布光斌　郝　佳

(中國人民解放軍91181部隊，大連 116001)

0　引言

熱工參量(熱工過程與控制中的溫度、壓力、真空、流量、熱物性、熱能等)的準確測量與控制，在武器裝備研制、裝備使用保障、一般工業(yè)過程以及材料加工等領(lǐng)域，都是必不可少的。為保證熱工儀表的測量準確性，目前通常采用傳統(tǒng)離線校準的標校方法。由于離線校準是在實驗室條件下通過比較待測儀表與更高等級的計量標準器來實現(xiàn)量值的標定，通常具有精度高的優(yōu)點。但對一些特殊的應用需求環(huán)境而言，如儀表不便反復拆卸、送檢周期不穩(wěn)定、測試環(huán)境復雜等條件下，離線校準的不足之處則顯現(xiàn)得十分突出。本文在綜述熱工儀表離線校準發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對特殊使用需求，提出了熱工儀表原位校準方法，并總結(jié)出原位校準的技術(shù)關(guān)鍵。在實際應用中，熱工儀表的原位校準是保障熱工參量在線測量有效的必要技術(shù)手段。

1　熱工儀表及其作用

熱工儀表指的是對熱工過程控制中的熱工參量進行測量、監(jiān)控、記錄的儀表。本文針對部隊的特殊使用需求，重點討論溫度、壓力、流量這三類典型的熱工儀表。

按照測量的量程和準確度水平要求，常用的壓力儀表有數(shù)字壓力計、壓力變送器、彈性元件式壓力儀表等[1]；按照測量現(xiàn)場條件，常用的溫度儀表分為接觸測溫儀表和輻射測溫儀表，接觸測溫儀表又分鉑電阻溫度計、熱電偶溫度計、熱敏電阻等；按照測量的流體種類、安裝條件和準確度水平，常用的流量儀表可分為差壓式流量計、容積式流量計、質(zhì)量式流量計、速度式流量計等。

由于長期使用，這些儀表都可能存在漂移、性能下降、損壞等情況，因此需要定期對其計量性能進行檢測，以確定其是否能夠正常工作和提供所要求的量值。

2　傳統(tǒng)離線校準方法及存在的問題

2.1　壓力儀表離線校準

針對彈性元件式壓力表，現(xiàn)行有效的檢定規(guī)程主要是JJG 49—2013《彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程》和JJG 52—2013《彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》。根據(jù)檢定規(guī)程，被檢壓力表需要與標準器連接在同一個校驗器上，進行滿量程的檢定[2-5]。該檢定方法對于艦船上使用的壓力表來說存在以下不足之處：一是在拆卸被測壓力表時對儀表接頭、安裝位置的密封件會造成磨損，可能影響其密封性。二是對于只使用一個或幾個固定壓力值的壓力表而言，對全量程(特別是測量范圍上限)的檢測實際意義并不大。相反，國內(nèi)彈性元件式壓力表的質(zhì)量和耐用性并不理想，幾次加壓到上限壓力后可能對彈性元件造成不利影響，反而使得其他壓力點示值不準。第三，壓力表拆下送檢，往往周期較長，可能影響使用，也不利于管理。

2.2　溫度儀表離線校準

對于接觸式溫度儀表，傳統(tǒng)的溫度校準方法通常將測溫元件和儀表在實驗室環(huán)境中分別檢定。比如工業(yè)中大量使用的熱電偶，一般在使用之前或使用一定時期后，從安裝現(xiàn)場拆分下來，送至計量標準實驗室，在設(shè)定的恒溫環(huán)境中，與較高等級的標準傳感器進行比較[6]。然而，離線式校準方法具有不可忽略的局限性，對于很多工業(yè)過程，測量儀表一旦安裝后很難再拆裝。

對于輻射式溫度儀表，通常在實驗室使用變溫黑體輻射源作為標準輻射源[7]，對被校準輻射溫度計進行定標。

同樣，離線式校準輻射溫度計具有不可忽略的缺點，對于很多高溫環(huán)境，現(xiàn)場使用環(huán)境與實驗室條件往往差異較大，如測量目標發(fā)射率的動態(tài)變化、觀察窗口的污染、傳遞輻射介質(zhì)干擾、目標周圍高溫環(huán)境反射影響等，導致離線校準往往難以包含真實的在線測量環(huán)境影響，從而難以保證輻射法測溫在現(xiàn)場的測量準確性。

2.3　流量儀表離線校準

流量計的檢定一般在流量標準裝置上，在實驗室環(huán)境條件下完成，也就是我們通常所稱的離線檢定[8-11]。依據(jù)各自相應的檢定規(guī)程，對各種流量計進行檢定。

