前(qián)言

隨著(zhuó)市場經(jīng)濟(jì)的(dí)發展，溫(wēn)度體現和控製儀表(biǎo)已(yǐ)經(jīng)廣(guǎng)泛(fàn)應(yīng)用於國民經濟(jì)，社會生產(chǎn)中的(dí)各個(gè)方麵(miàn)，在(zài)生產生(shēng)活中起(qǐ)到嚴重的作用(yòng)，尤其是(shì)在石油，電力(lì)，化工，冶金(jīn)，航(háng)空等(děng)嚴重(zhòng)工(gōng)業(yè)領域(yù)起(qǐ)著(zhuó)重(zhòng)要的(dí)測(cè)控作用
。這(zhè)些溫度儀表(biǎo)測(cè)量(liáng)溫度(dù)傳感器傳遞來的模擬(nǐ)信(xìn)號或數(shù)字(zì)信號，通過(guò)自身的(dí)信(xìn)號調(tiáo)理電路或固化(huà)在芯片(piàn)中的(dí)處(chǔ)理程序(xù)將(jiāng)所測得的(dí)溫度轉(zhuǎn)變成數(shù)字(zì)形(xíng)式(shì)或模擬形(xíng)式的體現(xiàn)值
。為(wéi)了保(bǎo)證測(cè)試(shì)係統的(dí)可(kě)靠(kào)，對(duì)這些溫度儀(yí)表及(jí)傳(chuán)感器(qì)的校(xiào)準(zhǔn)，調(tiáo)整和檢修維(wéi)護(hù)同(tóng)樣(yàng)也(yě)是一(yī)件(jiàn)十(shí)分(fēn)嚴重的工作
。

目(mù)前，國內對於(yú)這(zhè)些(xiē)溫(wēn)度(dù)儀表的校準，調試通常(cháng)依(yī)據檢定規(guī)程中(zhōng)規(guī)定的(dí)，對(duì)配熱(rè)電阻的溫度儀表采(cǎi)用(yòng)標準電阻(zǔ)箱作為標(biāo)準(zhǔn)電(diàn)阻(zǔ)源，對(duì)於(yú)配熱(rè)電偶(ǒu)的溫(wēn)度(dù)儀表采(cǎi)用直(zhí)流電(diàn)位(wèi)差計作為標準(zhǔn)信(xìn)號(hào)源進行
。然而，由於采(cǎi)用多儀(yí)器進(jìn)行校準，在實際(jì)工(gōng)作中特別是(shì)現(xiàn)場(cháng)校(xiào)準(zhǔn)工作(zuò)中十分不方便，在(zài)國(guó)內(nèi)的計(jì)量(liáng)，測試(shì)，校(xiào)準(zhǔn)領(lǐng)域逐步(bù)出現(xiàn)了一些智能(néng)型(xíng)多(duō)功能的溫度校驗儀，例(lì)如FLUKE 72X係(xì)列(liè)，DRUCK TRX係列(liè)，紹興中儀(yí)CA102S多功(gōng)能信號校(xiào)驗儀，NHR100/NHR200熱(rè)工(gōng)信(xìn)號校驗儀(yí)等係列
。它在功能(néng)上(shàng)類似於(yú)標準電(diàn)阻箱(xiāng)和(hé)直流(liú)電(diàn)位(wèi)差計的集(jí)成(chéng)，使用(yòng)上卻更加(jiā)方(fāng)便(biàn)，但是(shì)由(yóu)於國(guó)家溫度(dù)儀(yí)表類檢(jiǎn)定(dìng)規(guī)程中並(bìng)沒有(yǒu)出現這種(zhǒng)標(biāo)準(zhǔn)源，在檢(jiǎn)定校準這類儀器時(shí)多數隻能參照幹(gān)係規程(chéng)規(guī)範(fàn)進行，校(xiào)準(zhǔn)方法(fǎ)也(yě)就(jiù)不(bù)能劃一，造成校準(zhǔn)結果有(yǒu)一定的差異
。本(běn)文在多次(cì)校準(zhǔn)比(bǐ)較的(dí)基礎上(shàng)提出(chū)一(yī)種(zhǒng)校準方法供大(dà)家探討(tǎo)，在實際工(gōng)作(zuò)中(zhōng)也(yě)有一(yī)定的參考(kǎo)價值
。

