嵌入温场型温度记录仪的校准方法研究

韩志鑫，付志勇，霍志民，陈桂生，杨锐，赵茜

（1.中国测试技术研究院，四川成都 610021；2.攀钢集团成都钢钒有限公司，四川成都 610303）

嵌入温场型温度记录仪的校准方法研究

韩志鑫1，付志勇1，霍志民2，陈桂生1，杨锐1，赵茜1

（1.中国测试技术研究院，四川成都 610021；2.攀钢集团成都钢钒有限公司，四川成都 610303）

为完善嵌入温场型温度记录仪相关的实验室校准方法，针对目前其校准方法存在的问题，分析它的测量原理和实际工作环境，按照使用手册和现有检定规程，提出将记录仪置于可接受的不同的工作环境温度下进行校准的方法，并且按照提出的校准方法完成了实验和数据分析。实验结论证明了所提出的嵌入温场型温度记录仪校准方法的正确性和必要性。

热处理炉；温度监测；嵌入温场型温度记录仪；测量原理；校准方法

0 引言

嵌入温场型温度记录仪是测温仪器之一，能够通过内置或者外接温度传感器在线动态监测环境温度的变化，具有自动记录数据、存储数据、并将数据以无线或者有线方式传输至PC机的功能[1]。记录仪工作环境温度多样，例如应用于冷链冷藏、窑炉温度、热处理炉温度、电子产品老化温度、电子线路板贴焊温度等环境下的记录仪，其内部电路各种元件和外置或内置传感器物理特性在极端温度条件下均可能发生变化。所以，一方面为了确保仪器的准确性和稳定性，有必要对仪器进行周期校准；另一方面，为使实验室校准数据更加符合记录仪现场使用，其校准方法应区别于常温工作环境下记录仪的校准方法。因此，根据测量原理和技术指标，按照生产企业提供的仪器使用说明书和现有数字温度指示调节仪检定规程，对嵌入温场型温度记录仪的校准方法进行研究。

1 测量原理

嵌入温场型温度记录仪主要由温度传感器、测量单元、放大单元、A/D转换单元、CPU、存储电路组成，见图1。测量时，温度传感器信号经过测量单元转换为电压信号，电压信号再将经过放大、A/D转换后，按照设置要求由CPU进行实时处理、存储[2]。对于有线通信的记录仪，测量结束后，将记录仪通过数据线缆直接与PC机连接，运行相应软件，可显示、处理、打印相应的温度测量数据；对于无线通信的记录仪[3]，在数据采集的过程中可直接将数据从发射器传送至接收器，PC机实时进行数据处理任务。

图1 温度记录仪原理图

用于监测窑炉温度、热处理炉温度、电子产品老化温度、电子线路板贴焊温度等环境下的嵌入温场型温度记录仪，由于工作环境温度过高，引起记录仪内部元件工作异常，导致测量数据会存在较大误差。因此，在实际现场温度监测时，必须对记录仪施加保护，将记录仪装入隔热箱[4]后再将其整体放入监测温场中，见图2。

图2 嵌入温场型温度记录仪现场使用示意图

2 校准记录仪存在的问题

在现场温度检测中，嵌入温场型温度记录仪的实际工作温度也会随着被监测温场的变化而变化。例如，在工业窑炉现场环境条件下，将温度记录仪放入隔热箱后，随着传送带移动，记录仪的工作环境温度也在逐渐升高，最终能够达到60℃甚至更高。若在环境温度为（20±5）℃时校准温度记录仪，此时环境温度与记录仪的工作环境温度是有明显差别的。其校准结果与实际使用时测量的结果可能有较大变化，不能反映仪器实际工作时的测量准确性。为更加接近真实的工作环境，使校准数据更加有利于实际使用，应该将记录仪置于可接受的不同的工作环境温度下进行校准。因此，选取了不同厂家、不同型号的记录仪进行试验，本文选取其中3种型号，并且每个记录仪各选用3个通道的数据进行说明。它们分别为：Oven tracker XL2（记录仪1），最大内部工作温度85℃，分辨力0.1℃，最大允许误差±0.3℃；KIC start（记录仪2），最大内部工作温度105℃，分辨力0.1℃，最大允许误差±1.2℃；Datapaq 9000（记录仪3），最大内部工作温度70℃，分辨力0.5℃，最大允许误差±1.0℃。

3 校准方法及测量器具

3.1 校准方法

将不带隔热箱的记录仪与标准器按照规程[5]规定的校准方法接线。打开记录仪电源，设定采样时间间隔，将其放入试验箱中。设定试验箱温度在第一个工作环境温度点，进行控温。在箱体内温度达到设定温度点30min以后，波动度小于±0.2℃时，采用输入标称电量值法，从记录仪温度校准点下限开始向记录仪各通道输入各温度校准点所对应的标称电量值，每一温度校准点至少恒定4次采样时间间隔，直至上限；然后减小输入信号，分别向记录仪各通道输入各温度校准点所对应的标称电量值，每一温度校准点至少恒定4次采样时间间隔，直至下限。其中校准温度点不应少于5个，一般应选择包括测量量程的上、下限在内的，原则上均匀的整十或整百摄氏度点。

第1个工作环境下的测量结束后，设定试验箱温度在第2个工作环境温度点，再按照上述方法，完成所有的工作环境温度点的校准实验。一般选取的工作环境温度点为20℃、40℃、60℃。

