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    在线温度变送器(配热电阻)的校准方法研究和不确定度评定

    来源:作者:发表时间:2019-06-24
    根据 JJF1183-2007《温度变送器校准规范》,本文对其校准方法进行了研究与试验,并对测量结果进行了不确定度评定,确认其可靠性与准确性。
    一、校准系统的组成和功能
    1. 测量环境
    温度:(20±5)℃;相对湿度:45%~75%。
    2. 测量对象
    配热电阻温度变送器,分度号为 Pt100,测量范围为 0~200℃,输出范围为(4~20)mA,准确度等级为 0.5 级。
    ZX74 直流电阻箱主要技术参数
    3. 标准器及其他设备
    0.01 级直流电阻箱 ZX74,其主要技术指标如表 1 所示。西门子 CPU ???315-2 DP 及西门子编程软件 STEP7 V5.5。 西门子模拟量输入???SM331,AI8×12 位。
    4. 测量原理
    温度变送器主要由传感单元和信号转化器组成。其中,传感单元连接 0.01 级直流电阻箱,信号转化器连接西门子模拟量输入???SM331,根据温度与电流的线性关系,通过 PLC 通信至上位机,然后由STEP7 编程软件将(4~20)mA 的电流信号转化为变送器的测量范围 0~200℃实时显示测得的温度,并与标准温度作比较,得到测量结果。
    5. 测量方法
    从 0℃开始逐步增大输入信号,分别给变送器输入各被检点温度所对应的电阻值,读取上位机相应的显示值,直至 200℃。然后减小输入信号,分别给变送器输入各被检点温度所对应的电阻值,读取上位机相应的指示值,直至 0℃。
    6. 测量过程
    根据 JJF1183-2007,校准点的选择应按量程均匀分布,一般应包括上限值、下限值和量程 50% 附近在内不少于 5 个点。所以,本次校准点选为 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃。如此作为一个循环,以三个循环测量的平均值计算输出误差,作为测量结果。在到达测量点时,信号的输入应尽量缓慢,避免过冲。
    二、测量模型
    1. 测量模型
    假设被测点对应的实际温度值为 t x ,被测点温度的标称值为 t n ,则被测点温度值的误差可表示为
    ZX74 直流电阻箱主要技术参数
    三、不确定度来源分析与评定
    1.温度变送器输出值引入的不确定度分量 u(t x )采用 A 类方法评定变送器输出值引入的不确定度分量 u 1 (t x )。取变送器上限点 200℃,由直流电阻箱输出相应的标称电阻值 175.86Ω,进行 10 次重复测量,具体数据(单位:℃)分别为199.8463、199.8477、199.8541、199.8530、199.8551、199.8588、199.8607、199.8625、199.8604、199.8529。
    20190624161536.jpg
    用 相同的 方 法,在 温 度 变 送 器 0℃、50℃、
    100℃、150℃四个点得到相应的u(t x )分别为0.0015℃、0.0016℃、0.0019℃、0.0021℃。
    上 位 机 温 度 显 示 的 分 辨 力 为0.0001℃,分辨力所引入的不确定度分量远小于重复性引入的不确定度分量,所以不考虑分辨力引入的不确定度。
    2. 直流电阻箱引入的不确定度分量 u(R n )
    采用 B 类方 法 评 定直流电阻 箱引入的不确定度分 量 u(R n ),由表 1 可知,ZX74 直流电阻箱在 0~200℃的最大允许误差为±0.04℃,按均匀分布考虑,包含因子 k= ,则
    20190624161600.jpg
    得出直流电阻箱引起的不确定度分量u(R n )在变送器 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃五个点均为 0.023℃。
    3. 合成标准不确定度的评定
    由式(2)可以计算出变送器各温度点的不确定度 u c ,如表 2 所示。
    4. 扩展不确定度的评定
    根据 U=ku c ,取 k=2,得到温度变送器(配热电阻)输出值误差的测量结果不确定度报告,如表 3所示。
    20190624161613.jpg
    四、结语
    由计算结果可以看出,用直流电阻箱校准上位机直接显示的温度变送器(配热电阻)测量结果中,直流电阻箱的最大允许误差是该方法不确定度的主要来源。准确度等级为 0.5 级,测量范围为 0~200℃的温度变送器最大允许误差为±1℃,而测量结果的不确定度为 0.12℃,小于最大允许误差绝对值的1/3,满足要求。
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