过程仪表模拟热电偶输出的两种校准方法比较和研究
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摘 要：过程仪表校验仪是常见的工业现场设备。针对校准过程中，模拟热电偶输出功能测量超差的某一台过程仪表校验仪设备，文章依据校准规范采用了两种方法完成校准。文章通过对两种方法的比对和研究，得出了可靠的校准结论。
关键词：过程仪表校验仪;模拟热电偶输出;校准
中图分类号：TB9 文献标志码：A 文章编号：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
過程仪表校验仪是化工电力等工矿企业及计量检测实验室常用的仪器设备。过程仪表校验仪主要特点是同时具有独立的电信号测量单元和电信号输出单元，过程仪表校验仪模拟热电偶输出是必须校准的项目之一，其校准的依据一般是JJF1472-2014《过程校验仪校准规范》，也可依据JJF 1309-2011《温度校准仪校准规范》进行校准。根据经验，模拟热电偶输出功能是校准过程中非常不容易判断被校仪器是否超差的校准项目。判断仪器超差需要非常慎重，因此确保测量过程的可靠性非常重要。
1 模拟热电偶输出的校准方法和校准结果
在一次对某台过程仪表认证校验仪设备的校准过程中，根据校准结果和客户提供的设备最大允差对比，初步得出了“其K型模拟热电偶输出功能超差”的结论。本着计量工作的严谨性，仔细研究JJF1472-2014和适用于模拟热电偶过程信号的JJF 1309-2011中的校准方法。依据两个规范中提供的方法，得到了两组不同的实验数据。
1.1 依据JJF1472-2014
1.1.1 校准方法
过程仪表校验仪中模拟热电偶输出功能校准连接图根据JJF1472-2014《过程仪表校验仪校准规范》6.2.5所述。
将标准器和过程仪表校验仪通过铜导线直接相连，校验仪输出模拟热电偶信号（K型），分别读取标准器和校验仪的示值，记录并比对。
1.1.2 校准结果
客户给出的该过程仪表校验仪的K型模拟模拟热电偶输出校准的最大允许误差指标为±0.4℃，表1是利用FLUKE 5520A作为标准器设备得到的实验结果。从测量结果来看，所得数据不符合客户要求，部分数据超过最大允差。
1.2 依据JJF1309-2011
1.2.1 校准方法
依据JJF 1309-2011《温度校准仪校准规范》6.2中提出的校准方法，利用0℃恒温槽作为冷端补偿，通过直流电压源或直流电流表对具有参考端温度自动补偿的模拟热电偶温度输出进行校准。
0℃恒温槽法就是采用直流电压源或直流电压表作为标准器，校验仪的模拟热电偶温度测量端（或模拟热电偶输出端） 用补偿导线引出，标准器的电压输出端（或测量端）通过铜导线引出[1]。补偿导线和铜导线的引出端连接，并将连接点放置于0℃恒温槽内，并确认开启过程校验仪参考端温度自动补偿功能。补偿导线必须是与被测的模拟热电偶为同种型号，且极性不能接反。
1.2.2 校准结果
采用0℃恒温槽的校准方法，再次对某型号过程校准仪的K型模拟热电偶输出功能进行校准。标准器使用了安捷伦3458A、0℃恒温槽和补偿导线，得到的数据如表2所示。表2中的数据满足了客户提供的最大允差在±0.4℃范围内的要求。
表2 0℃恒温器法K型模拟热电偶输出校准数据
1.2.3 冷端补偿
0℃恒温槽法又可称为冷端补偿法。热电偶的测温原理是由于热电偶两端的温度不同而产生了电势差，即热电效应。热电偶的温度-热电势曲线是在冷端温度为0℃时分度的。然而在实际应用中，热电偶是暴露在环境中的，冷端温度不可能恒定为0℃，这样在测温的过程中就会产生测量误差。为了消除这种误差，要采用冷端补偿的方法进行[2]。
测量模拟热电偶输出信号的原理与测量热电偶的原理是相似的。FLUKE 5520A中也有冷端补偿的模块，但是在环境不稳定的情况下，测量存在的误差较大。因此，想要准确地测量模拟热电偶输出信号，需要使得参考端温度恒定。所以，利用0℃恒温器标准器作为冷端环境，对其参考端进行温度补偿修正，确保温度测量的准确性[3]。
2 两种方法的比较
根据上述的实验可知，采用两种不同的方法对同一个过程校验仪的K型模拟热电偶进行校准，却得到了两种不同的结果。利用FLUKE 5520A直接测量得出的结论是设备超差，利用0℃恒温槽法得到设备状态正常的结论。这样的情况是不合理的。因此，我们对两种方法的不确定度进行了分析。 2.1 直接测量法
查阅FLUKE 5520A超级多功能校准器的技术指标，得到表3的数据。根据JJF1472-2014《过程仪表校验仪校准规范》5.2的要求，校准时由标准器、辅助设备及环境条件所引起的扩展不确定度（k=2）不大于校验仪最大允许误差绝对值的三分之一。客户送检仪器的最大允许误差要求在±0.4℃，FLUKE 5520A并不满足作为测量标准器的要求。因此此次测量结果并不可靠，无法得出被检仪器超差的结论。
2.2 0℃恒温槽法
采用0℃恒温槽法进行校准时，使用的标准器有安捷伦3458A，0℃恒温槽和补偿导线。首先用A类不确定度对安捷伦3458A的测量重复性进行评定。然后根据3458A的最大允差进行B类不确定度评定，最终得到3458A的标准不确定度。再引用上级溯源报告，获得补偿导线和0℃恒温器的标准不确定度。根据以上数据，获得合成标准不确定度和扩展不确定度。最后根据ITS-90《常用热电偶、热电阻分度表》将此扩展不确定度单位换算成摄氏度。
表4是0℃恒温器法整套标准装置的不确定度评定结果。可见该装置满足“三分之一”法则的要求，测得结果准确可靠。则我们可以得出该被检仪器性能良好的可靠结论。
3 结束语
以上结果表明，在本次的校准过程中，FLUKE 5520A并不能作为标准器完成设备校准。因此，其校准得到的结果——设备超差，也并不可靠。在进行校准工作之前，要确保由标准器、辅助设备及环境条件所引起的扩展不确定度（k=2）不大于校验仪最大允许误差绝对值的三分之一。从两个方法比较中可看出：JJF1472-2014《过程仪表校验仪校准规范》适用于校准准确度比较低的工作用过程校准器，而JJF 1309-2011《温度校准仪校准规范》适用于实验室用的准确度比较高的可作为标准器的过程校准器。
参考文献：
[1]陈旭，孙力，凌彦萃.温度校准仪热电偶档基于冷端补偿的校準方法研究[J].中国测试，2018，44（12）：96-100.
[2]陈永强，崔馨元，吴勤，等.热电偶校准过程中的不同冷端补偿方法的比较[J].计量与测试技术，2018，45（05）：68-69.
[3]司延召.过程校验仪热电偶功能校准方法分析[J].计量与测试技术，2017，44（02）：73-75+77.
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