自动工业过程控制中热工参数的校准方法 | 作者：王逸飞 | 单位：泰州市计量测试技术研究所 | |
【摘要】现代化工企业在生产中对温度、压力、流量的控制已逐步采用计算机控制的方式，由于计算机测量仪器为虚拟仪器，如何校准温度等参数是计量检测中遇到的新问题。针对虚拟仪器的测量特点对其计量性能进行校准，已经成为校准领域十分关注的技术热点。本专业设计方案分析了用计算机进行温度检测的原理，提供了传感器校准、转换器校准和软件校准的方法。同时对方案所使用的校准仪器和方案的可行性进行了探讨。
【关键词】工业过程控制 参数 校准
1 问题的提出
基于计算机的虚拟测量仪器比传统盒式测量仪器的自动化程度高，功能强大，灵活易变，成本低。虚拟仪器是飞速发展的计算机技术和测量技术相结合而创造出来的一种具有崭新概念的仪器，采用虚拟仪器技术构建的测量仪器，与传统的盒式测量仪器一样，都有一个校准有效期，因而需要进行定期校准以确保测量精度。
1.1 传统热工参数的校准方法
传统热工仪表校准一般参照现有国家现行计量检定规程。如JJG49~1999弹簧管式精密压力表和真空表检定规程、JJG50~1996石油产品用玻璃液体温度计检定规程、JJG74~1992自动平衡式显示仪表检定规程、JJG75~1995标准铂铑10-铂热电偶检定规程、JJG130~1984工作用玻璃液体温度计检定规程、JJG131~1991电接点玻璃水银温度计检定规程等等。对于以上仪表只要参照规程规定的方法校准即可。
1.2 虚拟仪器的特点
虚拟仪器是将当前计算机的主流技术与应用开发软件和高性能的模块化硬件相结合，基于计算机所构建的功能强大，灵活易变，能满足特定要求的测试与控制自行定义的系统或仪器。所以计算机的测量仪器具有很大的灵活性，虚拟仪器可逐步替代传统的测量仪器，应用因而日益普及。通过软件控制仪器功能，可以开发满足特殊要求的测量系统。虚拟仪器的测量特点决定了不能直接参照计量检定规程规定的方法校准。其测量过程是：温度信号经信号调理模块（温度变送器）调理后通过模拟总线送至数据采集模块进行A/D转换，所得到的数据通过温度测量软件转换分析后，在显示器上显示出来，并将测量结果存储到硬盘上，以备事后分析处理。压力信号经信号调理模块调理后经过模拟总线送至数据采集模块进行A/D转换，所得到的数据由主控机通过压力测量软件转换分析后，在显示器上显示出来，并将测量结果存储到硬盘上，以备事后分析处理。
2 测量方法和原理
虚拟仪器的校准分为传感（变送）器校准、转换器校准（外部校准）和软件校准（内部校准）三个部分。
2.1 内部校准
在测量具体的物理参数前必须进行内部校准，以确定其测量参数和测量范围。基于计算机的测量仪器的内部校准由调用校准测量电路的软件功能来启动。校准不同的参数（温度、压力、流量）一般使用不同的软件。方法是用内部校准的板上电压源，使测量软件显示相对应的参数（如温度100℃）。可以采用板上温度传感器和内部校准来完成在操作环境下不同温度的校准。主控机内所插的MIO模块用来产生自检信号，这些信号经适配器进入信号调理单元，在自检和管理软件的控制下完成整个系统的自检功能。内部校准不须用标准计量仪器，也无须调整装置中的分压器和跳线。
2.2 外部校准
外部校准要采用高精度的外部标准。进行外部校准期间，板上校准常数要参照外部标准来调整。外部校准须用标准计量仪器。外部校准一旦完成，新的校准常数就被保存在测量仪器存储器的被保护区域内且用户无法取得，这样就保护了由于偶然的调整对校准完整性的影响。
外部校准的信号一般有电流、电压和频率信号。一般工业控制中以4-20mA电流较普遍。例如：在E系列数据采集装置上进行外部校准，以4mA点校准零点常数，以20mA点校准满度常数，进行增益、动态范围的校准。
测量线路图：
a)按图线路连接校准信号至被校计算机的信号采集板
b)运行第一参数校准软件，调节工业过程校准器输出各量程标准信号
c)比较各测量点标准器与计算机示值误差。
d)调整校准常数，使计算机示值误差为最小。
e)对于自动校准系统通过GPIB与外部标准通信，校准软件就能从仪器设置和读取外部电压的数值，这些数值然后用于验证和校准被调整的仪器，产生新的校准常数。校准流程结束时，可以从配置文件中自动读取仪器技术指标并生成详细的校准报告
f)运行第二参数校准软件，方法同b) 、c) 、d) 、e) ,直至运行最后一个参数校准软件。