3.2 测量标准的选择

对嵌入温场型温度记录仪的校准采用标称电量值法，标准器可选用温度校验仪，其技术指标为误差小于被校仪表允差的1/5。

嵌入温场型温度记录仪的工作环境温度一般可达60℃，因此可以选择标准水银温度计测量环境温度，选用试验箱作为恒定温场。其中试验箱的技术指标为：温度均匀性[6-8]不超过0.5℃，温度波动性不超过±0.5℃/30min。

校准时，选用的标准器及配套设备见表1，其各项技术指标应满足上述技术要求。

表1 测量标准及设备技术指标

3.3 数据处理

采用标称电量值法，按式（1）计算

式中：Δt——温度记录仪的示值误差，℃；

td——仪表记录的温度值，℃；

ts——标准仪器输入的电量值所对应的被校温度值，℃；

e——补偿导线的修正值，mV；

Si——被校准点微分电势，mV/℃；

±b——仪表显示的分辨力，+、-号与前两项的计算结果的符号相一致，℃。

4 实验数据分析

将3种温度记录仪分别处于环境温度为20℃、40℃、60℃，相对湿度不超过85%的环境下。采用本文校准方法，计算平均值，得到测量误差[9-10]。各记录仪每个通道在3个工作环境温度下测量结果的比较如图3所示。可以看出，记录仪1在20℃时，各个通道的测量误差均已经超出技术指标（最大允许误差±0.3℃）要求。随着环境温度的升高，各个通道的测量误差有向负值转转变的趋势。其中通道1在20℃的测量误差为-0.6℃，为最大允许误差的2倍。在60℃时，通道1最大误差达到-1.7℃。从20℃到60℃，其测量误差偏移量超出最大允许误差近4倍，从而导致60℃的测量误差达最大允许误差近6倍。

从图4可知，虽然记录仪2在20℃和60℃时的测量误差均满足技术指标（最大允许误差±1.2℃）要求。但是，可以看出随着环境温度的升高，其测量误差有向负值转变。从20℃到60℃，各个通道测量误差的最大偏差均达到-0.8℃。

如图5所示，记录仪3在20℃时的测量误差值较小，各个通道误差最小值均为0℃，通道1和通道3的误差最大值仅为+0.5℃和-0.5℃，满足技术指标（±1.0℃）要求。当环境温度变为60℃时，3个通道均不满足技术指标要求，最大测量误差分别达到了-2.0℃、-2.5℃和-3.0℃，为最大允许误差的2倍、2.5倍和3倍。

由此得出，嵌入温场型温度记录仪在不同的环境温度下工作，其测量误差会有所差别。若只在环境温度为（20±5）℃的状态下校准记录仪是不够科学和准确的，校准数据并不能够完全表示出其工作状态下的测量数据。所以，在校准温度记录仪时，必须考虑其实际工作环境温度，在其可接受的不同工作环境温度下进行校准工作，以保证记录仪实际工作使用时的测量准确性。

图3 记录仪1各通道测量误差比对

图4 记录仪2各通道测量误差比对

图5 记录仪3各通道测量误差比对

5 结束语

本文针对嵌入温场型温度记录仪的校准方法进行了研究，通过实验数据分析表明提出的校准方法是必要的，可以达到技术指标要求，校准方法在实验室实施是可行的。

[1]陈海松，李益民.基于单片机的温度检测记录仪的设计[J].自动化与仪器仪表，2011（4）：83-87.

[2]张金敏.基于数据融合的陶瓷窑炉温度记录仪的研究[J].自动化与仪器仪表，2010（4）：116-118.

[3]庞永敏.利用无线温度记录仪校准高压灭菌锅的温度[J].上海计量测试，2011（6）：46-47.

[4]文丽松，高磊.真空炉、气氛保护炉炉温在线检测系统研制[J].计测技术，2010（30）：58-61.

[5]JJG 617—1996数字温度指示调节仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，1996.

[6]国防科工委科技与质量司.热学计量[M].北京：原子能出版社，2002.

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[8]廖艳，陈桂生，赵晶，等.1590超级测温仪自动测试系统的开发[J].中国测试，2011，37（3）：67-69.

[9]JJF 1094—2002测量仪器特性评定[S].北京：中国计量出版社，2002.

[10]JJF 1059—1999测量不确定度的评定与表示[S].北京：中国计量出版社，1999.

Research on calibration method of embedded tem perature field recorder

HAN Zhi-xin1，FU Zhi-yong1，HUO Zhi-min2，CHEN Gui-sheng1，YANG Rui1，ZHAO Qian1
（1.National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China；
2.Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，LTD.，Chengdu 610303，China）

In order to promote the relevant calibration mthods for the embedded temperature field recorder，and overcome the problem existing in the present calibration methods，this paper analyzed the principle of measurement and the actual working environment，and put forward the calibration method which can put the calibrating recorder in different and acceptable temperature working environment according to the user manual and the verification regulation.The calibration experiment was completed in accordance with the proposed calibration method，and the experimental data were analyzed.The experimental results proven that the calibration method of embedded temperature field recorder is correct and necessary.

heat treatment furnace；temperature monitoring；embedded temperature field recorder；measurement principle；calibration method

TB942；TH811；TP206+.1；TP216

A

1674-5124（2013）03-0024-03

2012-10-13；

：2012-12-25

韩志鑫（1982-），男，内蒙古呼和浩特市人，助理工程师，硕士，主要从事温度计量与测试研究。