前言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，溫度體現(xiàn)和控制儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、社會生產(chǎn)中的各個方面，在生產(chǎn)生活中起到嚴(yán)重的作用，尤其是在石油、電力、化工、冶金、航空等嚴(yán)重工業(yè)領(lǐng)域起著重要的測控作用。這些溫度儀表測量溫度傳感器傳遞來的模擬信號或數(shù)字信號，通過自身的信號調(diào)理電路或固化在芯片中的處理程序?qū)⑺鶞y得的溫度轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式或模擬形式的體現(xiàn)值。為了保證測試系統(tǒng)的可靠，對這些溫度儀表及傳感器的校準(zhǔn)、調(diào)整和檢修維護(hù)同樣也是一件十分嚴(yán)重的工作。

目前，國內(nèi)對于這些溫度儀表的校準(zhǔn)、調(diào)試通常依據(jù)檢定規(guī)程中規(guī)定的，對配熱電阻的溫度儀表采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為標(biāo)準(zhǔn)電阻源，對于配熱電偶的溫度儀表采用直流電位差計作為標(biāo)準(zhǔn)信號源進(jìn)行。然而，由于采用多儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，在實際工作中特別是現(xiàn)場校準(zhǔn)工作中十分不方便，在國內(nèi)的計量、測試、校準(zhǔn)領(lǐng)域逐步出現(xiàn)了一些智能型多功能的溫度校驗儀，例如FLUKE 72X系列、DRUCK TRX系列，紹興中儀CA102S多功能信號校驗儀、NHR100/NHR200熱工信號校驗儀等系列。它在功能上類似于標(biāo)準(zhǔn)電阻箱和直流電位差計的集成，使用上卻更加方便，但是由于國家溫度儀表類檢定規(guī)程中并沒有出現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)源，在檢定校準(zhǔn)這類儀器時多數(shù)只能參照干系規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，校準(zhǔn)方法也就不能劃一，造成校準(zhǔn)結(jié)果有一定的差異。本文在多次校準(zhǔn)比較的基礎(chǔ)上提出一種校準(zhǔn)方法供大家探討，在實際工作中也有一定的參考價值。

溫度校驗儀原理

溫度校驗儀是一種用于溫度傳感器和測控儀表或測控系統(tǒng)校準(zhǔn)、測試、調(diào)試的多功能綜合性儀器。它的原理是以單片機(jī)或處理器為核心，配置人機(jī)接口界面和輸入輸出電路，通常具有以下幾個特點:

1、能測量多種熱電阻、熱電偶的信號并以溫度值體現(xiàn)；

2、具有冷端(參考端) 溫度自動補(bǔ)償功能；

3、能輸出和測量電阻、直流電壓或直流電流值；

4、能按照分度表穩(wěn)定輸出多種熱電阻、熱電偶各溫度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電量值。

用戶可以將要測量和體現(xiàn)的各項數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面輸入到指令操作電路中，單片機(jī)或處理器根據(jù)接收到的指令，控制電路做出相應(yīng)的輸入輸出動作，并將其結(jié)果在體現(xiàn)屏上體現(xiàn)，有的功能較單一可能沒有體現(xiàn)。另外，由于熱電阻、熱電偶的電量值和溫度值是非線性的，電路中通常還有一部分是用來存儲數(shù)據(jù)表格的存儲器電路。如圖1所示。對于帶熱電阻校準(zhǔn)功能的溫度校驗儀由于輸入輸出的都是電阻信號，直接通過A/D轉(zhuǎn)換器就可以進(jìn)行測控。

圖1:溫度校驗儀原理結(jié)構(gòu)圖

對于帶熱電偶校準(zhǔn)功能的溫度校驗儀，在A/D轉(zhuǎn)換器之前還有一個冷端補(bǔ)償電路，用來測量熱電偶的冷端溫度并進(jìn)行自動補(bǔ)償。補(bǔ)償方法常見到有補(bǔ)償橋路法、變送器轉(zhuǎn)換法和LWB冷端補(bǔ)償器法。

