，做好溫度源選擇后，設(shè)定溫度值。在儀表達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，讀取并記錄儀表顯示溫度值，使用校準(zhǔn)證書記錄熱電阻實際溫度值和校準(zhǔn)儀表顯示數(shù)值。采用校準(zhǔn)用的溫控系統(tǒng)自動校準(zhǔn)熱電阻，需提前打開電源開關(guān)預(yù)熱，時間至少達(dá)到15min，可通過軟件錄入被校準(zhǔn)熱電阻型號、現(xiàn)場熱源等信息，并做好校準(zhǔn)溫度點設(shè)置。確認(rèn)數(shù)字顯示儀表可以正常顯示信息后，在熱電阻溫度上限、下限范圍內(nèi)設(shè)置至少3個校準(zhǔn)點開展測試，根據(jù)多次測量平均值計算示值誤差。
　　對由溫度傳感器和顯示儀表構(gòu)成的溫控系統(tǒng)的總體修正值展開分析，即標(biāo)準(zhǔn)儀表和待校準(zhǔn)儀表的示值之差，方法如圖1所示?？紤]到設(shè)備自身擁有一定溫度場，一旦溫度波動過大將給測溫傳感器帶來干擾,需配備均溫塊構(gòu)造恒溫場。在溫控系統(tǒng)中，不同部件間存在信號傳遞誤差，在無法輕松拆下原本溫度傳感器的情況下，需完成系統(tǒng)整體校準(zhǔn)。測量結(jié)果不確定度主要來自恒溫場溫度波動度,同時包含儀表修正值、熱電阻修正值和校準(zhǔn)系統(tǒng)重復(fù)性等。在工業(yè)車間現(xiàn)場對溫控系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，考慮到環(huán)境溫度無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)要求，標(biāo)準(zhǔn)溫度校準(zhǔn)儀將獲得內(nèi)部補償，給最終示值結(jié)果帶來影響，需將補償導(dǎo)線直接連接校準(zhǔn)和被校準(zhǔn)儀表兩端，使儀表連接熱電阻測量環(huán)境箱內(nèi)溫度變化。將溫度設(shè)定為從20℃逐步升溫至40℃，然后迅速降溫至20℃，確定環(huán)境溫度發(fā)生變化4h時校準(zhǔn)結(jié)果變化不超0.2℃。使用校準(zhǔn)證書記錄熱電阻實際溫度值和校準(zhǔn)儀表顯示值，發(fā)現(xiàn)偏差根據(jù)儀表功能調(diào)整，確保熱電阻調(diào)溫精度符合工業(yè)生產(chǎn)要求。.
 
2.2.2單獨校準(zhǔn)
　　單獨校準(zhǔn)數(shù)字顯示儀表,可知儀表用于高溫測量，需要將接收到的傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度讀數(shù)，要求校準(zhǔn)后量值能溯源至國家乃至國際標(biāo)準(zhǔn)。儀表輸入和輸出值均為溫度，現(xiàn)場測試最大允許誤差不超±0.6℃或讀數(shù)的±0.1%。將示值誤差當(dāng)成是儀表校準(zhǔn)關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)將溫度上限和下限當(dāng)成是校準(zhǔn)點，并在其中至少設(shè)置3個混勻分布點。儀表搭配Pt-100熱電阻使用,最大允許誤差為±1.0%FS,分辨率達(dá)到0.1℃。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需求，使用三線制連接儀表，內(nèi)部電橋電路連接導(dǎo)線線阻，達(dá)到消除信號干擾的目的。在3根信號線中，將兩根短接，其中一根為中間連接線。考慮到熱電阻無正負(fù)極的分別，可根據(jù)儀表顯示正負(fù)值判斷接線是否正確。連接導(dǎo)線選用長度相同的銅導(dǎo)線，將其中兩根連接在標(biāo)準(zhǔn)儀表的共用測量端，連接線電阻測量后確定阻值偏差不超1%。
　　單獨完成溫控表校準(zhǔn)，應(yīng)直接完成儀表輸入和輸出值測量，并通過比較法完成溫度傳感器和補償導(dǎo)線測量。具體來講，就是將儀表從熱力系統(tǒng)拆下，將導(dǎo)線和測溫元件送至計量部門檢定后，利用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源向溫控表輸入標(biāo)準(zhǔn)信號，將顯示結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較，分析得到儀表修正值。實際應(yīng)用該技術(shù)，根據(jù)原熱電阻型號查詢溫度和電阻的對照表，然后使用模擬電阻輸入電壓。此時，為避免儀表和校準(zhǔn)儀輸出電壓產(chǎn)生相互干擾，禁止使用校準(zhǔn)儀模擬熱電阻功能，而.是使用標(biāo)準(zhǔn)器完成熱電阻功能模擬。按照儀表使用規(guī)范要求，設(shè)置0℃、100℃、200℃、300℃、400℃共計5個校準(zhǔn)點，可知熱電阻標(biāo)準(zhǔn)值將隨著溫度變化而變化。根據(jù)90溫標(biāo)查找校準(zhǔn)點對應(yīng)電勢值，可使用計算機設(shè)定好熱電阻標(biāo)準(zhǔn)值，選擇對應(yīng)溫度點輸出結(jié)果，記錄待校準(zhǔn)儀表示值。考慮到儀表本身溫度補償不準(zhǔn)，需現(xiàn)場完成溫度補償端校準(zhǔn)，以免引入過多誤差。每次測量過程中,取兩次讀數(shù)的平均值作為結(jié)果,在儀表分辨率誤差達(dá)到0.1℃的情況下，測量結(jié)果末位取值小數(shù)點后一位。使用的校準(zhǔn)器的測溫端帶有溫度補償裝置，利用冰點器根據(jù)校準(zhǔn)器輸出溫度和儀表示值計算，無法對自帶補償溫度修正值進(jìn)行校準(zhǔn)，導(dǎo)致測量結(jié)果不確定度增加。因此現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中，應(yīng)校準(zhǔn)補償溫度，利用恒溫箱測量校準(zhǔn)器補償溫度和測量溫度，根據(jù)二者差值確定補償溫度修正值，換算為相應(yīng)溫度電勢值,達(dá)到提高儀表校準(zhǔn)結(jié)果精度的目標(biāo)。
2.3校準(zhǔn)結(jié)果
2.3.1溫控系統(tǒng)校準(zhǔn)誤差
　　從整體校準(zhǔn)結(jié)果來看，環(huán)境溫度變化給校準(zhǔn)結(jié)果影響可以按照正態(tài)分布取值，在k=2.58時，現(xiàn)場溫度變化引入的不確定度為u(t環(huán))=0.2/2.58=0.078℃。建立測量模型展開分析，能夠得到式(1):
 
