在線溫度變送器（配熱電阻）的校準(zhǔn)方法研究和不確定度評(píng)定
發(fā)布時(shí)間：2019-06-24 發(fā)布作者：
根據(jù) JJF1183-2007《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》，本文對(duì)其校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究與試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定度評(píng)定，確認(rèn)其可靠性與準(zhǔn)確性。
一、校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成和功能
1. 測(cè)量環(huán)境
溫度：（20±5）℃；相對(duì)濕度：45%~75%。
2. 測(cè)量對(duì)象
配熱電阻溫度變送器，分度號(hào)為 Pt100，測(cè)量范圍為 0~200℃，輸出范圍為（4~20）mA，準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.5 級(jí)。
3. 標(biāo)準(zhǔn)器及其他設(shè)備
0.01 級(jí)直流電阻箱 ZX74，其主要技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。西門子 CPU 模塊 315-2 DP 及西門子編程軟件 STEP7 V5.5。 西門子模擬量輸入模塊 SM331，AI8×12 位。
4. 測(cè)量原理
溫度變送器主要由傳感單元和信號(hào)轉(zhuǎn)化器組成。其中，傳感單元連接 0.01 級(jí)直流電阻箱，信號(hào)轉(zhuǎn)化器連接西門子模擬量輸入模塊 SM331，根據(jù)溫度與電流的線性關(guān)系，通過 PLC 通信至上位機(jī)，然后由STEP7 編程軟件將（4~20）mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為變送器的測(cè)量范圍 0~200℃實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的溫度，并與標(biāo)準(zhǔn)溫度作比較，得到測(cè)量結(jié)果。
5. 測(cè)量方法
從 0℃開始逐步增大輸入信號(hào)，分別給變送器輸入各被檢點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的電阻值，讀取上位機(jī)相應(yīng)的顯示值，直至 200℃。然后減小輸入信號(hào)，分別給變送器輸入各被檢點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的電阻值，讀取上位機(jī)相應(yīng)的指示值，直至 0℃。
6. 測(cè)量過程
根據(jù) JJF1183-2007，校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇應(yīng)按量程均勻分布，一般應(yīng)包括上限值、下限值和量程 50% 附近在內(nèi)不少于 5 個(gè)點(diǎn)。所以，本次校準(zhǔn)點(diǎn)選為 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃。如此作為一個(gè)循環(huán)，以三個(gè)循環(huán)測(cè)量的平均值計(jì)算輸出誤差，作為測(cè)量結(jié)果。在到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，信號(hào)的輸入應(yīng)盡量緩慢，避免過沖。
二、測(cè)量模型
1. 測(cè)量模型
假設(shè)被測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值為 t x ，被測(cè)點(diǎn)溫度的標(biāo)稱值為 t n ，則被測(cè)點(diǎn)溫度值的誤差可表示為
三、不確定度來源分析與評(píng)定
1.溫度變送器輸出值引入的不確定度分量 u（t x ）采用 A 類方法評(píng)定變送器輸出值引入的不確定度分量 u 1 （t x ）。取變送器上限點(diǎn) 200℃，由直流電阻箱輸出相應(yīng)的標(biāo)稱電阻值 175.86Ω，進(jìn)行 10 次重復(fù)測(cè)量，具體數(shù)據(jù)（單位：℃）分別為199.8463、199.8477、199.8541、199.8530、199.8551、199.8588、199.8607、199.8625、199.8604、199.8529。
用 相同的 方 法，在 溫 度 變 送 器 0℃、50℃、
100℃、150℃四個(gè)點(diǎn)得到相應(yīng)的u（t x ）分別為0.0015℃、0.0016℃、0.0019℃、0.0021℃。
上 位 機(jī) 溫 度 顯 示 的 分 辨 力 為0.0001℃，分辨力所引入的不確定度分量遠(yuǎn)小于重復(fù)性引入的不確定度分量，所以不考慮分辨力引入的不確定度。
2. 直流電阻箱引入的不確定度分量 u（R n ）
采用 B 類方 法 評(píng) 定直流電阻 箱引入的不確定度分 量 u（R n ），由表 1 可知，ZX74 直流電阻箱在 0~200℃的較大允許誤差為±0.04℃，按均勻分布考慮，包含因子 k= ，則
得出直流電阻箱引起的不確定度分量u（R n ）在變送器 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃五個(gè)點(diǎn)均為 0.023℃。
3. 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
由式（2）可以計(jì)算出變送器各溫度點(diǎn)的不確定度 u c ，如表 2 所示。
4. 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定
根據(jù) U=ku c ，取 k=2，得到
溫度變送器（配熱電阻）輸出值誤差的測(cè)量結(jié)果不確定度報(bào)告，如表 3所示。
四、結(jié)語
由計(jì)算結(jié)果可以看出，用直流電阻箱校準(zhǔn)上位機(jī)直接顯示的溫度變送器（配
熱電阻）測(cè)量結(jié)果中，直流電阻箱的較大允許誤差是該方法不確定度的主要來源。準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.5 級(jí)，測(cè)量范圍為 0~200℃的溫度變送器較大允許誤差為±1℃，而測(cè)量結(jié)果的不確定度為 0.12℃，小于較大允許誤差絕對(duì)值的1/3，滿足要求。
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