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  3. 如何校準溫度傳感器

    2021-08-10

    如何校準溫度傳感器 維連溫度傳感器如何校準溫度傳感器


    溫度測量是過程工業中最常見的測量之一。

    每個溫度測量回路都有一個溫度傳感器 作為回路中 的第一個組件。因此,這一切都始于溫度傳感器。溫度傳感器對整個溫度測量回路的準確性起著至關重要的作用。

    作為任何您想要準確的測量儀器,溫度傳感器也需要定期校準。如果您不在乎準確性,為什么要測量溫度?

    維連將介紹 如何校準溫度傳感器 以及 校準溫度傳感器時應考慮的最常見事項是 什么。

    什么是溫度傳感器?

    顧名思義,溫度傳感器是一種可以用來測量溫度的儀器。它有一個與應用溫度成正比的輸出信號。當傳感器的溫度發生變化時,輸出也會相應發生變化。

    有各種溫度傳感器具有不同的輸出信號。有些具有電阻輸出,有些具有電壓信號,有些具有數字信號等等。

    實際上,在工業應用中,來自溫度傳感器的信號通常連接到溫度變送器,該變送器會將信號轉換為更易于長距離傳輸的格式,然后傳輸到控制系統(DCS、SCADA)。標準的 4 到 20 mA 信號已經使用了幾十年,因為電流信號可以傳輸更遠的距離,并且即使沿著電線存在一些電阻,電流也不會改變?,F在采用數字信號甚至無線信號的發射器。

    總之,要測量溫度,所使用的測量元件是溫度傳感器。

    測量溫度傳感器輸出
    由于大多數溫度傳感器都有電輸出,因此顯然需要以某種方式測量該輸出。話雖如此,您需要有一個測量設備來測量例如輸出、電阻或電壓。

    測量設備通常顯示電量(電阻、電壓),而不是溫度。因此,有必要知道如何將該電信號轉換為溫度值。

    大多數標準溫度傳感器都有國際標準,指定如何使用表格或公式計算電氣/溫度轉換。如果您使用的是非標準傳感器,則可能需要從傳感器制造商處獲取該信息。

    還有一些測量裝置可以將溫度傳感器信號直接顯示為溫度。這些設備還測量電信號(電阻、電壓)并在內部編寫傳感器表(或多項式/公式),因此它們將其轉換為溫度。例如,溫度校準器通常支持過程工業中使用的最常見的 RTD(電阻溫度檢測器)和熱電偶 (T/C) 傳感器。

    那么如何校準溫度傳感器呢?
    在我們討論校準溫度傳感器時要考慮的各種事項之前,讓我們先看看一般原則。

    首先,由于溫度傳感器測量溫度,因此您需要有一個已知溫度才能將傳感器浸入其中以進行校準。不可能“模擬”溫度,但 您必須使用溫度源創建真實溫度 。

    您可以生成準確的溫度,也可以使用校準的參考溫度傳感器來測量生成的溫度。例如,您可以將參考傳感器和要校準的傳感器插入液?。ㄗ詈檬菙嚢璧模┲?,然后您可以在該溫度點進行校準?;蛘?,可以使用所謂的干塊溫度源。

    例如,使用攪拌冰浴為 0 °C (32°F) 點校準提供了非常好的精度。

    對于工業和專業校準,通常使用溫度浴或干塊。這些可以通過編程將溫度加熱或冷卻到某個設定點。

    在某些工業應用中,通常的做法是定期更換溫度傳感器,而不是定期校準傳感器。

    如何校準溫度傳感器——需要考慮的事項
    讓我們開始深入研究溫度傳感器的實際校準以及需要考慮的不同事項......