溫(wēn)度(dù)校驗(yàn)儀原理(lǐ)

溫(wēn)度(dù)校驗(yàn)儀(yí)是一(yī)種(zhǒng)用於(yú)溫(wēn)度(dù)傳感器和(hé)測控(kòng)儀(yí)表或測控(kòng)係(xì)統(tǒng)校(xiào)準(zhǔn)，測試(shì)，調試的多(duō)功能綜(zōng)合性儀器
。它的原(yuán)理是以單(dān)片(piàn)機(jī)或(huò)處理(lǐ)器為核心，配置(zhì)人機接(jiē)口界(jiè)麵(miàn)和輸入輸出電路，通常具有以下(xià)幾個特點:

1，能測(cè)量多種熱(rè)電阻，熱電(diàn)偶(ǒu)的(dí)信號(hào)並以溫(wēn)度值體(tǐ)現(xiàn)；

2，具有冷端(參考(kǎo)端(duān)) 溫度自(zì)動補償功能(néng)；

3，能(néng)輸出和(hé)測(cè)量電(diàn)阻(zǔ)，直(zhí)流(liú)電(diàn)壓(yā)或(huò)直流電(diàn)流值；

4，能按(àn)照分度表穩(wěn)定(dìng)輸(shū)出(chū)多種熱電阻，熱(rè)電偶各溫(wēn)度對應的(dí)標(biāo)準電(diàn)量(liáng)值(zhí)
。

用(yòng)戶(hù)可以(yǐ)將要測量和體現的(dí)各(gè)項數據通(tōng)過人機界(jiè)麵輸(shū)入到(dào)指(zhǐ)令操(cāo)作(zuò)電(diàn)路(lù)中，單片(piàn)機(jī)或(huò)處(chǔ)理(lǐ)器(qì)根據接(jiē)收(shōu)到的指令(líng)，控(kòng)製電(diàn)路做出(chū)相(xiāng)應的輸(shū)入輸出(chū)動作，並將其結果在體(tǐ)現屏上體(tǐ)現，有(yǒu)的(dí)功(gōng)能(néng)較單一(yī)可能(néng)沒(méi)有(yǒu)體現
。另(lìng)外，由(yóu)於(yú)熱(rè)電(diàn)阻，熱(rè)電偶的電量(liáng)值和溫度值(zhí)是非綫性(xìng)的，電(diàn)路中(zhōng)通常還(huán)有一(yī)部分是用來存儲(chǔ)數據(jù)表格(gé)的存儲器電(diàn)路
。如圖1所(suǒ)示
。對(duì)於(yú)帶(dài)熱電(diàn)阻校(xiào)準功(gōng)能(néng)的溫(wēn)度校驗儀(yí)由於(yú)輸(shū)入(rù)輸出的都(dū)是(shì)電(diàn)阻信號(hào)，直接通過(guò)A/D轉換器(qì)就可(kě)以(yǐ)進行(háng)測(cè)控(kòng)
。

圖1:溫(wēn)度(dù)校驗儀原理(lǐ)結構圖

對(duì)於(yú)帶(dài)熱電偶(ǒu)校準功(gōng)能(néng)的溫度(dù)校驗(yàn)儀(yí)，在(zài)A/D轉(zhuǎn)換器之前(qián)還(huán)有一個(gè)冷端補償電(diàn)路(lù)，用來測量(liáng)熱電(diàn)偶的冷(lěng)端(duān)溫度並進行自動(dòng)補償(cháng)
。補償方法(fǎ)常見(jiàn)到有(yǒu)補償橋(qiáo)路(lù)法，變(biàn)送(sòng)器轉換(huàn)法和LWB冷端補償器法
。

校準(zhǔn)方法(fǎ)

