過程儀表模擬熱電偶輸出的兩種校準方法比較和研究
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摘 要：過程儀表校驗儀是常見的工業現場設備。針對校準過程中，模擬熱電偶輸出功能測量超差的某一臺過程儀表校驗儀設備，文章依據校準規范采用了兩種方法完成校準。文章通過對兩種方法的比對和研究，得出了可靠的校準結論。
關鍵詞：過程儀表校驗儀;模擬熱電偶輸出;校準
中圖分類號：TB9 文獻標志碼：A 文章編號：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
過程儀表校驗儀是化工電力等工礦企業及計量檢測實驗室常用的儀器設備。過程儀表校驗儀主要特點是同時具有獨立的電信號測量單元和電信號輸出單元，過程儀表校驗儀模擬熱電偶輸出是必須校準的項目之一，其校準的依據一般是JJF1472-2014《過程校驗儀校準規范》，也可依據JJF 1309-2011《溫度校準儀校準規范》進行校準。根據經驗，模擬熱電偶輸出功能是校準過程中非常不容易判斷被校儀器是否超差的校準項目。判斷儀器超差需要非常慎重，因此確保測量過程的可靠性非常重要。
1 模擬熱電偶輸出的校準方法和校準結果
在一次對某臺過程儀表認證校驗儀設備的校準過程中，根據校準結果和客戶提供的設備最大允差對比，初步得出了“其K型模擬熱電偶輸出功能超差”的結論。本著計量工作的嚴謹性，仔細研究JJF1472-2014和適用于模擬熱電偶過程信號的JJF 1309-2011中的校準方法。依據兩個規范中提供的方法，得到了兩組不同的實驗數據。
1.1 依據JJF1472-2014
1.1.1 校準方法
過程儀表校驗儀中模擬熱電偶輸出功能校準連接圖根據JJF1472-2014《過程儀表校驗儀校準規范》6.2.5所述。
將標準器和過程儀表校驗儀通過銅導線直接相連，校驗儀輸出模擬熱電偶信號（K型），分別讀取標準器和校驗儀的示值，記錄并比對。
1.1.2 校準結果
客戶給出的該過程儀表校驗儀的K型模擬模擬熱電偶輸出校準的最大允許誤差指標為±0.4℃，表1是利用FLUKE 5520A作為標準器設備得到的實驗結果。從測量結果來看，所得數據不符合客戶要求，部分數據超過最大允差。
1.2 依據JJF1309-2011
1.2.1 校準方法
依據JJF 1309-2011《溫度校準儀校準規范》6.2中提出的校準方法，利用0℃恒溫槽作為冷端補償，通過直流電壓源或直流電流表對具有參考端溫度自動補償的模擬熱電偶溫度輸出進行校準。
0℃恒溫槽法就是采用直流電壓源或直流電壓表作為標準器，校驗儀的模擬熱電偶溫度測量端（或模擬熱電偶輸出端） 用補償導線引出，標準器的電壓輸出端（或測量端）通過銅導線引出[1]。補償導線和銅導線的引出端連接，并將連接點放置于0℃恒溫槽內，并確認開啟過程校驗儀參考端溫度自動補償功能。補償導線必須是與被測的模擬熱電偶為同種型號，且極性不能接反。
1.2.2 校準結果
采用0℃恒溫槽的校準方法，再次對某型號過程校準儀的K型模擬熱電偶輸出功能進行校準。標準器使用了安捷倫3458A、0℃恒溫槽和補償導線，得到的數據如表2所示。表2中的數據滿足了客戶提供的最大允差在±0.4℃范圍內的要求。
表2 0℃恒溫器法K型模擬熱電偶輸出校準數據
1.2.3 冷端補償
0℃恒溫槽法又可稱為冷端補償法。熱電偶的測溫原理是由于熱電偶兩端的溫度不同而產生了電勢差，即熱電效應。熱電偶的溫度-熱電勢曲線是在冷端溫度為0℃時分度的。然而在實際應用中，熱電偶是暴露在環境中的，冷端溫度不可能恒定為0℃，這樣在測溫的過程中就會產生測量誤差。為了消除這種誤差，要采用冷端補償的方法進行[2]。
測量模擬熱電偶輸出信號的原理與測量熱電偶的原理是相似的。FLUKE 5520A中也有冷端補償的模塊，但是在環境不穩定的情況下，測量存在的誤差較大。因此，想要準確地測量模擬熱電偶輸出信號，需要使得參考端溫度恒定。所以，利用0℃恒溫器標準器作為冷端環境，對其參考端進行溫度補償修正，確保溫度測量的準確性[3]。
2 兩種方法的比較
根據上述的實驗可知，采用兩種不同的方法對同一個過程校驗儀的K型模擬熱電偶進行校準，卻得到了兩種不同的結果。利用FLUKE 5520A直接測量得出的結論是設備超差，利用0℃恒溫槽法得到設備狀態正常的結論。這樣的情況是不合理的。因此，我們對兩種方法的不確定度進行了分析。 2.1 直接測量法
查閱FLUKE 5520A超級多功能校準器的技術指標，得到表3的數據。根據JJF1472-2014《過程儀表校驗儀校準規范》5.2的要求，校準時由標準器、輔助設備及環境條件所引起的擴展不確定度（k=2）不大于校驗儀最大允許誤差絕對值的三分之一?？蛻羲蜋z儀器的最大允許誤差要求在±0.4℃，FLUKE 5520A并不滿足作為測量標準器的要求。因此此次測量結果并不可靠，無法得出被檢儀器超差的結論。
2.2 0℃恒溫槽法
采用0℃恒溫槽法進行校準時，使用的標準器有安捷倫3458A，0℃恒溫槽和補償導線。首先用A類不確定度對安捷倫3458A的測量重復性進行評定。然后根據3458A的最大允差進行B類不確定度評定，最終得到3458A的標準不確定度。再引用上級溯源報告，獲得補償導線和0℃恒溫器的標準不確定度。根據以上數據，獲得合成標準不確定度和擴展不確定度。最后根據ITS-90《常用熱電偶、熱電阻分度表》將此擴展不確定度單位換算成攝氏度。
表4是0℃恒溫器法整套標準裝置的不確定度評定結果?？梢娫撗b置滿足“三分之一”法則的要求，測得結果準確可靠。則我們可以得出該被檢儀器性能良好的可靠結論。
3 結束語
以上結果表明，在本次的校準過程中，FLUKE 5520A并不能作為標準器完成設備校準。因此，其校準得到的結果——設備超差，也并不可靠。在進行校準工作之前，要確保由標準器、輔助設備及環境條件所引起的擴展不確定度（k=2）不大于校驗儀最大允許誤差絕對值的三分之一。從兩個方法比較中可看出：JJF1472-2014《過程儀表校驗儀校準規范》適用于校準準確度比較低的工作用過程校準器，而JJF 1309-2011《溫度校準儀校準規范》適用于實驗室用的準確度比較高的可作為標準器的過程校準器。
參考文獻：
[1]陳旭，孫力，凌彥萃.溫度校準儀熱電偶檔基于冷端補償的校準方法研究[J].中國測試，2018，44（12）：96-100.
[2]陳永強，崔馨元，吳勤，等.熱電偶校準過程中的不同冷端補償方法的比較[J].計量與測試技術，2018，45（05）：68-69.
[3]司延召.過程校驗儀熱電偶功能校準方法分析[J].計量與測試技術，2017，44（02）：73-75+77.
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