关于温度变送器的现场校准及数据处理

韩丽丽

【摘 要】 本文介绍了在工业生产过程中应用的温度变送器在现场的校准方法以及所涉及到的由标准设备与被校温度变送器引起的输出电流测量结果不确定度的评定。

【关键词】 热电阻测温  热电偶测温  冷端温度补偿  测量结果不确定度评定

1 引言

温度的检测和控制是工业生产过程中比较广泛的应用之一，温度变送器是一种将现场采集的温度信号变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

2 温度测量系统的组成部分及温度变送器的工作原理

热电阻测温的基本原理是先将温度的变化转化成热电阻的变化，然后再由温度变送器将电阻的变化转化成电压的变化，计算机通过对电压的采样和计算便可得到温度值。在宝钢不锈钢热轧厂工程检修中用于测温的热电阻一般为Pt100规格的热电阻，Pt100热电阻测温元件是0℃时其输出电阻为100Ω。之后，随着温度的提高热电阻值呈非线性增加。

热电偶测量温度的基本原理是利用材料的热电效应。将两种不同成分的金属导体首尾连接成闭合回路，如果两连接点的温度不等，则在回路中就会产生热电动势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将两种不同的金属材料一端焊接而成。焊接的一端叫做测量端，未焊接的一端叫做参考端。参考端在使用时通常恒定在一定的温度（如0℃）。当对测量端加热时，在接点处有热电势产生。如参考端温度恒定，其热电势的大小和方向只与两种金属材料的特性和测量端的温度有关，而与热电极的粗细和长短无关。当测量端的温度改变后，热电势也随之改变，并且温度和热电势之间有一固定的函数关系，利用这个关系就可以测量温度。在宝钢不锈钢热轧厂工程检修中用于测温的热电偶一般为K、S型热电偶。

温度变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻;信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成，有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线的功能。热电偶和热电阻来的信号输入到变送器的输入端，输入端为一个不平衡电桥，当温度变化时，电桥失去平衡，桥路将有电压输出，经放大后变送器输出（4～20）mA直流电流信号。输出的直流信号又经反馈回路输入到放大器的输入端，保证了输入和输出的线性度。我实验室主要校准的是不带传感器的变送器。

3 校准设备的选择与校准的过程

3.1 校准设备的选择

校准时所用到的标准器及配套设备需要考虑它们所引入的扩展不确定度U（k=2）至少应不大于被校变送器最大允许误差绝对值的1/3。像我实验室用到的为多功能校验仪、直流电阻箱、补偿导线、0摄氏度恒温槽以及直流电流表等标准装置。

3.2 温度变送器校准主要项目就是测量误差的校准

3.2.1 热电偶温度变送器的校准

热电偶温度变送器冷端的温度补偿是由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，热电偶温度变送器冷端的温度补偿不起补偿作用。那么在通常的测量中要求冷端的温度恒定，把T0定为常数，此时热电偶的热电势就是被测介质温度的单值函数，即Et=f（T）。热电偶分度表中的热电势是在冷端温度T0=0℃的条件下测得的，只有满足T0=0℃的条件，才能直接应用分度表。在工程测量中，冷端温度不是0℃或随环境温度的变化而变化，这样将引入测量误差，因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度T0≠0℃时对测温的影响。

若冷端温度波动时有以下几种修正方法：（1）热电势修正法;（2）补偿导线法;（3）冷端恒温法;（4）辅助热电偶法。我实验室在现场校准时采用的是补偿导线法和热电势修正法来进行修正的，在实验室校准时采用的是冷端恒温法和补偿导线法来进行修正的。这里主要阐明在现场工业检修工程中校准的方法。

（1）在现场校准前的准备工作为校准时的设备连接——尤其是热电偶输入的变送器，具有参考端温度自动补偿时，应采用补偿导线法进行接线校准如图1所示，其温度变送器两线制输出部分接线校准如图2所示。

多功能校验仪的热电偶校准功能是一种根据各类热电偶的分度号按温度值直接输出电势值的仪器，并具有冷端温度自动补偿的功能。校准时多功能校验仪的输出阻抗相对于被校热电偶温度变送器仪表的输入阻抗要足够小，否则将产生较大的测量误差。如上图所示输入部分的接线方法，其中连接导线应为与热电偶分度号相配的补偿导线。热电偶温度变送器冷端的温度补偿极性不能接错。

