热电阻及其数字显示仪表的现场校准技术分析

俞建华

（广东粤电永安天然气热电有限公司，广东肇庆 526070）

1 热电阻及其数字显示仪表校准需求

某新建机组配备的多种主机、辅机系统具备调温、监视、协调控制等功能。各系统中温控系统主要由热电阻、温度变送器、温度表、热电偶、DCS 控制柜、数字显示仪表等多个部分构成。在现场完成各种热控设备安装前，按照要求需完成设备校准，保证系统能够正常运行。如某空冷发电机空冷系统热电阻用于冷却水调门开度调节，应得到精准控制，防止发电机内部温度过高。将热电阻直接连接数字显示仪表，对热电阻的阻值进行测量，利用电平完成信号放大、非线性校正和A/D 转换后，可以数字、图形方式直观显示测量温度[1]。根据JJF 1664—2017《温度显示仪表校准规范》要求可知，温度仪表最大允许误差应达到量程的±a%，按照准确度等级具体划分为0.1级、0.2级、0.5级和1.0级，分辨力达到0.1℃。使用数字显示仪表测量温度，要求达到较高测量精度，通常为1.0级。系统采用热电阻以Pt100为主，根据需求对热电阻及其数字显示仪表进行校准，首先应完成安全性检查，确定为绝缘电阻后，完成仪表示值和输入标准值的差值计算，即仪表示值误差。

2 热电阻及其数字显示仪表现场校准技术

2.1 校准装置

在温度仪表校准方面，主要需要与标准设备比较，因此需提前准备好校准用的温度传感器、校准仪表和连接导线，确保可以形成稳定、误差已知的温控系统。校准用的温度传感器示值误差应达到0.4%读数要求，与测温端间的距离不超76 mm，并确认安装位置、方向等固定，确保多次测量获得的校准数据具有较强的可比性。选用Pt100型热电阻作为校准用传感器，标准不确定度为0.05℃，输出温度范围在-80～400℃，确认使用的补偿导线与仪表相同。现场使用测温仪准确度达到±0.0025%，分辨率达0.001℃，可测量被校准热电阻输出。校准仪表采用标准铂电阻温度计，示值误差同样达到0.4%读数误差要求，同时要求具有较高分辨力和环境适应能力，避免校准结果受环境过多影响。在仪表校准过程中，需配备计算机软件记录测量数据，实现自动化校准。将测温端和仪表与计算机RS-232接口连接，能够通过软件自动采集、处理和存储数据。

2.2 校准方法

在仪表校准方面，需在各校准点下完成电信号输出，对标准模拟传感器的电信号进行测量，与校准仪表读数比较，分析得到仪表示值误差。考虑到热电阻为绝对信号量，测量端不会产生热电势，所以无需考虑温度补偿问题。在现场校准过程中，需先完成热电阻及其仪表的整体校准，然后完成温控仪表单独校准。

2.2.1 整体校准

热电阻属于绝对量信号，校准操作相对简单。首先应检查确认热电阻外观良好，传感器连接无松动，工作温度范围和精度等级与校准仪器匹配，周围环境温度稳定且无干扰外部热源。在安全性检查中，考虑到热电阻及仪表使用24 V 直流电源，应使用万能表完成仪表金属外壳与输入端子、接地端子、电源端子间的绝缘电阻测量[2]。连线测量过程中，应稳定5 s后读数，确定测得电阻至少达到20 MΩ。将热电阻连接至校准仪表后，启动温度校准模式，做好温度源选择后，设定温度值。在仪表达到稳定状态后，读取并记录仪表显示温度值，使用校准证书记录热电阻实际温度值和校准仪表显示数值。采用校准用的温控系统自动校准热电阻，需提前打开电源开关预热，时间至少达到15 min，可通过软件录入被校准热电阻型号、现场热源等信息，并做好校准温度点设置。确认数字显示仪表可以正常显示信息后，在热电阻温度上限、下限范围内设置至少3个校准点开展测试，根据多次测量平均值计算示值误差。

对由温度传感器和显示仪表构成的温控系统的总体修正值展开分析，即标准仪表和待校准仪表的示值之差，方法如图1所示。考虑到设备自身拥有一定温度场，一旦温度波动过大将给测温传感器带来干扰，需配备均温块构造恒温场。在温控系统中，不同部件间存在信号传递误差，在无法轻松拆下原本温度传感器的情况下，需完成系统整体校准。测量结果不确定度主要来自恒温场温度波动度，同时包含仪表修正值、热电阻修正值和校准系统重复性等。在工业车间现场对温控系统进行校准，考虑到环境温度无法达到稳定状态要求，标准温度校准仪将获得内部补偿，给最终示值结果带来影响，需将补偿导线直接连接校准和被校准仪表两端，使仪表连接热电阻测量环境箱内温度变化。将温度设定为从20℃逐步升温至40℃，然后迅速降温至20℃，确定环境温度发生变化4 h 时校准结果变化不超0.2℃。使用校准证书记录热电阻实际温度值和校准仪表显示值，发现偏差根据仪表功能调整，确保热电阻调温精度符合工业生产要求。