實驗室檢定存在以下問題：檢定介質(zhì)同實際測量介質(zhì)可能不一樣，其物性參數(shù)也就不同；檢定時的工況如溫度、壓力等同流量計的應用工況不一致；流量計的安裝型式同現(xiàn)場也存在很大差異；流量計的安、拆、裝對流量計有損耗，檢定后可能會出現(xiàn)問題。以上問題表明，在實驗室對流量計所做的檢定或性能評價，同流量計實際使用性能還是有差別的。

2.4　離線校準在特殊應用中存在的問題

基于以上分析不難看出，離線校準在實驗室條件下可以有效保障熱工儀表的溯源和量值測量的準確性，但對于某些特殊應用，如儀表不便反復拆卸、檢定條件與使用條件差異大等情況下，離線校準方法尚存在不少問題，具體體現(xiàn)在：

1)離線校準通常要求儀表拆卸后送至計量實驗室標定，反復拆裝增加了對儀表的損壞風險；同樣，對于高壓或負壓管路，多次安裝可能造成泄漏風險。對于很多工業(yè)過程，一旦安裝后很難再拆裝，且現(xiàn)場使用環(huán)境與實驗室條件相差較大，難以監(jiān)測和保證測溫系統(tǒng)在使用過程中的長期穩(wěn)定性。

2)離線校準通常要求滿量程標定，上限量程使用增加了儀表的損壞風險。比如壓力儀表，可能平常只在中間量程使用，檢測時需加載至高量程，加快了儀表的磨損和損壞。

3)儀表拆卸檢測的用時較長，不利于使用和管理。

4)離線校準無法復現(xiàn)在線測試中的復雜環(huán)境條件，使用條件對儀表計量性能的影響有時會大大超過其標明的準確度水平。

3　原位校準方法

3.1　原位校準的基本原理

原位校準是指在熱工儀表使用現(xiàn)場進行校準，不需要將熱工儀表拆卸后送至計量實驗室進行校準，避免了儀表和結(jié)構(gòu)的拆卸、分解和安裝，節(jié)省了維護時間，同時杜絕因拆裝不當造成的人為故障和損傷。更重要的是，原位校準條件與使用條件一致，有效克服了離線校準最大的缺點——無法復現(xiàn)現(xiàn)場復雜的使用環(huán)境條件。原位校準通常表現(xiàn)為在線校準，一定程度上包含現(xiàn)場校準。

3.2　原位校準方法

3.2.1經(jīng)常性在線比測校準

在儀表使用現(xiàn)場，通過合理地設(shè)置一個可以加裝計量標準器的接口，使該處儀表感受到的量值與安裝被檢儀表處的量值保持一致。在此接口上接裝計量標準器，采用直接比較的方法即可實現(xiàn)儀表的原位校準。該方法的缺點是依賴現(xiàn)場條件，可能在校準時無法全量程覆蓋使用范圍。

比如對于壓力表，可以在安裝被測壓力表的管道附近加裝三通、閥門和接頭，形成另一個與被測壓力表等壓的接口(可稱之為校準口)。在日常使用時，只需將閥門關(guān)閉，完全不影響正常使用。當需要校準時，將標準壓力計安裝在校準口上，打開閥門，使被測表與標準表連通，即可比較當前壓力下二者的示值，從而實現(xiàn)在線校準。

類似的方法也可應用于接觸式測溫儀表[12-14]，當然是在溫度準確度要求不太高，也就是兩測量點的溫度差值的影響可以忽略的情況下使用。

此外，對用于貿(mào)易交接的流量計進行在線檢定，已經(jīng)成為具有計量法規(guī)依據(jù)的成熟方法而被廣泛使用。當然使用在線檢測的前提是能夠在管道中串聯(lián)流量標準器，如艦船上用于為飛機加油的流量計，由于管路與加油口間用可拆卸的軟管連接，中間可以很方便地串接標準流量計。由于流量計在現(xiàn)場的安裝條件與實驗室不同，所以在線檢測可以包含現(xiàn)場管路條件的影響，因此在線檢定能夠更完整準確地對流量計的計量性能進行評定。

3.2.2加裝在線計量標準源

加裝標準源可實現(xiàn)儀表在測量過程中的實時校準。該方法的優(yōu)點是測量參數(shù)的量值范圍由標準器提供，具有更高靈活性。但不是所有儀表都有條件在線加裝計量標準器，有時加裝計量標準器需對原有工藝管線有較大改造。