（2）校准前的调整。在实际的校准过程中多功能校验仪设定为与被校的温度变送器对应的热电偶分度号，其带内部自动补偿的功能（也就是说如果室温是20℃，那么查标准分度数据表，得到E（20，0）电势值;校验T温度时，将该值减去，即E（T，0）-E（20，0）=E（T，20）;这个E（T，20）就是你在20℃时T的mV值），那么可以用改变输入温度信号的办法对相应的输出下限值和输出上限值进行调整，使它与标准的下限值和上限值相一致。在测量的过程中不允许调整零点和量程。

（3）校准的过程。校准点的选择是按量程均匀分布的，一般是包括上限值、下限值和量程50%附近在内不少于5个点，通过从下限开始平稳地输入各被校点对应的温度信号值，读取并记录输出值直至上限;然后反方向平稳地改变输入信号依次到各个被校点，读取并记录输出值直至下限。如此为一次循环，须进行三个循环的测量。在接近被校点时，输入信号应足够慢，以避免过冲，以此来看温变是否准确。用比较法计算各被校点三次循环得出的平均值与标准输出值的差值，得出各被校点的误差。endprint

3.2.2 热电阻温度变送器的校准

（1）在现场校准前的准备工作为校准时的设备连接——三线制热电阻输入的变送器校准时可按图3接线。三线制连接时，线间电阻值之差要尽可能小，在阻值无明确规定时，可以在同一根导线上等长度（不超过1m）截取三段导线组成，其温度变送器两线制输出部分接线校准如图2所示。

（2）校准前的调整。在实际的校准过程中多功能校验仪设定为与被校的温度变送器对应的热电阻分度号，那么通过输出信号模拟热电阻校准变送器的输入，对相应的输出下限值和输出上限值进行调整，使它与标准的下限值和上限值相一致。在测量的过程中不允许调整零点和量程。

（3）校准的过程。热电阻温度变送器的校准过程与热电偶温度变送器的校准过程相同。

4 温度变送器校准的注意事项

（1）校准前需要与委托方沟通好，经委托方确认具备现场校准单体仪表条件后才可进行校准工作。（2）校准前，要准备好校准原始记录表，并查热电偶在各校验点的温度/毫伏对照表或热电阻温度/电阻对照表，将需要的数据查出并填入已经准备好的原始记录表中。（3）接线时要注意24V直流电源和补偿导线的极性，并且在通电预热15分钟后开始校准，参考端温度自动补偿的仪表还需通电预热30分钟后开始校准。（4）在调整零点和满量程电位器时不要用力过猛，防止拧坏。

5 温度变送器输出电流误差的测量结果不确定度的评定

温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定，以配K分度用热电偶的温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定为例。

5.1 数学模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——温度变送器在温度t时的测量误差;Id──温度变送器的输出电流值;

Im──温度变送器的输出量程;ts──温度变送器的输入温度值;

tm──温度变送器的温度输入量程;I0──温度变送器的输出起始电流值;

t0──温度变送器输入的下限温度值;e──补偿导线修正值;

Si──热电偶特性曲线各温度测量点的斜率，对于某一温度测量点可视为常数。

5.2 输入量Id的标准不确定度u（Id）的评定

输入量Id的不确定度来源主要有两部分：被校温度变送器的测量重复性u（（Id1）和过程校准仪的示值误差u（Id2） 。

5.3 输入量ts的标准不确定度u（ts）的评定

输入量ts的标准不确定度来源主要来自多功能校验仪的示值误差。温、湿度影响和连接导线的影响可以忽略不计。多功能校验仪的标准不确定度u（ts）采用B类方法进行评定。

5.4 输入量e的标准不确定u（e）的评定

输入量e不确定度的主要来源为补偿导线修正值导致的不确定度。补偿导线的标准不确定度u（e）可以采用B类方法进行评定。

5.5 合成标准不确定度的评定

（1）灵敏系数：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成标准不确定度的计算。

输入量Id、ts及e相互间彼此独立，所以合成标准不确定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，置信概率为95%，U=k×uc（△It）