以校准温度参数为例，按JJG617-1996检定规程25.4.2款输入被检点标称电量值法，从下限开始增大输入信号，分别给计算机输入各被检点温度所对应的标称电量值，读取计算机相应的指示值，直至上限；然后减小输入信号，分别给计算机输入各被检点温度所对应的标称电量值，读取计算机相应的指示值，直至下限。记录并计算用电量表示的示值误差
△A=Ad-As
△A:用电量表示的示值误差
Ad:别检定点温度对应的标称电量值
As:标准仪器的示值
校准其他参数，可参照参数对应的计量检定规程进行校准。
2.3 传感（变送）器校准
由于计算机不能识别温度、压力、流量信号。外部校准的信号一般是电流、电压和频率信号，必须依靠温度、压力、流量等变送器对被测对象的各种物理参数实施非电量到电量的转换、信号调理、数据采集。变送器的校准可参照的有：JJG126~1995交流电量变换为直流电量电工测量变送器检定规程、JJG882~1994压力变送器检定规程等。以压力、温度为例：
2.3.1 温度变送器：
a、热电阻温度变送器校准方法
设备要求：相应准确度等级数字电压表一台；
按系统连接方法接线；
根据变送器铭牌上标明的传感器和量程范围，输入相应的阻值，使输入为4mA和20mA（可分别调整零点电位器和满度电位器）；
按量程十等分点输入各电阻值，检查各温度输出是否符合精度范围；
按说明书技术指标进行测试，应符合技术要求。
b、热电偶温度变送器校准方法
设备要求：相应准确度等级数字电压表一台、电流表一台
按系统连接方法接线；
根据变送器铭牌上标明的传感器和量程范围，输入相应的电势值，使输出分别为4mA和20mA（可分别调整零点电位器和满度电位器）；
按量程十等分点输入各电势值，检查各温度输出是否符合精度范围；
按说明书技术指标进行测试，应符合技术要求。
2.3.2 压力变送器
①基本误差及回程误差的校准
a.将差压测量值分别置于规定测量值的0%、25%、50%、75%、100%各点。
b.记录下输出对应各点的实际值。
c.计算基本误差。实际输出值与公称输出值之差对输出值的范围（16mA）的百分率即为基本误差。
②回程误差的校准
a.使测量值略超过测量最高值（如105%），然后依此将商量输入值分别置于100%、75%、50%、25%、0%各点。
b.记录下回程误差。变送器各点正、反行程输出实测值之差的绝对值即为回程误差。
c.计算回程误差。变送器各点正、反行程输出实测值之差的绝对值即为回程误差。
③静压误差校准。现场校准一般不校静压误差，只确定是否存在静压误差。
3 测量不确定度分析
3.1 内部校准的测量不确定度
由内部校准电压的重复性和稳定性引起。对重复性采取多次测量取平均值和实验标准差的方法； 对稳定性采取一年中多次校准取漂移量的方法。其测量不确定度取决于虚拟测量仪器本身。
3.2 外部校准的测量不确定度
由工业过程校准器标准信号准确度产生，对于TRX-Ⅱ最大允许示值误差为±（0.01%Rdg+0.01%FS）
3.3 传感器校准的测量不确定度
a)TRX-Ⅱ电流挡测量不确定度u(I1)
b)变送器输出电流的测量重复性u(I2)的评定
c)输入量P的标准不确定度主要来源于压力标准(即TRX-Ⅱ与模块组合)。根据说明书其最大允许误差为0.05%FS。
d)输入量t的标准不确定度主要来源于温度标准（即TCST6000温度校验仪）。根据说明书其最大允许误差为0.3℃。
3.4 电磁干扰
基于计算机的测量仪器被安装在桌面计算机、PXI/CompactPCI机箱，或VXI/VME机箱这样的环境中，因为基于计算机测量仪器被安装于多种不同的计算机环境当中，计算机的测量仪器会受到电磁干扰和电源电压的变化的影响
3.5 整个系统校准的测量不确定度
因Xi被此独立，所以合成标准不确定度uc(y)为
虚拟测量仪器是基于计算机的测量仪器，同传统的仪器一样，需要周期性的内部和外部的校准以确保测量仪器达到所要求的精度。上述方法通过对传感（变送）器校准、转换器校准（外部校准）和软件校准（内部校准）实现了虚拟测量仪器的整体校准，其测量不确定度最高达0.08%(压力，去除内部标准稳定性)，一般为0.3%~0.5%。
4 预期的效果
通过以上方案的具体实施，基本解决了我市基于计算机的热工参数测量仪器的校准问题。解决了有关企业领导和工作人员“计算机不是计量器具不需要校准、计算机虚拟测量无法校准”的问题，避免了计算机在自动控制中由于量值不准确及误操作造成的质量事故，保证了产品质量。目前该校准方法已在我市石油化工、制药、热电等行业计量校准工作中得到应用，收到较好的效果。
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闽公网安备 35020602000072号