　　式中，td為被校儀表讀數(shù)平均值，ts為標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)定輸出，te為補償導(dǎo)線修正值。
　　表1為各不確定度分量，求取各分量加權(quán)平均和,能夠合成得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度在0.18~0.35℃。分析擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可知在K=2的情況下U=2u(△t),最終取值在0.4~0.7℃。由于校準(zhǔn)不確定度和儀表最大允許誤差間不超1/3，因此溫控系統(tǒng)可以達(dá)到整體校準(zhǔn)要求。
 
2.3.2顯示儀表校準(zhǔn)誤差.
　　單獨完成數(shù)字顯示儀表校準(zhǔn)，可知儀表補償溫度修正值為-0.18℃，補償溫度顯示值為29.82℃。在溫度場波動度達(dá)到±0.02℃的條件下，k取值為2，分析得到儀表校準(zhǔn)結(jié)果擴展不確定度為0.12℃。對工業(yè)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)建立穩(wěn)定的校準(zhǔn)系統(tǒng)，避免系統(tǒng)本身存在過大偏差。所以在校準(zhǔn)儀表之前，需完成系統(tǒng)修正，通過調(diào)整系統(tǒng)輸入值消除這些偏差。在相對惡劣的環(huán)境溫度條件下，采用整體校準(zhǔn)法通常無法保證儀表設(shè)備測量準(zhǔn)確度,容易導(dǎo)致控溫系統(tǒng)測量誤差增加，.因此需單獨校準(zhǔn)數(shù)字顯示儀表，減少硬件條件引入的誤差。在環(huán)境溫度穩(wěn)定的狀態(tài)下，使用校準(zhǔn)儀表分別對熱電阻配套儀表和校準(zhǔn)用儀表讀數(shù)進(jìn)行測量，確定二者差值不超熱電阻調(diào)溫最大允許誤差要求，能夠證明儀表示值符合要求。確定儀表示值通過校準(zhǔn)后，發(fā)現(xiàn)溫控系統(tǒng)整體示值誤差超出規(guī)定，需做好系統(tǒng)時間比例、PID參數(shù)等溫度控制參數(shù)調(diào)整，確認(rèn)是否存在熱電阻等溫度傳感器安裝位置偏離設(shè)計、鍋爐結(jié)構(gòu)改變等問題。通過逐一排查問題，做好整個溫控系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整，能夠使工藝溫度得到有效控制。
3結(jié)束語
　　使用熱電阻及數(shù)字顯示儀表建立控溫系統(tǒng)，需確保儀表測量達(dá)到較精度高要求，確保配套工藝設(shè)備維持穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場開展系統(tǒng)校準(zhǔn)工作，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場條件展開分析，在儀表難拆卸情況下借助校準(zhǔn)儀表和計算機系統(tǒng)實施整體校準(zhǔn)，根據(jù)各部分修正值求得系統(tǒng)修正值，確認(rèn)校準(zhǔn)結(jié)果不超最大允許誤差要求，且結(jié)果不確定度符合要求。在現(xiàn)場環(huán)境惡劣的情況下，可單獨校準(zhǔn)數(shù)字顯示儀表，做好各項控制參數(shù)調(diào)整，最終使測溫系統(tǒng)達(dá)到國家計量標(biāo)準(zhǔn)要求。