自動(dòng)工業(yè)過(guò)程控制中熱工參數(shù)的校準(zhǔn)方法 | |||
作者：王逸飛 | |||
單位：泰州市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 | |||
| 【摘要】現(xiàn)代化工企業(yè)在生產(chǎn)中對(duì)溫度、壓力、流量的控制已逐步采用計(jì)算機(jī)控制的方式，由于計(jì)算機(jī)測(cè)量?jī)x器為虛擬儀器，如何校準(zhǔn)溫度等參數(shù)是計(jì)量檢測(cè)中遇到的新問(wèn)題。針對(duì)虛擬儀器的測(cè)量特點(diǎn)對(duì)其計(jì)量性能進(jìn)行校準(zhǔn)，已經(jīng)成為校準(zhǔn)領(lǐng)域十分關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)。本專業(yè)設(shè)計(jì)方案分析了用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度檢測(cè)的原理，提供了傳感器校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)和軟件校準(zhǔn)的方法。同時(shí)對(duì)方案所使用的校準(zhǔn)儀器和方案的可行性進(jìn)行了探討。 【關(guān)鍵詞】工業(yè)過(guò)程控制 參數(shù) 校準(zhǔn) 1 問(wèn)題的提出 基于計(jì)算機(jī)的虛擬測(cè)量?jī)x器比傳統(tǒng)盒式測(cè)量?jī)x器的自動(dòng)化程度高，功能強(qiáng)大，靈活易變，成本低。虛擬儀器是飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合而創(chuàng)造出來(lái)的一種具有嶄新概念的儀器，采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測(cè)量?jī)x器，與傳統(tǒng)的盒式測(cè)量?jī)x器一樣，都有一個(gè)校準(zhǔn)有效期，因而需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)以確保測(cè)量精度。 1.1 傳統(tǒng)熱工參數(shù)的校準(zhǔn)方法 傳統(tǒng)熱工儀表校準(zhǔn)一般參照現(xiàn)有國(guó)家現(xiàn)行計(jì)量檢定規(guī)程。如JJG49~1999彈簧管式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程、JJG50~1996石油產(chǎn)品用玻璃液體溫度計(jì)檢定規(guī)程、JJG74~1992自動(dòng)平衡式顯示儀表檢定規(guī)程、JJG75~1995標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶檢定規(guī)程、JJG130~1984工作用玻璃液體溫度計(jì)檢定規(guī)程、JJG131~1991電接點(diǎn)玻璃水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程等等。對(duì)于以上儀表只要參照規(guī)程規(guī)定的方法校準(zhǔn)即可。 1.2 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器是將當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主流技術(shù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件和高性能的模塊化硬件相結(jié)合，基于計(jì)算機(jī)所構(gòu)建的功能強(qiáng)大，靈活易變，能滿足特定要求的測(cè)試與控制自行定義的系統(tǒng)或儀器。所以計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器具有很大的靈活性，虛擬儀器可逐步替代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用因而日益普及。通過(guò)軟件控制儀器功能，可以開(kāi)發(fā)滿足特殊要求的測(cè)量系統(tǒng)。虛擬儀器的測(cè)量特點(diǎn)決定了不能直接參照計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定的方法校準(zhǔn)。其測(cè)量過(guò)程是：溫度信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊（溫度變送器）調(diào)理后通過(guò)模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)溫度測(cè)量軟件轉(zhuǎn)換分析后，在顯示器上顯示出來(lái)，并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到硬盤上，以備事后分析處理。壓力信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理后經(jīng)過(guò)模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)據(jù)由主控機(jī)通過(guò)壓力測(cè)量軟件轉(zhuǎn)換分析后，在顯示器上顯示出來(lái)，并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)到硬盤上，以備事后分析處理。 2 測(cè)量方法和原理 虛擬儀器的校準(zhǔn)分為傳感（變送）器校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)（外部校準(zhǔn)）和軟件校準(zhǔn)（內(nèi)部校準(zhǔn)）三個(gè)部分。 2.1 內(nèi)部校準(zhǔn) 在測(cè)量具體的物理參數(shù)前必須進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，以確定其測(cè)量參數(shù)和測(cè)量范圍。基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器的內(nèi)部校準(zhǔn)由調(diào)用校準(zhǔn)測(cè)量電路的軟件功能來(lái)啟動(dòng)。