变送器各校准点测量误差的扩展不确定度取最大值。

6 结语

温度变送器作为一种典型的温度仪表，已经被广泛应用于工业生产测量当中。为了便于自动化检测，对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是统一的（4～20）mA信号。温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的（4～20）mA电流信号输出，同时还起隔离作用。那么温度测量的准确度对工业生产的影响非常大，在冶金炼钢和轧钢等行业的生产过程都需要准确测量温度，由于所有温度变送器都会随时间变化而发生漂移，所以需要利用可靠的标准温度校验仪器对其进行定期校准，否则对工业系统生产和钢铁产品会带来严重的影响。endprint

3.2.2 热电阻温度变送器的校准

（1）在现场校准前的准备工作为校准时的设备连接——三线制热电阻输入的变送器校准时可按图3接线。三线制连接时，线间电阻值之差要尽可能小，在阻值无明确规定时，可以在同一根导线上等长度（不超过1m）截取三段导线组成，其温度变送器两线制输出部分接线校准如图2所示。

（2）校准前的调整。在实际的校准过程中多功能校验仪设定为与被校的温度变送器对应的热电阻分度号，那么通过输出信号模拟热电阻校准变送器的输入，对相应的输出下限值和输出上限值进行调整，使它与标准的下限值和上限值相一致。在测量的过程中不允许调整零点和量程。

（3）校准的过程。热电阻温度变送器的校准过程与热电偶温度变送器的校准过程相同。

4 温度变送器校准的注意事项

（1）校准前需要与委托方沟通好，经委托方确认具备现场校准单体仪表条件后才可进行校准工作。（2）校准前，要准备好校准原始记录表，并查热电偶在各校验点的温度/毫伏对照表或热电阻温度/电阻对照表，将需要的数据查出并填入已经准备好的原始记录表中。（3）接线时要注意24V直流电源和补偿导线的极性，并且在通电预热15分钟后开始校准，参考端温度自动补偿的仪表还需通电预热30分钟后开始校准。（4）在调整零点和满量程电位器时不要用力过猛，防止拧坏。

5 温度变送器输出电流误差的测量结果不确定度的评定

温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定，以配K分度用热电偶的温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定为例。

5.1 数学模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——温度变送器在温度t时的测量误差;Id──温度变送器的输出电流值;

Im──温度变送器的输出量程;ts──温度变送器的输入温度值;

tm──温度变送器的温度输入量程;I0──温度变送器的输出起始电流值;

t0──温度变送器输入的下限温度值;e──补偿导线修正值;

Si──热电偶特性曲线各温度测量点的斜率，对于某一温度测量点可视为常数。

5.2 输入量Id的标准不确定度u（Id）的评定

输入量Id的不确定度来源主要有两部分：被校温度变送器的测量重复性u（（Id1）和过程校准仪的示值误差u（Id2） 。

5.3 输入量ts的标准不确定度u（ts）的评定

输入量ts的标准不确定度来源主要来自多功能校验仪的示值误差。温、湿度影响和连接导线的影响可以忽略不计。多功能校验仪的标准不确定度u（ts）采用B类方法进行评定。

5.4 输入量e的标准不确定u（e）的评定

输入量e不确定度的主要来源为补偿导线修正值导致的不确定度。补偿导线的标准不确定度u（e）可以采用B类方法进行评定。

5.5 合成标准不确定度的评定

（1）灵敏系数：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成标准不确定度的计算。

输入量Id、ts及e相互间彼此独立，所以合成标准不确定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，置信概率为95%，U=k×uc（△It）

变送器各校准点测量误差的扩展不确定度取最大值。

6 结语

温度变送器作为一种典型的温度仪表，已经被广泛应用于工业生产测量当中。为了便于自动化检测，对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是统一的（4～20）mA信号。温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的（4～20）mA电流信号输出，同时还起隔离作用。那么温度测量的准确度对工业生产的影响非常大，在冶金炼钢和轧钢等行业的生产过程都需要准确测量温度，由于所有温度变送器都会随时间变化而发生漂移，所以需要利用可靠的标准温度校验仪器对其进行定期校准，否则对工业系统生产和钢铁产品会带来严重的影响。endprint