图1 热电阻及数字显示仪表整体校准

2.2.2 单独校准

单独校准数字显示仪表，可知仪表用于高温测量，需要将接收到的传感器信号转换为数字温度读数，要求校准后量值能溯源至国家乃至国际标准。仪表输入和输出值均为温度，现场测试最大允许误差不超±0.6 ℃或读数的±0.1%。将示值误差当成是仪表校准关键指标，应将温度上限和下限当成是校准点，并在其中至少设置3个混匀分布点。仪表搭配Pt-100热电阻使用，最大允许误差为±1.0% FS，分辨率达到0.1℃。根据工业生产需求，使用三线制连接仪表，内部电桥电路连接导线线阻，达到消除信号干扰的目的。在3根信号线中，将两根短接，其中一根为中间连接线。考虑到热电阻无正负极的分别，可根据仪表显示正负值判断接线是否正确。连接导线选用长度相同的铜导线，将其中两根连接在标准仪表的共用测量端，连接线电阻测量后确定阻值偏差不超1%。

单独完成温控表校准，应直接完成仪表输入和输出值测量，并通过比较法完成温度传感器和补偿导线测量。具体来讲，就是将仪表从热力系统拆下，将导线和测温元件送至计量部门检定后，利用标准直流电压源向温控表输入标准信号，将显示结果与标准值比较，分析得到仪表修正值。实际应用该技术，根据原热电阻型号查询温度和电阻的对照表，然后使用模拟电阻输入电压。此时，为避免仪表和校准仪输出电压产生相互干扰，禁止使用校准仪模拟热电阻功能，而是使用标准器完成热电阻功能模拟。按照仪表使用规范要求，设置0℃、100℃、200℃、300℃、400℃共计5个校准点，可知热电阻标准值将随着温度变化而变化。根据90温标查找校准点对应电势值，可使用计算机设定好热电阻标准值，选择对应温度点输出结果，记录待校准仪表示值。考虑到仪表本身温度补偿不准，需现场完成温度补偿端校准，以免引入过多误差。每次测量过程中，取两次读数的平均值作为结果，在仪表分辨率误差达到0.1℃的情况下，测量结果末位取值小数点后一位。使用的校准器的测温端带有温度补偿装置，利用冰点器根据校准器输出温度和仪表示值计算，无法对自带补偿温度修正值进行校准，导致测量结果不确定度增加。因此现场校准过程中，应校准补偿温度，利用恒温箱测量校准器补偿温度和测量温度，根据二者差值确定补偿温度修正值，换算为相应温度电势值，达到提高仪表校准结果精度的目标。

2.3 校准结果

2.3.1 温控系统校准误差

从整体校准结果来看，环境温度变化给校准结果影响可以按照正态分布取值，在k=2.58时，现场温度变化引入的不确定度为u（t环）=0.2/2.58=0.078℃。建立测量模型展开分析，能够得到式（1）：

式中，td为被校仪表读数平均值，ts为标准器设定输出，te为补偿导线修正值。

表1为各不确定度分量，求取各分量加权平均和，能够合成得到标准不确定度在0.18～0.35℃。分析扩展标准不确定度，可知在K=2的情况下U=2u（Δt），最终取值在0.4～0.7℃。由于校准不确定度和仪表最大允许误差间不超1/3，因此温控系统可以达到整体校准要求。

表1 标准不确定度分量 单位：℃

2.3.2 显示仪表校准误差

单独完成数字显示仪表校准，可知仪表补偿温度修正值为-0.18℃，补偿温度显示值为29.82℃。在温度场波动度达到±0.02 ℃的条件下，k取值为2，分析得到仪表校准结果扩展不确定度为0.12 ℃。对工业仪表进行校准，应建立稳定的校准系统，避免系统本身存在过大偏差。所以在校准仪表之前，需完成系统修正，通过调整系统输入值消除这些偏差。在相对恶劣的环境温度条件下，采用整体校准法通常无法保证仪表设备测量准确度，容易导致控温系统测量误差增加，因此需单独校准数字显示仪表，减少硬件条件引入的误差。在环境温度稳定的状态下，使用校准仪表分别对热电阻配套仪表和校准用仪表读数进行测量，确定二者差值不超热电阻调温最大允许误差要求，能够证明仪表示值符合要求。确定仪表示值通过校准后，发现温控系统整体示值误差超出规定，需做好系统时间比例、PID 参数等温度控制参数调整，确认是否存在热电阻等温度传感器安装位置偏离设计、锅炉结构改变等问题。通过逐一排查问题，做好整个温控系统状态调整，能够使工艺温度得到有效控制。

3 结束语

使用热电阻及数字显示仪表建立控温系统，需确保仪表测量达到较高精度要求，确保配套工艺设备维持稳定运行。现场开展系统校准工作，应结合系统结构和现场条件展开分析，在仪表难拆卸情况下借助校准仪表和计算机系统实施整体校准，根据各部分修正值求得系统修正值，确认校准结果不超最大允许误差要求，且结果不确定度符合要求。在现场环境恶劣的情况下，可单独校准数字显示仪表，做好各项控制参数调整，最终使测温系统达到国家计量标准要求。