1，校(xiào)準(zhǔn)條(tiáo)件

溫(wēn)度校驗儀(yí)通(tōng)常可輸出(chū)各(gè)種(zhǒng)電(diàn)信號，如(rú)熱(rè)電(diàn)偶的(dí)直流毫(háo)伏(fú)信號(mV) ，熱電阻(zǔ)的直(zhí)流電(diàn)阻信(xìn)號(Ω) ，變(biàn)送器的直(zhí)流(liú)毫安信(xìn)號(hào)(mA)和(hé)直流電壓信號(hào)(V)，同(tóng)時(shí)具(jù)有(yǒu)較高的精度(>0.02%) ，所以校準溫度校驗儀用的(dí)標(biāo)準器應選用測量(liáng)各種(zhǒng)電(diàn)信號不確(què)定度小(xiǎo)於(yú)溫(wēn)度校(xiào)驗(yàn)儀(yí)允(yǔn)差1/5的(dí)測(cè)量(liáng)標準器，可以(yǐ)調(tiáo)溫(wēn)的(dí)均(jūn)匀(yún)性大於0.05 ℃的恒溫器，以及(jí)校準熱(rè)電阻(zǔ)電(diàn)阻(zǔ)信(xìn)號用(yòng)的四(sì)根專用(yòng)連接導綫
。

2，基(jī)本(běn)誤差的(dí)校(xiào)準(zhǔn)方(fāng)法

對於(yú)校(xiào)準輸出(chū)熱電(diàn)阻(zǔ)信(xìn)號(hào)的(dí)溫度校驗儀來說(shuō)，我們可以依(yī)據(jù)國(guó)家(jiā)檢定(dìng)規(guī)程(chéng)中的方法(fǎ)，采(cǎi)用(yòng)四根(gēn)專(zhuān)用連(lián)接導綫連接(jiē)校(xiào)驗儀和(hé)測量標準器，即可(kě)得(dé)出(chū)它輸(shū)出的電(diàn)阻信(xìn)號基本(běn)誤(wù)差(chà)，再依據(jù)分度(dù)表(biǎo)可(kě)以(yǐ)得(dé)到(dào)不同分度(dù)下的溫(wēn)度(dù)誤(wù)差(chà)
。

對於校(xiào)準輸出(chū)熱(rè)電(diàn)偶信(xìn)號(hào)的溫度校(xiào)驗(yàn)儀來說，通(tōng)過校驗儀原理(lǐ)我(wǒ)們(mén)可以(yǐ)看出(chū)，它的(dí)基本誤(wù)差實(shí)際包括(kuò)兩(liǎng)個(gè)部分：輸出直流毫(háo)伏信號的(dí)誤(wù)差和冷端(duān)測量的誤差
。在(zài)JJ G617—1996《數字(zì)溫度(dù)指示(shì)調(tiáo)節儀(yí)檢(jiǎn)定(dìng)規程(chéng)》中(zhōng)規定(dìng)對配熱(rè)電偶的(dí)數(shù)字溫(wēn)度儀表(biǎo)基本(běn)誤(wù)差(chà)的(dí)檢(jiǎn)定(dìng)，采(cǎi)用如(rú)圖(tú)2 所示的(dí)方法(fǎ)，被檢儀表(biǎo)連(lián)接補(bǔ)償導(dǎo)綫插入冰點(diǎn)槽，再用(yòng)銅導(dǎo)綫與信號源(yuán)相連(lián)接(jiē)，輸入直(zhí)流毫(háo)伏信(xìn)號來測量儀表(biǎo)的(dí)誤差
。所(suǒ)以(yǐ)有人(rén)提出采(cǎi)用(yòng)類似的(dí)方法來校準(zhǔn)溫(wēn)度(dù)校驗儀，將被檢儀表(biǎo)換成(chéng)校(xiào)驗儀，信號源換成(chéng)測量標(biāo)準器
。但是筆者(zhě)認為(wéi)這種(zhǒng)方(fāng)法(fǎ)不(bù)妥，緊張(zhāng)原因有(yǒu):

