自動工業(yè)過程控制中熱工參數(shù)的校準方法 | |||
作者：王逸飛 | |||
單位：泰州市計量測試技術研究所 | |||
| 【摘要】現(xiàn)代化工企業(yè)在生產(chǎn)中對溫度、壓力、流量的控制已逐步采用計算機控制的方式，由于計算機測量儀器為虛擬儀器，如何校準溫度等參數(shù)是計量檢測中遇到的新問題。針對虛擬儀器的測量特點對其計量性能進行校準，已經(jīng)成為校準領域十分關注的技術熱點。本專業(yè)設計方案分析了用計算機進行溫度檢測的原理，提供了傳感器校準、轉換器校準和軟件校準的方法。同時對方案所使用的校準儀器和方案的可行性進行了探討。 【關鍵詞】工業(yè)過程控制 參數(shù) 校準 1 問題的提出 基于計算機的虛擬測量儀器比傳統(tǒng)盒式測量儀器的自動化程度高，功能強大，靈活易變，成本低。虛擬儀器是飛速發(fā)展的計算機技術和測量技術相結合而創(chuàng)造出來的一種具有嶄新概念的儀器，采用虛擬儀器技術構建的測量儀器，與傳統(tǒng)的盒式測量儀器一樣，都有一個校準有效期，因而需要進行定期校準以確保測量精度。 1.1 傳統(tǒng)熱工參數(shù)的校準方法 傳統(tǒng)熱工儀表校準一般參照現(xiàn)有國家現(xiàn)行計量檢定規(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檢定規(guī)程、JJG74~1992自動平衡式顯示儀表檢定規(guī)程、JJG75~1995標準鉑銠10-鉑熱電偶檢定規(guī)程、JJG130~1984工作用玻璃液體溫度計檢定規(guī)程、JJG131~1991電接點玻璃水銀溫度計檢定規(guī)程等等。對于以上儀表只要參照規(guī)程規(guī)定的方法校準即可。 1.2 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是將當前計算機的主流技術與應用開發(fā)軟件和高性能的模塊化硬件相結合，基于計算機所構建的功能強大，靈活易變，能滿足特定要求的測試與控制自行定義的系統(tǒng)或儀器。所以計算機的測量儀器具有很大的靈活性，虛擬儀器可逐步替代傳統(tǒng)的測量儀器，應用因而日益普及。通過軟件控制儀器功能，可以開發(fā)滿足特殊要求的測量系統(tǒng)。虛擬儀器的測量特點決定了不能直接參照計量檢定規(guī)程規(guī)定的方法校準。其測量過程是：溫度信號經(jīng)信號調理模塊（溫度變送器）調理后通過模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉換，所得到的數(shù)據(jù)通過溫度測量軟件轉換分析后，在顯示器上顯示出來，并將測量結果存儲到硬盤上，以備事后分析處理。壓力信號經(jīng)信號調理模塊調理后經(jīng)過模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉換，所得到的數(shù)據(jù)由主控機通過壓力測量軟件轉換分析后，在顯示器上顯示出來，并將測量結果存儲到硬盤上，以備事后分析處理。 2 測量方法和原理 虛擬儀器的校準分為傳感（變送）器校準、轉換器校準（外部校準）和軟件校準（內部校準）三個部分。 2.1 內部校準 在測量具體的物理參數(shù)前必須進行內部校準，以確定其測量參數(shù)和測量范圍。基于計算機的測量儀器的內部校準由調用校準測量電路的軟件功能來啟動。校準不同的參數(shù)（溫度、壓力、流量）一般使用不同的軟件。方法是用內部校準的板上電壓源，使測量軟件顯示相對應的參數(shù)（如溫度100℃）?？梢圆捎冒迳蠝囟葌鞲衅骱蛢炔啃蕘硗瓿稍诓僮鳝h(huán)境下不同溫度的校準。主控機內所插的MIO模塊用來產(chǎn)生自檢信號，這些信號經(jīng)適配器進入信號調理單元，在自檢和管理軟件的控制下完成整個系統(tǒng)的自檢功能。內部校準不須用標準計量儀器，也無須調整裝置中的分壓器和跳線。 2.2 外部校準 外部校準要采用高精度的外部標準。進行外部校準期間，板上校準常數(shù)要參照外部標準來調整。外部校準須用標準計量儀器。外部校準一旦完成，新的校準常數(shù)就被保存在測量儀器存儲器的被保護區(qū)域內且用戶無法取得，這樣就保護了由于偶然的調整對校準完整性的影響。 外部校準的信號一般有電流、電壓和頻率信號。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)采集裝置上進行外部校準，以4mA點校準零點常數(shù)，以20mA點校準滿度常數(shù)，進行增益、動態(tài)范圍的校準。 測量線路圖：