校準(zhǔn)不同的參數(shù)（溫度、壓力、流量）一般使用不同的軟件。方法是用內(nèi)部校準(zhǔn)的板上電壓源，使測(cè)量軟件顯示相對(duì)應(yīng)的參數(shù)（如溫度100℃）。可以采用板上溫度傳感器和內(nèi)部校準(zhǔn)來(lái)完成在操作環(huán)境下不同溫度的校準(zhǔn)。主控機(jī)內(nèi)所插的MIO模塊用來(lái)產(chǎn)生自檢信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)適配器進(jìn)入信號(hào)調(diào)理單元，在自檢和管理軟件的控制下完成整個(gè)系統(tǒng)的自檢功能。內(nèi)部校準(zhǔn)不須用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器，也無(wú)須調(diào)整裝置中的分壓器和跳線。 2.2 外部校準(zhǔn) 外部校準(zhǔn)要采用高精度的外部標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行外部校準(zhǔn)期間，板上校準(zhǔn)常數(shù)要參照外部標(biāo)準(zhǔn)來(lái)調(diào)整。外部校準(zhǔn)須用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器。外部校準(zhǔn)一旦完成，新的校準(zhǔn)常數(shù)就被保存在測(cè)量?jī)x器存儲(chǔ)器的被保護(hù)區(qū)域內(nèi)且用戶無(wú)法取得，這樣就保護(hù)了由于偶然的調(diào)整對(duì)校準(zhǔn)完整性的影響。 外部校準(zhǔn)的信號(hào)一般有電流、電壓和頻率信號(hào)。一般工業(yè)控制中以4-20mA電流較普遍。例如：在E系列數(shù)據(jù)采集裝置上進(jìn)行外部校準(zhǔn)，以4mA點(diǎn)校準(zhǔn)零點(diǎn)常數(shù)，以20mA點(diǎn)校準(zhǔn)滿度常數(shù)，進(jìn)行增益、動(dòng)態(tài)范圍的校準(zhǔn)。 測(cè)量線路圖：
a)按圖線路連接校準(zhǔn)信號(hào)至被校計(jì)算機(jī)的信號(hào)采集板 b)運(yùn)行第一參數(shù)校準(zhǔn)軟件，調(diào)節(jié)工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器輸出各量程標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) c)比較各測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器與計(jì)算機(jī)示值誤差。 d)調(diào)整校準(zhǔn)常數(shù)，使計(jì)算機(jī)示值誤差為最小。 e)對(duì)于自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)GPIB與外部標(biāo)準(zhǔn)通信，校準(zhǔn)軟件就能從儀器設(shè)置和讀取外部電壓的數(shù)值，這些數(shù)值然后用于驗(yàn)證和校準(zhǔn)被調(diào)整的儀器，產(chǎn)生新的校準(zhǔn)常數(shù)。校準(zhǔn)流程結(jié)束時(shí)，可以從配置文件中自動(dòng)讀取儀器技術(shù)指標(biāo)并生成詳細(xì)的校準(zhǔn)報(bào)告 f)運(yùn)行第二參數(shù)校準(zhǔn)軟件，方法同b) 、c) 、d) 、e) ,直至運(yùn)行最后一個(gè)參數(shù)校準(zhǔn)軟件。 以校準(zhǔn)溫度參數(shù)為例，按JJG617-1996檢定規(guī)程25.4.2款輸入被檢點(diǎn)標(biāo)稱電量值法，從下限開(kāi)始增大輸入信號(hào)，分別給計(jì)算機(jī)輸入各被檢點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值，讀取計(jì)算機(jī)相應(yīng)的指示值，直至上限；然后減小輸入信號(hào)，分別給計(jì)算機(jī)輸入各被檢點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值，讀取計(jì)算機(jī)相應(yīng)的指示值，直至下限。記錄并計(jì)算用電量表示的示值誤差 △A=Ad-As △A:用電量表示的示值誤差 Ad:別檢定點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電量值 As:標(biāo)準(zhǔn)儀器的示值 校準(zhǔn)其他參數(shù)，可參照參數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)量檢定規(guī)程進(jìn)行校準(zhǔn)。 2.3 傳感（變送）器校準(zhǔn) 由于計(jì)算機(jī)不能識(shí)別溫度、壓力、流量信號(hào)。外部校準(zhǔn)的信號(hào)一般是電流、電壓和頻率信號(hào)，必須依靠溫度、壓力、流量等變送器對(duì)被測(cè)對(duì)象的各種物理參數(shù)實(shí)施非電量到電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集。變送器的校準(zhǔn)可參照的有：JJG126~1995交流電量變換為直流電量電工測(cè)量變送器檢定規(guī)程、JJG882~1994壓力變送器檢定規(guī)程等。以壓力、溫度為例： 2.3.1 溫度變送器： a、熱電阻溫度變送器校準(zhǔn)方法 設(shè)備要求：相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)數(shù)字電壓表一臺(tái)； 按系統(tǒng)連接方法接線； 根據(jù)變送器銘牌上標(biāo)明的傳感器和量程范圍，輸入相應(yīng)的阻值，使輸入為4mA和20mA（可分別調(diào)整零點(diǎn)電位器和滿度電位器）； 按量程十等分點(diǎn)輸入各電阻值，檢查各溫度輸出是否符合精度范圍； 按說(shuō)明書技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)符合技術(shù)要求。 