1，這種方法對(duì)於(yú)那些(xiē)測量精度不(bù)高(gāo)的儀表(biǎo)適用(yòng)，但是(shì)對(duì)於溫度校驗(yàn)儀這種(zhǒng)精度較高的儀器來(lái)說(shuō)，所(suǒ)測(cè)得的(dí)誤(wù)差中(zhōng)包括了恒溫(wēn)槽(cáo)和補償導(dǎo)綫的測量誤(wù)差，不(bù)確(què)定(dìng)度(dù)分(fēn)量較(jiào)大
。尤其(qí)是補償導(dǎo)綫(xiàn)由於(yú)穩(wěn)定性，材料等原(yuán)因(yīn)本(běn)身(shēn)的誤差就(jiù)比較大(dà)，精密級(jí)的(dí)補(bǔ)償導(dǎo)綫(xiàn)也要達(dá)到2μV，而(ér)且(qiě)由(yóu)於(yú)補償導(dǎo)綫的修正值(zhí)采(cǎi)用(yòng)的都(dū)是(shì)20 ℃時的(dí)修正值(zhí)，而(ér)實際冷端(duān)溫度(dù)可(kě)能(néng)與(yǔ)20 ℃存在(zài)一(yī)定(dìng)的(dí)差異(yì)，存(cún)在(zài)一(yī)定(dìng)誤(wù)差，因而(ér)無(wú)論(lùn)配(pèi)備再好(hǎo)的測(cè)量(liáng)標準器，整(zhěng)套(tào)校(xiào)準裝(zhuāng)置(zhì)的不確定(dìng)度(dù)也無法(fǎ)得到有效(xiào)提(tí)高(gāo)
。

2，溫度校(xiào)驗(yàn)儀(yí)通(tōng)常都具(jù)有校準多(duō)種(zhǒng)分度(dù)號(hào)熱電偶(ǒu)的功(gōng)能，按(àn)上述(shù)方法必(bì)須(xū)對(duì)每一種分(fēn)度號的熱電偶(ǒu)進(jìn)行校準(zhǔn)，這在實(shí)際(jì)工作(zuò)中(zhōng)工作量(liáng)巨大(dà)，難以做到，而且在技(jì)術(shù)上(shàng)也(yě)毫無(wú)必(bì)要(yào)
。因為不(bù)論什麼分(fēn)度號的(dí)熱(rè)電偶(ǒu)的溫(wēn)度輸(shū)出都(dū)是由直(zhí)流電(diàn)壓(yā)輸出(chū)和冷(lěng)端(duān)補償組成的(dí)
。

所以(yǐ)，本(běn)文(wén)認為對於(yú)校(xiào)準熱電(diàn)偶信(xìn)號輸出的溫度校驗(yàn)儀(yí)適宜(yí)分(fēn)別(bié)對直(zhí)流毫伏信(xìn)號輸(shū)出(chū)基(jī)本誤差和冷端補償誤(wù)差(chà)進行(háng)校準，對於(yú)直(zhí)流(liú)毫(háo)伏(fú)輸(shū)出誤差的校(xiào)準(zhǔn)可以依據JJ G445—86《直(zhí)流標準電壓(yā)源(yuán)檢(jiǎn)定規程》連(lián)接(jiē)測量(liáng)標準器進行校準(zhǔn)，而對於(yú)冷端補償誤差(chà)可(kě)以(yǐ)采用(yòng)以下(xià)方法(fǎ)進行(háng)校準(zhǔn)
。