3.2.2 热电阻温度变送器的校准

（1）在现场校准前的准备工作为校准时的设备连接——三线制热电阻输入的变送器校准时可按图3接线。三线制连接时，线间电阻值之差要尽可能小，在阻值无明确规定时，可以在同一根导线上等长度（不超过1m）截取三段导线组成，其温度变送器两线制输出部分接线校准如图2所示。

（2）校准前的调整。在实际的校准过程中多功能校验仪设定为与被校的温度变送器对应的热电阻分度号，那么通过输出信号模拟热电阻校准变送器的输入，对相应的输出下限值和输出上限值进行调整，使它与标准的下限值和上限值相一致。在测量的过程中不允许调整零点和量程。

（3）校准的过程。热电阻温度变送器的校准过程与热电偶温度变送器的校准过程相同。

4 温度变送器校准的注意事项

（1）校准前需要与委托方沟通好，经委托方确认具备现场校准单体仪表条件后才可进行校准工作。（2）校准前，要准备好校准原始记录表，并查热电偶在各校验点的温度/毫伏对照表或热电阻温度/电阻对照表，将需要的数据查出并填入已经准备好的原始记录表中。（3）接线时要注意24V直流电源和补偿导线的极性，并且在通电预热15分钟后开始校准，参考端温度自动补偿的仪表还需通电预热30分钟后开始校准。（4）在调整零点和满量程电位器时不要用力过猛，防止拧坏。

5 温度变送器输出电流误差的测量结果不确定度的评定

温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定，以配K分度用热电偶的温度变送器输出电流误差测量结果的不确定度评定为例。

5.1 数学模型

ΔIt=Id-{（Im/tm）[ts-t0+（e/Si）]+I0}

式中：ΔIt——温度变送器在温度t时的测量误差;Id──温度变送器的输出电流值;

Im──温度变送器的输出量程;ts──温度变送器的输入温度值;

tm──温度变送器的温度输入量程;I0──温度变送器的输出起始电流值;

t0──温度变送器输入的下限温度值;e──补偿导线修正值;

Si──热电偶特性曲线各温度测量点的斜率，对于某一温度测量点可视为常数。

5.2 输入量Id的标准不确定度u（Id）的评定

输入量Id的不确定度来源主要有两部分：被校温度变送器的测量重复性u（（Id1）和过程校准仪的示值误差u（Id2） 。

5.3 输入量ts的标准不确定度u（ts）的评定

输入量ts的标准不确定度来源主要来自多功能校验仪的示值误差。温、湿度影响和连接导线的影响可以忽略不计。多功能校验仪的标准不确定度u（ts）采用B类方法进行评定。

5.4 输入量e的标准不确定u（e）的评定

输入量e不确定度的主要来源为补偿导线修正值导致的不确定度。补偿导线的标准不确定度u（e）可以采用B类方法进行评定。

5.5 合成标准不确定度的评定

（1）灵敏系数：c1=It/d=1;

c2=ΔIt/ts=-Im/tm

c3=ΔIt/e=-Im/（tmSi）

（2）合成标准不确定度的计算。

输入量Id、ts及e相互间彼此独立，所以合成标准不确定度可按下式得到：

uc（△It）=√C12u2（Id）+C22u2（ts）+C22u2（e）

5.6 扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，置信概率为95%，U=k×uc（△It）

变送器各校准点测量误差的扩展不确定度取最大值。

6 结语

温度变送器作为一种典型的温度仪表，已经被广泛应用于工业生产测量当中。为了便于自动化检测，对各种温度传感器的信号输出做了统一的规定，也就是统一的（4～20）mA信号。温度变送器完成测量信号的采集后转化成统一的（4～20）mA电流信号输出，同时还起隔离作用。那么温度测量的准确度对工业生产的影响非常大，在冶金炼钢和轧钢等行业的生产过程都需要准确测量温度，由于所有温度变送器都会随时间变化而发生漂移，所以需要利用可靠的标准温度校验仪器对其进行定期校准，否则对工业系统生产和钢铁产品会带来严重的影响。endprint