a)按圖線路連接校準信號至被校計算機的信號采集板 b)運行第一參數(shù)校準軟件，調節(jié)工業(yè)過程校準器輸出各量程標準信號 c)比較各測量點標準器與計算機示值誤差。 d)調整校準常數(shù)，使計算機示值誤差為最小。 e)對于自動校準系統(tǒng)通過GPIB與外部標準通信，校準軟件就能從儀器設置和讀取外部電壓的數(shù)值，這些數(shù)值然后用于驗證和校準被調整的儀器，產(chǎn)生新的校準常數(shù)。校準流程結束時，可以從配置文件中自動讀取儀器技術指標并生成詳細的校準報告 f)運行第二參數(shù)校準軟件，方法同b) 、c) 、d) 、e) ,直至運行最后一個參數(shù)校準軟件。 以校準溫度參數(shù)為例，按JJG617-1996檢定規(guī)程25.4.2款輸入被檢點標稱電量值法，從下限開始增大輸入信號，分別給計算機輸入各被檢點溫度所對應的標稱電量值，讀取計算機相應的指示值，直至上限；然后減小輸入信號，分別給計算機輸入各被檢點溫度所對應的標稱電量值，讀取計算機相應的指示值，直至下限。記錄并計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:別檢定點溫度對應的標稱電量值 As:標準儀器的示值 校準其他參數(shù)，可參照參數(shù)對應的計量檢定規(guī)程進行校準。 2.3 傳感（變送）器校準 由于計算機不能識別溫度、壓力、流量信號。外部校準的信號一般是電流、電壓和頻率信號，必須依靠溫度、壓力、流量等變送器對被測對象的各種物理參數(shù)實施非電量到電量的轉換、信號調理、數(shù)據(jù)采集。變送器的校準可參照的有：JJG126~1995交流電量變換為直流電量電工測量變送器檢定規(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方法 設備要求：相應準確度等級數(shù)字電壓表一臺； 按系統(tǒng)連接方法接線； 根據(jù)變送器銘牌上標明的傳感器和量程范圍，輸入相應的阻值，使輸入為4mA和20mA（可分別調整零點電位器和滿度電位器）； 按量程十等分點輸入各電阻值，檢查各溫度輸出是否符合精度范圍； 按說明書技術指標進行測試，應符合技術要求。 b、熱電偶溫度變送器校準方法 設備要求：相應準確度等級數(shù)字電壓表一臺、電流表一臺 按系統(tǒng)連接方法接線； 根據(jù)變送器銘牌上標明的傳感器和量程范圍，輸入相應的電勢值，使輸出分別為4mA和20mA（可分別調整零點電位器和滿度電位器）； 按量程十等分點輸入各電勢值，檢查各溫度輸出是否符合精度范圍； 按說明書技術指標進行測試，應符合技術要求。 2.3.2 壓力變送器 ①基本誤差及回程誤差的校準 a.將差壓測量值分別置于規(guī)定測量值的0%、25%、50%、75%、100%各點。 b.記錄下輸出對應各點的實際值。 c.計算基本誤差。實際輸出值與公稱輸出值之差對輸出值的范圍（16mA）的百分率即為基本誤差。 ②回程誤差的校準 a.使測量值略超過測量最高值（如105%），然后依此將商量輸入值分別置于100%、75%、50%、25%、0%各點。 b.記錄下回程誤差。變送器各點正、反行程輸出實測值之差的絕對值即為回程誤差。 c.計算回程誤差。變送器各點正、反行程輸出實測值之差的絕對值即為回程誤差。 ③靜壓誤差校準。現(xiàn)場校準一般不校靜壓誤差，只確定是否存在靜壓誤差。 3 測量不確定度分析 3.1 內部校準的測量不確定度 由內部校準電壓的重復性和穩(wěn)定性引起。對重復性采取多次測量取平均值和實驗標準差的方法； 對穩(wěn)定性采取一年中多次校準取漂移量的方法。其測量不確定度取決于虛擬測量儀器本身。 3.2 外部校準的測量不確定度 由工業(yè)過程校準器標準信號準確度產(chǎn)生，對于TRX-Ⅱ最大允許示值誤差為±（0.01%Rdg+0.01%FS） 3.3 傳感器校準的測量不確定度 a)TRX-Ⅱ電流擋測量不確定度u(I1) b)變送器輸出電流的測量重復性u(I2)的評定 c)輸入量P的標準不確定度主要來源于壓力標準(即TRX-Ⅱ與模塊組合)。根據(jù)說明書其最大允許誤差為0.05%FS。 d)輸入量t的標準不確定度主要來源于溫度標準（即TCST6000溫度校驗儀）。根據(jù)說明書其最大允許誤差為0.3℃。 3.4 電磁干擾 基于計算機的測量儀器被安裝在桌面計算機、PXI/CompactPCI機箱，或VXI/VME機箱這樣的環(huán)境中，因為基于計算機測量儀器被安裝于多種不同的計算機環(huán)境當中，計算機的測量儀器會受到電磁干擾和電源電壓的變化的影響 3.5 整個系統(tǒng)校準的測量不確定度 因Xi被此獨立，所以合成標準不確定度uc(y)為 虛擬測量儀器是基于計算機的測量儀器，同傳統(tǒng)的儀器一樣，需要周期性的內部和外部的校準以確保測量儀器達到所要求的精度。上述方法通過對傳感（變送）器校準、轉換器校準（外部校準）和軟件校準（內部校準）實現(xiàn)了虛擬測量儀器的整體校準，其測量不確定度最高達0.08%(壓力，去除內部標準穩(wěn)定性)，一般為0.3%~0.5%。 4 預期的效果 通過以上方案的具體實施，基本解決了我市基于計算機的熱工參數(shù)測量儀器的校準問題。解決了有關企業(yè)領導和工作人員“計算機不是計量器具不需要校準、計算機虛擬測量無法校準”的問題，避免了計算機在自動控制中由于量值不準確及誤操作造成的質量事故，保證了產(chǎn)品質量。目前該校準方法已在我市石油化工、制藥、熱電等行業(yè)計量校準工作中得到應用，收到較好的效果。 |
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