如圖(tú)3，采(cǎi)用一個可(kě)以(yǐ)調節溫度的(dí)恒溫(wēn)槽來代(dài)替(tì)零度恒溫(wēn)槽(cáo)，該(gāi)恒溫(wēn)槽的偏(piān)差(chà)要求(qiú)不(bù)高，但(dàn)是均匀(yún)性不得(dé)大於0.05 ℃，以(yǐ)保證測量精度
。將(jiāng)恒(héng)溫(wēn)槽的(dí)初始溫度(dù)t0=20℃，任(rèn)選(xuǎn)一分(fēn)度(dù)號的(dí)補(bǔ)償(cháng)導綫(xiàn)，補償導綫(xiàn)的一(yī)端短(duǎn)接後插入恒溫槽(cáo)，另(lìng)一端(duān)接入被校的(dí)溫度(dù)校(xiào)驗(yàn)儀冷(lěng)端(duān)輸入端
。另(lìng)外采(cǎi)用標(biāo)準鉑電(diàn)阻溫(wēn)度計(jì)及相(xiāng)應測量儀表(或者標準水銀溫(wēn)度計(jì)) 測(cè)量槽(cáo)溫，鉑電阻溫(wēn)度(dù)計感溫(wēn)元件端應該與補償(cháng)導(dǎo)綫短接端(duān)保(bǎo)持同(tóng)一高(gāo)度並盡量接(jiē)近
。待(dài)槽溫和被校冷(lěng)端溫(wēn)度恒定後(hòu)，測(cè)量(liáng)此時(shí)補償導綫參考端(duān)的熱(rè)電動(dòng)勢值E1，按下式(shì)換(huàn)算成溫度Δt1
。

其(qí)中，St0吐露體現(xiàn)該(gāi)分(fēn)度號熱電偶(ǒu)在20 ℃時(shí)的微(wēi)分電(diàn)動(dòng)勢值
。

將恒溫槽溫度調整為t1 = t0 - Δt1 ，待槽溫(wēn)恒(héng)定後，再測量補償(cháng)導(dǎo)綫的熱電(diàn)動勢值E2，重復以上步驟，直(zhí)到(dào)熱電動勢(shì)值E或(huò)Δt接近零(或者(zhě)小於一定值，一(yī)般(bān)可取Δt<0.1℃) ，即(jí)認(rèn)為(wéi)恒(héng)溫(wēn)槽(cáo)的槽溫(wēn)與(yǔ)冷端(duān)溫(wēn)度劃一
。此時(shí)將(jiāng)被檢(jiǎn)溫度校(xiào)驗(yàn)儀轉換至測溫(wēn)檔，讀取儀(yí)表指(zhǐ)示值td和(hé)標(biāo)準(zhǔn)溫度計讀數(shù)t標(biāo)
。

然(rán)後(hòu)，將補償導綫參考端(duān)拆下後接(jiē)上銅導綫(xiàn)，放(fàng)入恒溫(wēn)槽(cáo)中(zhōng)，補償導綫的(dí)短(duǎn)接(jiē)端和參考端放(fàng)置在同(tóng)一(yī)深度(dù)並(bìng)盡量接近(jìn)，銅(tóng)導綫的(dí)兩端同(tóng)時(shí)接(jiē)到(dào)測量標(biāo)準(zhǔn)器上(shàng)，測(cè)量補償導綫(xiàn)的(dí)熱(rè)電(diàn)動(dòng)勢Δe
。並按(àn)照下(xià)式(shì)得(dé)出(chū)該溫(wēn)度(dù)校驗儀的冷(lěng)端(duān)補(bǔ)償(cháng)誤(wù)差Δ補
。

Δ補= (td - t標(biāo))·St標- Δe

式中，Δ補(bǔ)為被校儀器的冷(lěng)端(duān)補償(cháng)誤(wù)差，μV ；

td為被(bèi)校(xiào)儀(yí)器讀取的溫度示(shì)值(zhí)，℃；

t標為標準溫度(dù)計讀(dú)取的溫度(dù)值(zhí)，℃；

St標為(wéi)該分度號熱(rè)電(diàn)偶(ǒu)在標(biāo)準溫(wēn)度計所(suǒ)示溫度時(shí)的(dí)微分(fēn)電動勢，μV/ ℃；

Δe為補(bǔ)償導(dǎo)綫實際(jì)溫(wēn)度下的修正(zhèng)值，μV
。

所得(dé)出的(dí)冷(lěng)端補償誤(wù)差(chà)，根據熱電(diàn)偶的(dí)分(fēn)度表(biǎo)可(kě)以(yǐ)分(fēn)別得出(chū)不同分(fēn)度(dù)號熱電(diàn)偶(ǒu)換算(suàn)出(chū)的溫度值(zhí)
。