校準(zhǔn)方法

1、校準(zhǔn)條件

溫度校驗儀通常可輸出各種電信號，如熱電偶的直流毫伏信號(mV) ，熱電阻的直流電阻信號(Ω) ，變送器的直流毫安信號(mA)和直流電壓信號(V)，同時具有較高的精度(>0.02%) ，所以校準(zhǔn)溫度校驗儀用的標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)選用測量各種電信號不確定度小于溫度校驗儀允差1/5的測量標(biāo)準(zhǔn)器，可以調(diào)溫的均勻性大于0.05 ℃的恒溫器，以及校準(zhǔn)熱電阻電阻信號用的四根專用連接導(dǎo)線。

2、基本誤差的校準(zhǔn)方法

對于校準(zhǔn)輸出熱電阻信號的溫度校驗儀來說，我們可以依據(jù)國家檢定規(guī)程中的方法，采用四根專用連接導(dǎo)線連接校驗儀和測量標(biāo)準(zhǔn)器，即可得出它輸出的電阻信號基本誤差，再依據(jù)分度表可以得到不同分度下的溫度誤差。

對于校準(zhǔn)輸出熱電偶信號的溫度校驗儀來說，通過校驗儀原理我們可以看出，它的基本誤差實際包括兩個部分：輸出直流毫伏信號的誤差和冷端測量的誤差。在JJ G617—1996《數(shù)字溫度指示調(diào)節(jié)儀檢定規(guī)程》中規(guī)定對配熱電偶的數(shù)字溫度儀表基本誤差的檢定，采用如圖2 所示的方法，被檢儀表連接補(bǔ)償導(dǎo)線插入冰點槽，再用銅導(dǎo)線與信號源相連接，輸入直流毫伏信號來測量儀表的誤差。所以有人提出采用類似的方法來校準(zhǔn)溫度校驗儀，將被檢儀表換成校驗儀，信號源換成測量標(biāo)準(zhǔn)器。但是筆者認(rèn)為這種方法不妥，緊張原因有:

1、這種方法對于那些測量精度不高的儀表適用，但是對于溫度校驗儀這種精度較高的儀器來說，所測得的誤差中包括了恒溫槽和補(bǔ)償導(dǎo)線的測量誤差，不確定度分量較大。尤其是補(bǔ)償導(dǎo)線由于穩(wěn)定性、材料等原因本身的誤差就比較大，精密級的補(bǔ)償導(dǎo)線也要達(dá)到2μV，而且由于補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值采用的都是20 ℃時的修正值，而實際冷端溫度可能與20 ℃存在一定的差異，存在一定誤差，因而無論配備再好的測量標(biāo)準(zhǔn)器，整套校準(zhǔn)裝置的不確定度也無法得到有效提高。

2、溫度校驗儀通常都具有校準(zhǔn)多種分度號熱電偶的功能，按上述方法必須對每一種分度號的熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，這在實際工作中工作量巨大，難以做到，而且在技術(shù)上也毫無必要。因為不論什么分度號的熱電偶的溫度輸出都是由直流電壓輸出和冷端補(bǔ)償組成的。

所以，本文認(rèn)為對于校準(zhǔn)熱電偶信號輸出的溫度校驗儀適宜分別對直流毫伏信號輸出基本誤差和冷端補(bǔ)償誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，對于直流毫伏輸出誤差的校準(zhǔn)可以依據(jù)JJ G445—86《直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源檢定規(guī)程》連接測量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，而對于冷端補(bǔ)償誤差可以采用以下方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