    1 - 處理溫度傳感器
    不同的傳感器具有不同的機械結構和不同的機械魯棒性。

    最準確的 SPRT(標準鉑電阻溫度計)傳感器,用作溫度實驗室的參考傳感器,非常脆弱。我們的溫度校準實驗室人員說,如果 SPRT 接觸某物而您可以聽到任何聲音,則必須在進一步使用之前檢查傳感器。

    幸運的是,大多數工業溫度傳感器都很堅固,可以正常處理。有一些工業傳感器非常堅固,可以承受相當粗暴的處理。

    但是,如果您不確定應該校準的傳感器的結構,那么安全總比抱歉好。

    像處理 SPRT 一樣處理任何傳感器永遠不會錯。

    除了機械沖擊之外,溫度的快速變化可能會阻礙傳感器并損壞它或影響精度。

    熱電偶通常不如 RTD 探頭靈敏。

    2 - 準備工作
    通常沒有那么多準備工作,但有一些事情需要考慮。首先,進行目視檢查,以查看傳感器是否正常,并確保它沒有彎曲或損壞,以及電線是否正常。

    外部污染可能是一個問題,因此最好了解傳感器的使用位置以及測量的介質類型。您可能需要在校準前清潔傳感器,尤其是在您計劃使用液體浴進行校準時。

    可以在校準之前測量 RTD 傳感器的絕緣電阻。這是為了確保傳感器沒有損壞,并且傳感器與機箱之間的絕緣足夠高。絕緣電阻下降會導致測量錯誤,并且是傳感器損壞的跡象。

    3 - 溫度源
    如前所述, 您需要有一個溫度源 來校準溫度傳感器。只是無法模擬溫度。

    對于工業用途,溫度干燥塊是最常用的。它既方便又便攜,并且通常足夠準確。

    對于更高的精度需求,可以使用液體浴。無論如何,這通常不容易攜帶,但可以在實驗室條件下使用。

    對于零攝氏度,通常使用攪拌冰浴。它非常簡單且價格合理,但為零點提供了良好的準確性。

    為了獲得最準確的溫度,正在使用定點電池。這些非常準確,但也非常昂貴。這些主要用于準確(和認可)的溫度校準實驗室。

    4 - 參考溫度傳感器
    溫度是由上一章提到的一些熱源產生的。顯然,您需要非常準確地了解熱源的溫度。干塊和液體浴提供測量溫度的內部參考傳感器。但是為了獲得更準確的結果,您應該使用一個單獨的準確參考溫度傳感器,該傳感器插入與要校準的傳感器相同的溫度。這種參考傳感器將更準確地測量要校準的傳感器正在測量的溫度。

    自然地,參考傳感器應該具有有效的可追溯校準。發送參考傳感器進行校準比發送整個溫度源更容易(如果您始終只校準參考傳感器而不校準溫度塊,也最好記住溫度塊的溫度梯度)。

    至于熱力學特性,參考傳感器應與要校準的傳感器盡可能相似,以確保它們在溫度變化期間表現相同。

    參考傳感器和要校準的傳感器應浸入溫度源中相同的深度。通常,所有傳感器都浸入干燥塊的底部。對于非常短的傳感器,它會變得更加困難,因為它們只會將有限的深度浸入溫度源中,您應該確保您的參考傳感器浸入的深度相同。在某些情況下,這需要使用專用的短參考傳感器。

    使用定點單元,您不需要任何參考傳感器,因為溫度是基于物理現象的,并且其性質非常準確。

    5 - 測量溫度傳感器輸出信號
    大多數溫度傳感器具有需要測量并轉換為溫度的電輸出(電阻或電壓)。因此,您需要有一些用于測量的設備。一些溫度源還為傳感器提供測量通道,包括被測設備 (DUT) 和參考。

    如果您測量電輸出,則需要使用國際標準將其轉換為溫度。在大多數工業情況下,您將使用可以為您進行轉換的測量設備,因此您可以方便地查看溫度單位(攝氏度或華氏度)中的信號。

    無論您使用什么方法進行測量,請確保您了解設備的準確性和不確定性,并確保其具有有效的可追溯校準。

    6 - 浸入深度
    浸入深度(將傳感器插入溫度源的深度)是校準溫度傳感器時的一項重要考慮因素。

    我們的溫度校準實驗室人員在使用攪拌液體浴時給出了以下經驗法則:

