自動工業(yè)過程控制中熱工參數(shù)的校準(zhǔn)方法 | |||
作者：王逸飛 | |||
單位：泰州市計量測試技術(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)，已經(jīng)成為校準(zhǔn)領(lǐng)域十分關(guān)注的技術(shù)熱點。本專業(yè)設(shè)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(zhǔn)、轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)和軟件校準(zhǔn)的方法。同時對方案所使用的校準(zhǔn)儀器和方案的可行性進行了探討。 【關(guān)鍵詞】工業(yè)過程控制 參數(shù) 校準(zhǔn) 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(shù)和測量技術(shù)相結(jié)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(shù)構(gòu)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(zhǔn)有效期，因而需要進行定期校準(zhǔn)以確保測量精度。 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(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(zhǔn)即可。 1.2 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是將當(dāng)前計算機的主流技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)軟件和高性能的模塊化硬件相結(jié)合，基于計算機所構(gòu)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(yīng)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(zhǔn)。其測量過程是：溫度信號經(jīng)信號調(diào)理模塊（溫度變送器）調(diào)理后通過模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)據(jù)通過溫度測量軟件轉(zhuǎn)換分析后，在顯示器上顯示出來，并將測量結(jié)果存儲到硬盤上，以備事后分析處理。壓力信號經(jīng)信號調(diào)理模塊調(diào)理后經(jīng)過模擬總線送至數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，所得到的數(shù)據(jù)由主控機通過壓力測量軟件轉(zhuǎn)換分析后，在顯示器上顯示出來，并將測量結(jié)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(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)）三個部分。 2.1 內(nèi)部校準(zhǔn) 在測量具體的物理參數(shù)前必須進行內(nèi)部校準(zhǔn)，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(nèi)部校準(zhǔn)由調(diào)用校準(zhǔn)測量電路的軟件功能來啟動。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，使測量軟件顯示相對應(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)來完成在操作環(huán)境下不同溫度的校準(zhǔn)。主控機內(nèi)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(diào)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(nèi)部校準(zhǔn)不須用標(biāo)準(zhǔn)計量儀器，也無須調(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)來調(diào)整。外部校準(zhǔn)須用標(biāo)準(zhǔn)計量儀器。外部校準(zhǔn)一旦完成，新的校準(zhǔn)常數(shù)就被保存在測量儀器存儲器的被保護區(qū)域內(nèi)且用戶無法取得，這樣就保護了由于偶然的調(diào)整對校準(zhǔn)完整性的影響。 外部校準(zhǔn)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(zhǔn)，以4mA點校準(zhǔn)零點常數(shù)，以20mA點校準(zhǔn)滿度常數(shù)，進行增益、動態(tài)范圍的校準(zhǔn)。 測量線路圖：
a)按圖線路連接校準(zhǔn)信號至被校計算機的信號采集板 b)運行第一參數(shù)校準(zhǔn)軟件，調(diào)節(jié)工業(yè)過程校準(zhǔn)器輸出各量程標(biāo)準(zhǔn)信號 c)比較各測量點標(biāo)準(zhǔn)器與計算機示值誤差。 d)調(diào)整校準(zhǔn)常數(shù)，使計算機示值誤差為最小。 e)對于自動校準(zhǔn)系統(tǒng)通過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，可以從配置文件中自動讀取儀器技術(shù)指標(biāo)并生成詳細(xì)的校準(zhǔn)報告 f)運行第二參數(shù)校準(zhǔn)軟件，方法同b) 、c) 、d) 、e) ,直至運行最后一個參數(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款輸入被檢點標(biāo)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(yīng)的標(biāo)稱電量值，讀取計算機相應(yīng)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(yīng)的標(biāo)稱電量值，讀取計算機相應(yīng)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(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)對應(yīng)的計量檢定規(guī)程進行校準(zhǔn)。 2.3 傳感（變送）器校準(zhǔn) 由于計算機不能識別溫度、壓力、流量信號。外部校準(zhǔn)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(zhuǎn)換、信號調(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(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(shù)指標(biāo)進行測試，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(biāo)明的傳感器和量程范圍，輸入相應(yīng)的電勢值，使輸出分別為4mA和20mA（可分別調(diào)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(shù)指標(biāo)進行測試，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(yīng)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(zhǔn) 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(zhǔn)。現(xiàn)場校準(zhǔn)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(nèi)部校準(zhǔn)的測量不確定度 由內(nèi)部校準(zhǔn)電壓的重復(fù)性和穩(wěn)定性引起。對重復(fù)性采取多次測量取平均值和實驗標(biāo)準(zhǔn)差的方法； 對穩(wěn)定性采取一年中多次校準(zhǔn)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(zhǔn)的測量不確定度 由工業(yè)過程校準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)信號準(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)性u(I2)的評定 c)輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于壓力標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于溫度標(biāo)準(zhǔn)（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(dāng)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(zhǔn)的測量不確定度 因Xi被此獨立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部和外部的校準(zhǔn)以確保測量儀器達(dá)到所要求的精度。上述方法通過對傳感（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)）實現(xiàn)了虛擬測量儀器的整體校準(zhǔn)，其測量不確定度最高達(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(zhǔn)問題。解決了有關(guān)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和工作人員“計算機不是計量器具不需要校準(zhǔn)、計算機虛擬測量無法校準(zhǔn)”的問題，避免了計算機在自動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)計量校準(zhǔn)工作中得到應(yīng)用，收到較好的效果。 |
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