b、熱電偶溫度變送器校準(zhǔn)方法 設(shè)備要求：相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)數(shù)字電壓表一臺(tái)、電流表一臺(tái) 按系統(tǒng)連接方法接線； 根據(jù)變送器銘牌上標(biāo)明的傳感器和量程范圍，輸入相應(yīng)的電勢(shì)值，使輸出分別為4mA和20mA（可分別調(diào)整零點(diǎn)電位器和滿度電位器）； 按量程十等分點(diǎn)輸入各電勢(shì)值，檢查各溫度輸出是否符合精度范圍； 按說(shuō)明書技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)符合技術(shù)要求。 2.3.2 壓力變送器 ①基本誤差及回程誤差的校準(zhǔn) a.將差壓測(cè)量值分別置于規(guī)定測(cè)量值的0%、25%、50%、75%、100%各點(diǎn)。 b.記錄下輸出對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的實(shí)際值。 c.計(jì)算基本誤差。實(shí)際輸出值與公稱輸出值之差對(duì)輸出值的范圍（16mA）的百分率即為基本誤差。 ②回程誤差的校準(zhǔn) a.使測(cè)量值略超過(guò)測(cè)量最高值（如105%），然后依此將商量輸入值分別置于100%、75%、50%、25%、0%各點(diǎn)。 b.記錄下回程誤差。變送器各點(diǎn)正、反行程輸出實(shí)測(cè)值之差的絕對(duì)值即為回程誤差。 c.計(jì)算回程誤差。變送器各點(diǎn)正、反行程輸出實(shí)測(cè)值之差的絕對(duì)值即為回程誤差。 ③靜壓誤差校準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)一般不校靜壓誤差，只確定是否存在靜壓誤差。 3 測(cè)量不確定度分析 3.1 內(nèi)部校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度 由內(nèi)部校準(zhǔn)電壓的重復(fù)性和穩(wěn)定性引起。對(duì)重復(fù)性采取多次測(cè)量取平均值和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的方法； 對(duì)穩(wěn)定性采取一年中多次校準(zhǔn)取漂移量的方法。其測(cè)量不確定度取決于虛擬測(cè)量?jī)x器本身。 3.2 外部校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度 由工業(yè)過(guò)程校準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)準(zhǔn)確度產(chǎn)生，對(duì)于TRX-Ⅱ最大允許示值誤差為±（0.01%Rdg+0.01%FS） 3.3 傳感器校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度 a)TRX-Ⅱ電流擋測(cè)量不確定度u(I1) b)變送器輸出電流的測(cè)量重復(fù)性u(píng)(I2)的評(píng)定 c)輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于壓力標(biāo)準(zhǔn)(即TRX-Ⅱ與模塊組合)。根據(jù)說(shuō)明書其最大允許誤差為0.05%FS。 d)輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于溫度標(biāo)準(zhǔn)（即TCST6000溫度校驗(yàn)儀）。根據(jù)說(shuō)明書其最大允許誤差為0.3℃。 3.4 電磁干擾 基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器被安裝在桌面計(jì)算機(jī)、PXI/CompactPCI機(jī)箱，或VXI/VME機(jī)箱這樣的環(huán)境中，因?yàn)榛谟?jì)算機(jī)測(cè)量?jī)x器被安裝于多種不同的計(jì)算機(jī)環(huán)境當(dāng)中，計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器會(huì)受到電磁干擾和電源電壓的變化的影響 3.5 整個(gè)系統(tǒng)校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度 因Xi被此獨(dú)立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)為 虛擬測(cè)量?jī)x器是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器，同傳統(tǒng)的儀器一樣，需要周期性的內(nèi)部和外部的校準(zhǔn)以確保測(cè)量?jī)x器達(dá)到所要求的精度。上述方法通過(guò)對(duì)傳感（變送）器校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)（外部校準(zhǔn)）和軟件校準(zhǔn)（內(nèi)部校準(zhǔn)）實(shí)現(xiàn)了虛擬測(cè)量?jī)x器的整體校準(zhǔn)，其測(cè)量不確定度最高達(dá)0.08%(壓力，去除內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性)，一般為0.3%~0.5%。 4 預(yù)期的效果 通過(guò)以上方案的具體實(shí)施，基本解決了我市基于計(jì)算機(jī)的熱工參數(shù)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)問(wèn)題。解決了有關(guān)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員“計(jì)算機(jī)不是計(jì)量器具不需要校準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)虛擬測(cè)量無(wú)法校準(zhǔn)”的問(wèn)題，避免了計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制中由于量值不準(zhǔn)確及誤操作造成的質(zhì)量事故，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。目前該校準(zhǔn)方法已在我市石油化工、制藥、熱電等行業(yè)計(jì)量校準(zhǔn)工作中得到應(yīng)用，收到較好的效果。 |
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