這樣(yàng)校(xiào)準結(jié)果(guǒ)就(jiù)分(fēn)成(chéng)了溫(wēn)度校驗(yàn)儀(yí)的(dí)直流(liú)毫伏信號輸出(chū)誤差和冷端補償誤差(chà)，zui大限(xiàn)度(dù)的(dí)減少(shǎo)了(liǎo)冷端測(cè)量(liáng)和補償(cháng)導綫引起(qǐ)的誤差(chà)
。

3，基(jī)本誤(wù)差計(jì)算

溫度校(xiào)驗儀(yí)的(dí)zui後基本誤差按下式計算(suàn)：

式(shì)中:Δt為溫度(dù)校驗儀換(huàn)算成(chéng)溫(wēn)度的基本誤差，℃；

ΔA為電(diàn)量程輸出(chū)指示誤差，μV，Ω或(huò)mA ；

Δ補(bǔ)為(wéi)熱(rè)電偶(ǒu)輸出(chū)時的冷端(duān)補償誤(wù)差，μV，在校準(zhǔn)非熱電(diàn)偶(ǒu)輸(shū)出(chū)時(shí)，此項為0；

(ΔA /Δt) t 為(wéi)電量(liáng)程輸(shū)出(chū)指示誤差，μV/℃，Ω/℃或mA/℃
。

Δt 的(dí)zui後結果(guǒ)應按照(zhào)數(shù)據修約規則化整到(dào)與(yǔ)溫(wēn)度校(xiào)驗(yàn)儀(yí)該功(gōng)能(néng)檔(dàng)的分(fēn)辨率劃一(yī)
。

結束(shù)語

通過對溫度校(xiào)驗儀的電(diàn)量輸出誤差和冷端補償誤(wù)差分(fēn)別測量，對(duì)於高精確(què)度，多(duō)功(gōng)能(néng)的溫度校驗儀(yí)我(wǒ)們(mén)可(kě)以更(gēng)加(jiā)方(fāng)便，精確的(dí)測量(liáng)其(qí)誤(wù)差，達到(dào)校準的目(mù)的(dí)
。其(qí)校準的測(cè)量不確(què)定(dìng)度(dù)實(shí)際(jì)隻(zhī)是(shì)由兩部分組成:電(diàn)量(liáng)輸出的不確定(dìng)度(dù)和冷端(duān)補(bǔ)償的不確定(dìng)度(dù)
。

其(qí)中(zhōng)，電量輸出(chū)的不(bù)確定(dìng)度與(yǔ)冷端(duān)補(bǔ)償的不(bù)確(què)定(dìng)度相比通常較小(xiǎo)，在(zài)輸(shū)出(chū)熱電偶(ǒu)信號時，我(wǒ)們可以通過兩者的(dí)合成(chéng)得(dé)到溫(wēn)度校(xiào)驗儀在各(gè)個分度時的測量不確(què)定度，並(bìng)且通過對冷(lěng)端(duān)補(bǔ)償誤差的(dí)更精確(què)測量來(lái)校準高(gāo)精度溫度校驗(yàn)儀
。

幹係產品：

參考(kǎo)文獻

[1] 黃(huáng)澤銑.熱(rè)電偶原(yuán)理(lǐ)及(jí)其檢定(dìng).中(zhōng)國(guó)計(jì)量出版社，1993
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[2] 國家(jiā)技(jì)術(shù)監督局.JJ G617~1996 數(shù)字溫(wēn)度指(zhǐ)示調(tiáo)節(jié)儀檢定規程(chéng). 中國計(jì)量出版(bǎn)社(shè)，1997
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[3] 北京(jīng)市(shì)標準(zhǔn)計量局.溫度(dù)計量.中(zhōng)國(guó)計(jì)量出版(bǎn)社，1987
。