    1% 精度 - 浸入 5 個直徑 + 傳感元件的長度
    0.01% 精度 - 浸入 10 個直徑 + 傳感元件的長度
    0.0001% 精度 - 浸入 15 個直徑 + 傳感元件的長度
    攪拌式液體浴中的熱傳導比干塊中的好,并且所需的浸入深度更小。

    對于干塊,Euramet 建議您浸入傳感器直徑加上傳感器元件長度的 15 倍。因此,如果您有一個直徑為 6 毫米的傳感器,里面有一個 40 毫米的元件,則將其浸入(6 毫米 x 15 + 40 毫米)130 毫米。

    有時很難知道實際元件在傳感器內部的長度,但應在傳感器規格中提及。

    此外,您應該知道傳感器元件的位置(它并不總是在傳感器的最尖端)。

    待校準傳感器和參考傳感器應浸入相同深度,使實際傳感器元件的中點處于相同深度。

    當然,對于非常短的傳感器,不可能將它們浸入很深。這是校準短傳感器時不確定性高的原因之一。

    7 - 穩定
    請記住,溫度傳感器始終測量自己的溫度!

    溫度變化非常緩慢,您應該始終等待足夠長的時間以使所有部件穩定到目標溫度。當您將傳感器插入某個溫度時,在傳感器的溫度達到該溫度并穩定之前總是需要一些時間。

    您的參考傳感器和要校準的傳感器 (DUT) 可能具有非常不同的熱力學特性,尤其是當它們在機械上不同時。

    通常與溫度校準相關的最大不確定性之一可能是校準完成得太快。

    如果您最常校準類似類型的傳感器,那么進行一些類型測試以了解這些傳感器的行為是明智的。

    8 - 溫度傳感器手柄
    傳感器手柄部分,或過渡結,通常會限制它的熱度。如果加熱太熱,傳感器可能會損壞。確保您了解您校準的傳感器的規格。

    如果在高溫下校準,建議使用溫度防護罩保護傳感器手柄。

    9 - 校準溫度范圍
    對于溫度傳感器,通常不會校準傳感器的整個溫度范圍。

    范圍的最頂端是您在校準時應該小心的東西。例如,如果在過高的溫度下校準 RTD 傳感器,它可能會永久漂移。

    此外,傳感器溫度范圍的最冷點可能難以校準/成本高昂。

    因此,建議校準傳感器將要使用的溫度范圍。

    10 - 校準點
    在工業標定中,需要選取足夠多的標定點,才能看出傳感器是線性的。通常在整個范圍內校準 3 到 5 個點就足夠了。

    根據傳感器類型,如果您知道傳感器可能不是線性的,您可能需要獲取更多點。

    如果校準鉑傳感器并計劃根據校準結果計算系數,則需要在合適的溫度點進行校準才能計算系數。鉑傳感器最常見的系數是 ITS-90 和 Callendar van Dusen 系數。對于熱敏電阻,可以使用 Steinhart-Hart 系數。

    在經認可的實驗室校準傳感器時,也可以根據實驗室的最小不確定度來選擇點。

    11 - 調整/微調溫度傳感器
    不幸的是,大多數溫度傳感器無法調整或微調。因此,如果您發現校準錯誤,則無法對其進行調整。相反,您需要使用系數來校正傳感器的讀數。

    在某些情況下,您可以補償溫度測量回路其他部分(變送器或 DCS)中的傳感器誤差。

    其他需要考慮的事項
    文檔
    與任何校準一樣,溫度傳感器校準需要記錄在校準證書中。

    可追溯性
    在校準中,所使用的參考標準必須對國家標準或等效標準具有有效的可追溯性。的 可追溯性應各自具有規定不確定度校準的連續鏈。

    不確定
    與校準一樣,溫度傳感器校準也是如此, 您應該了解校準過程的總不確定性。 在溫度校準中,校準過程(您進行校準的方式)很容易成為總不確定度中最大的不確定度分量。

    自動校準
    溫度校準始終是一個非常緩慢的操作,因為溫度變化緩慢,您需要等待穩定。如果您可以自動執行溫度校準,您將受益匪淺。校準仍然需要很長時間,但如果它是自動化的,你就不需要在那里等待。

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