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在線溫度變送器（配熱電阻）的校準方法研究和不確定度評定

發布時間：2019-06-24  發布作者：

根據 JJF1183-2007《溫度變送器校準規范》，本文對其校準方法進行了研究與試驗，并對測量結果進行了不確定度評定，確認其可靠性與準確性。
一、校準系統的組成和功能
1. 測量環境
溫度：（20±5）℃；相對濕度：45%~75%。
2. 測量對象
配熱電阻溫度變送器，分度號為 Pt100，測量范圍為 0~200℃，輸出范圍為（4~20）mA，準確度等級為 0.5 級。
ZX74 直流電阻箱主要技術參數
3. 標準器及其他設備
0.01 級直流電阻箱 ZX74，其主要技術指標如表 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. 測量原理
溫度變送器主要由傳感單元和信號轉化器組成。其中，傳感單元連接 0.01 級直流電阻箱，信號轉化器連接西門子模擬量輸入模塊 SM331，根據溫度與電流的線性關系，通過 PLC 通信至上位機，然后由STEP7 編程軟件將（4~20）mA 的電流信號轉化為變送器的測量范圍 0~200℃實時顯示測得的溫度，并與標準溫度作比較，得到測量結果。
5. 測量方法
從 0℃開始逐步增大輸入信號，分別給變送器輸入各被檢點溫度所對應的電阻值，讀取上位機相應的顯示值，直至 200℃。然后減小輸入信號，分別給變送器輸入各被檢點溫度所對應的電阻值，讀取上位機相應的指示值，直至 0℃。
6. 測量過程
根據 JJF1183-2007，校準點的選擇應按量程均勻分布，一般應包括上限值、下限值和量程 50% 附近在內不少于 5 個點。所以，本次校準點選為 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃。如此作為一個循環，以三個循環測量的平均值計算輸出誤差，作為測量結果。在到達測量點時，信號的輸入應盡量緩慢，避免過沖。
二、測量模型
1. 測量模型
假設被測點對應的實際溫度值為 t x ，被測點溫度的標稱值為 t n ，則被測點溫度值的誤差可表示為
ZX74 直流電阻箱主要技術參數
三、不確定度來源分析與評定
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 200℃，由直流電阻箱輸出相應的標稱電阻值 175.86Ω，進行 10 次重復測量，具體數據（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。
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用 相同的 方 法，在 溫 度 變 送 器 0℃、50℃、
100℃、150℃四個點得到相應的u（t x ）分別為0.0015℃、0.0016℃、0.0019℃、0.0021℃。
上 位 機 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小于重復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 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
20190624161600.jpg
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℃五個點均為 0.023℃。
3. 合成標準不確定度的評定
由式（2）可以計算出變送器各溫度點的不確定度 u c ，如表 2 所示。
4. 擴展不確定度的評定
根據 U=ku c ，取 k=2，得到溫度變送器（配熱電阻）輸出值誤差的測量結果不確定度報告，如表 3所示。
20190624161613.jpg
四、結語
由計算結果可以看出，用直流電阻箱校準上位機直接顯示的溫度變送器（配熱電阻）測量結果中，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。準確度等級為 0.5 級，測量范圍為 0~200℃的溫度變送器較大允許誤差為±1℃，而測量結果的不確定度為 0.12℃，小于較大允許誤差絕對值的1/3，滿足要求。

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