如圖3，采用一個可以調(diào)節(jié)溫度的恒溫槽來代替零度恒溫槽，該恒溫槽的偏差要求不高，但是均勻性不得大于0.05 ℃，以保證測量精度。將恒溫槽的初始溫度t0=20℃，任選一分度號的補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線的一端短接后插入恒溫槽，另一端接入被校的溫度校驗儀冷端輸入端。另外采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計及相應(yīng)測量儀表(或者標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計) 測量槽溫，鉑電阻溫度計感溫元件端應(yīng)該與補(bǔ)償導(dǎo)線短接端保持同一高度并盡量接近。待槽溫和被校冷端溫度恒定后，測量此時補(bǔ)償導(dǎo)線參考端的熱電動勢值E1，按下式換算成溫度Δt1。

其中，St0吐露體現(xiàn)該分度號熱電偶在20 ℃時的微分電動勢值。

將恒溫槽溫度調(diào)整為t1 = t0 - Δt1 ，待槽溫恒定后，再測量補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動勢值E2，重復(fù)以上步驟，直到熱電動勢值E或Δt接近零(或者小于一定值，一般可取Δt<0.1℃) ，即認(rèn)為恒溫槽的槽溫與冷端溫度劃一。此時將被檢溫度校驗儀轉(zhuǎn)換至測溫檔，讀取儀表指示值td和標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀數(shù)t標(biāo)。

然后，將補(bǔ)償導(dǎo)線參考端拆下后接上銅導(dǎo)線，放入恒溫槽中，補(bǔ)償導(dǎo)線的短接端和參考端放置在同一深度并盡量接近，銅導(dǎo)線的兩端同時接到測量標(biāo)準(zhǔn)器上，測量補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動勢Δe。并按照下式得出該溫度校驗儀的冷端補(bǔ)償誤差Δ補(bǔ)。

Δ補(bǔ)= (td - t標(biāo))·St標(biāo)- Δe

式中，Δ補(bǔ)為被校儀器的冷端補(bǔ)償誤差，μV ；

td為被校儀器讀取的溫度示值，℃；

t標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀取的溫度值，℃；

St標(biāo)為該分度號熱電偶在標(biāo)準(zhǔn)溫度計所示溫度時的微分電動勢，μV/ ℃；

Δe為補(bǔ)償導(dǎo)線實際溫度下的修正值，μV。

所得出的冷端補(bǔ)償誤差，根據(jù)熱電偶的分度表可以分別得出不同分度號熱電偶換算出的溫度值。

這樣校準(zhǔn)結(jié)果就分成了溫度校驗儀的直流毫伏信號輸出誤差和冷端補(bǔ)償誤差，zui大限度的減少了冷端測量和補(bǔ)償導(dǎo)線引起的誤差。

3、基本誤差計算

溫度校驗儀的zui后基本誤差按下式計算：

式中:Δt為溫度校驗儀換算成溫度的基本誤差，℃；

ΔA為電量程輸出指示誤差，μV、Ω或mA ；

Δ補(bǔ)為熱電偶輸出時的冷端補(bǔ)償誤差，μV，在校準(zhǔn)非熱電偶輸出時，此項為0；

(ΔA /Δt) t 為電量程輸出指示誤差，μV/℃、Ω/℃或mA/℃。

Δt 的zui后結(jié)果應(yīng)按照數(shù)據(jù)修約規(guī)則化整到與溫度校驗儀該功能檔的分辨率劃一。

結(jié)束語

通過對溫度校驗儀的電量輸出誤差和冷端補(bǔ)償誤差分別測量，對于高精確度、多功能的溫度校驗儀我們可以更加方便、精確的測量其誤差，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。其校準(zhǔn)的測量不確定度實際只是由兩部分組成:電量輸出的不確定度和冷端補(bǔ)償?shù)牟淮_定度。

其中，電量輸出的不確定度與冷端補(bǔ)償?shù)牟淮_定度相比通常較小，在輸出熱電偶信號時，我們可以通過兩者的合成得到溫度校驗儀在各個分度時的測量不確定度，并且通過對冷端補(bǔ)償誤差的更精確測量來校準(zhǔn)高精度溫度校驗儀。

干系產(chǎn)品：

參考文獻(xiàn)

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