比如，在需要輻射測溫的裝備上配備在線黑體輻射源，可以實時原位校準，實時監(jiān)控輻射測溫儀表的技術(shù)狀態(tài)，保證其可用性[15-16]。在線黑體輻射源的光譜亮度溫度的量值，可定期使用現(xiàn)場單位實驗室的黑體輻射源在使用現(xiàn)場標定，用光譜亮度溫度直接比較法進行校準。現(xiàn)場黑體輻射源則可定期送至軍事計量部門的實驗室使用軍用黑體輻射源標準進行校準。軍用黑體輻射源標準則可溯源至國家黑體輻射源標準，直至SI單位開爾文。從而實現(xiàn)軍事裝備量值準確一致并可有效溯源到國家標準。

3.2.3現(xiàn)場校準

當以上在線校準難以實現(xiàn)時，可以采用現(xiàn)場校準的方式實現(xiàn)對儀表的檢測。其優(yōu)點是：儀表可以在使用現(xiàn)場快速拆卸、檢測和安裝，縮短檢測周期，從而降低管理成本。比如避免了現(xiàn)場拆卸后附件的保管、儀表安裝孔的保護、以及運輸過程中可能的磕碰等。

比如對于接觸測溫方法，將便攜式恒溫箱帶到儀表使用現(xiàn)場。以熱電偶測溫為例，選用對應的更高等級熱電偶或鉑電阻溫度計作為參考測溫傳感器，并采用合適量程的數(shù)顯儀表或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展現(xiàn)場校準。

3.3　原位校準的技術(shù)關(guān)鍵

3.3.1安裝條件

實現(xiàn)原位校準是需要現(xiàn)場條件的，簡單說就是要有能夠安裝計量標準器的條件，要有能夠形成比較穩(wěn)定的測量環(huán)境的條件?，F(xiàn)場安裝也需要有移動標準器可以在現(xiàn)場使用。在以上條件不能滿足時，有時需要對現(xiàn)場管路進行改造。

例如，原位檢測壓力計時需要考慮校準口安裝標準壓力計之后的壓力參考位置高度與被測表安裝高度基本保持一致，避免過大的高度差對測量結(jié)果的影響。同時，校準口最好選用可靠耐用且方便拆裝的接頭形式。原位檢測流量儀表時需要管路中可以串聯(lián)標準流量計，且應有安裝溫度、壓力測量儀表的位置，以便于做相應的修正。

3.3.2量值溯源鏈的完整性

原位校準并不是降低要求的計量，其計量準確度必須與離線校準一樣給予保證。因此需要量值傳遞鏈連續(xù)，特別是作為標準計量器具的在線計量標準器，應有有效的校準方法和傳遞方法，在現(xiàn)場使用前后都應在實驗室進行校準，兩次校準的差異應被評估。

3.3.3計量方法的科學性

計量方法應有完整的量值傳遞的不確定度評估鏈。如對于壓力量值，就要分析氣源的穩(wěn)定性、管路內(nèi)氣體對流、安裝位置高度、標準壓力計準確度水平等等，綜合評估后得到在線校準壓力計的計量水平，并形成規(guī)范方法。

3.3.4量值保證方案

實驗室檢測儀表是有檢定周期的，在線檢測需要根據(jù)儀表本身的特性，儀表計量準確度的要求，現(xiàn)場條件和以往檢測結(jié)果變化情況確定相應的檢測周期。特別是當被檢儀表示值與標準器示值差異超過允許范圍后，需要拆下送檢或更換。這些技術(shù)指標的確定是量值保證的關(guān)鍵點，需要通過對現(xiàn)場條件和實驗數(shù)據(jù)的分析計算確定。

4　結(jié)論

原位校準是伴隨著對現(xiàn)場測量結(jié)果有效、測量過程快捷、儀表管理有序而發(fā)展起來的校準方法，相對離線校準而言具有優(yōu)勢，避免了儀表的拆卸、分解和安裝，節(jié)省了維護時間，同時杜絕因拆裝不當造成的人為故障和損傷。更重要的是，原位校準條件與現(xiàn)場使用條件一致，能夠在有效保障儀表準確的同時實現(xiàn)量值有效，也就是在一定程度上，從對在標準條件下對儀表的校準(或檢定)拓展為對現(xiàn)場測量條件下的校準(或檢定)乃至對現(xiàn)場測量結(jié)果的校準。由于具有以上諸多優(yōu)點，相信原位校準方法會得到快速發(fā)展。同時，為了保證儀表測量結(jié)果的有效性，應對該方法的技術(shù)細節(jié)做深入分析，形成保證測量結(jié)果有效的技術(shù)方法，并持續(xù)完善，形成技術(shù)規(guī)范。

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[2]JJG 49—2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程[S]

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