（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院，上海 201114）

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在檢驗檢測、工業(yè)生產(chǎn)、科學研究等領域都是十分重要的參數(shù)[1,2]。溫度變送器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量與控制。帶傳感器的變送器一般由兩部分組成：一部分是傳感器，主要由熱電偶或熱電阻組成；另一部分是信號轉(zhuǎn)換器，主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成，如圖1 所示[3]。變送器輸出信號與溫度變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關系（通常為線性函數(shù)），目前標準化輸出信號主要為（0～20）mA 和（4～20）mA 或（1～5）V 的直流電信號。

近年來，隨著溫度變送器在工業(yè)控溫應用中的快速普及，溫度變送器（帶傳感器）的校準檢測需求與日俱增。目前檢測所依據(jù)的JJF 1183-2007《溫度變送器校準規(guī)范》主要是針對實驗室檢測，檢測儀器設備較難適用于現(xiàn)場環(huán)境的在線測量。在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度變送器主要起到實時監(jiān)控溫度變化的作用，在整個溫度探測設備中處于核心地位，其測量準確性直接決定著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，企業(yè)必須定期進行檢測和維護。但因其數(shù)量多、分布廣、拆卸易損壞、實驗室檢測周期長需要停產(chǎn)停工等諸多問題，極大影響了企業(yè)生產(chǎn)效率，增加了企業(yè)運營成本。本文通過使用便攜式干井爐作為檢測配套設備，F(xiàn)LUKE 744 多功能校準儀作為測量標準（如圖2 所示），開展溫度變送器（帶傳感器）的現(xiàn)場校準檢測，并對其示值誤差的不確定度進行分析與評定，進一步提高現(xiàn)場溫度測量的準確性。

圖2 便攜式干井爐和FLUKE 744

1 測量方法

1.1 測量依據(jù)

JJF 1183-2007《溫度變送器校準規(guī)范》、JJF 1071-2010《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》[4]和GB/T 27418-2017《測量不確定度評定和表示》[5]作為測量依據(jù)。

1.2 測量標準

主要計量標準設備為精密數(shù)字溫度計配二等標準鉑電阻溫度計，以及一等標準鉑銠10―鉑熱電偶。主標準器與配套設備的技術指標如表1 所示。

FLUKE 744 多功能校準儀作為測量標準，測量范圍（0～30）mA，最大允許誤差為±（讀數(shù)的0.01%+滿刻度的0.015%）。

1.3 測量對象

帶傳感器的溫度變送器，總的測量范圍（-25～1100）℃。

1.4 測量要求和步驟

測量點應按量程均勻分布，包含上限值、下限值和量程中間的5 個點。測量時應從測量范圍下限溫度開始，然后自下而上依次測量。在每個試驗點上，待溫度源足夠穩(wěn)定后方可進行測量。應輪流對標準溫度計的示值和變送器輸出反復6 次讀數(shù)。

2 建立數(shù)學模型

測量誤差的數(shù)學模型為：

式中：

Id—變送器的輸出值；

Im—變送器的輸出量程；

tm—變送器的溫度輸出量程；

ts—變送器的輸入溫度值；

t0—變送器輸入的下限溫度值；

I0—變送器輸出的理論下限值。

3 不確定度因子來源

從溫度變送器（帶傳感器）測量誤差的數(shù)學模型可知，不確定度主要來源于5 個方面：（1）被測變送器輸出電流的重復性；（2）744 多功能現(xiàn)場校準儀的測量誤差；（3）標準溫度計讀數(shù)；（4）干井爐的不均勻性和穩(wěn)定性；（5）現(xiàn)場環(huán)境溫度的影響。其中（1）～（2）屬于輸出量引起的不確定度，（3）～（5）屬于輸入量引起的不確定度。

4 不確定度評定

4.1 輸出量Id的標準不確定度u(Id)的評定

（1）輸出電流重復性導致的校準不確定度u(Id1)

對溫度變送器進行三個循環(huán)的測量，再輸入同一溫度信號，輸出電流值不盡相同，取平均值作為測量結果。則標準不確定度A 類可以用實驗標準偏差來評估。

每次測量點共有6 個讀數(shù)，分別計算出實驗標準偏差，取最大值。

表1 主要技術指標

（2）744 多功能現(xiàn)場校準儀的測量誤差導致的校準不確定度u(Id2)

744多功能現(xiàn)場校準儀的最大允許示值誤差為±（讀數(shù)的0.01%+滿刻度的0.015%）；按均勻分布考慮，則：

（3）標準不確定度u(Id)

由于Id1和Id2彼此獨立，因此：

對應輸出（4～20）mA 量程為200 ℃的溫度變送器u(Id)=0.05℃。

4.2 輸入量ts的標準不確定度u(ts)的評定

（1）標準溫度計讀數(shù)引入的標準不確定度u(ts1)，可以用B 類方法進行評定。按均勻分布處理，由表1 標準溫度計技術指標可得：。

（2）干井爐的不均勻性引入的標準不確定度u(ts2)，用B類方法進行評定。低溫干井爐的均勻性為0.05℃，則不確定度區(qū)間半寬為0.025℃，按均勻分布處理。

（3）干井爐的穩(wěn)定性引入的標準不確定度u(ts3)，用B 類方法進行評定。低溫干井爐的穩(wěn)定性為±0.01℃/10 min，按均勻分布處理。

（4）現(xiàn)場溫度變化對校準的影響為0.5℃，按均勻分布計算，

表2 合成標準不確定度計算中不確定度來源情況匯總表

（5）標準不確定度u(ts)

由于u(ts1)、u(ts2)、u(ts3)和u(ts4)彼此獨立，因此：

4.3 合成標準不確定度

標準不確定度匯總表如表2 所示。

表2 對不同不確定度來源下的標準不確定度值進行梳理匯總。輸入量Id與ts相互彼此獨立，所以合成標準不確定度可按下式得到：

4.4 擴展標準不確定度計算

主要分量均為正態(tài)分布，可取包含因子

4.5 對溫度變送器（帶傳感器）全量程示值誤差測量結果不確定度評定

對其他量程范圍及輸出電流不同時，對全部測量點不確定度評估如表3 所示。參照電流輸出（4～20）mA 量程為200℃的溫度變送器的不確定度評定方法，類推計算出在（-25～1100）℃全范圍下，不同量程及不同輸出電流范圍時，溫度變送器（帶傳感器）的不確定度評定匯總情況。

表3 不同量程范圍及輸出電流時不確定度匯總表

4.6 校準和測量能力

溫度變送器帶傳感器的儀表量程為200℃時，是可校準的最佳被校儀表，該項目的CMC 為：（-25～1100）℃，U=（0.6～1.0）℃（k=2）。

5 結束語

本文參考JJF 1183-2007《溫度變送器校準規(guī)范》對現(xiàn)場溫度變送器（帶傳感器）測量結果不確定度進行評定。通過分析現(xiàn)場測量環(huán)境、便攜式儀器儀表等問題，確定不確定度因子來源。詳細描述了使用低溫干井爐，測量輸出（4～20）mA量程為200℃的溫度變送器的不確定度評定過程。同時，類推計算整理出其他量程范圍及輸出電流不同時，溫度變送器（帶傳感器）在（-25～1100）℃全范圍下的不確定度評定匯總表。對企業(yè)開展溫度變送器測試和第三方實驗室開展溫度現(xiàn)場檢測工作具有積極指導作用和參考價值。