馮明濤

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2中國石油天然氣集團(tuán)有限公司原油及成品油計(jì)量檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3國家石油天然氣大流量計(jì)量站

溫度變送器校準(zhǔn)執(zhí)行的現(xiàn)行規(guī)范JJF1183—2007 《溫度變送器校準(zhǔn)規(guī)范》[1]中明確指出，為保障校準(zhǔn)具有盡可能小的不確定度，建議校準(zhǔn)應(yīng)在以下的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下進(jìn)行：環(huán)境溫度20 ℃±2 ℃（0.1 級(jí)～0.2 級(jí)變送器），20 ℃±5 ℃（0.5 級(jí)～2.5級(jí)變送器）。壓力變送器檢定執(zhí)行的現(xiàn)行規(guī)程JJG 882—2019 《壓力變送器》[2]與JJG 882—2004《壓力變送器》[3]相比，在環(huán)境條件上對(duì)溫場提出了更高的要求。新規(guī)程在準(zhǔn)確度等級(jí)較高儀表的檢定要求的溫度范圍更精確，對(duì)氣體流動(dòng)提出了新的要求（表1）。

表1 新舊壓力變送器檢定規(guī)程中溫度條件要求差異Tab.1 Temperature condition differences between the old and new pressure transmitter verification regulations

1 控溫設(shè)備存在的問題和改造要求

改造前實(shí)驗(yàn)室控溫設(shè)施是立式空調(diào)，放置在實(shí)驗(yàn)室角落。其特點(diǎn)是價(jià)格便宜、維修簡單、調(diào)節(jié)溫度方便。但是在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)具有以下問題：

（1）送風(fēng)方向朝向?qū)嶒?yàn)室對(duì)角，風(fēng)速對(duì)角高邊緣低，產(chǎn)生很強(qiáng)的氣流流動(dòng)。

（2）送風(fēng)方式是固定方向時(shí)，風(fēng)速衰減快，溫度近場高、遠(yuǎn)場底。

（3）送風(fēng)方式是擺動(dòng)時(shí)，造成風(fēng)場周期性變化，射流的擴(kuò)散和混合不好。

上述的原因造成了溫場的不準(zhǔn)確、不均勻且波動(dòng)很大。由于溫場不均勻，造成溫度計(jì)測量的溫度和設(shè)備所在位置的實(shí)際溫度有差別，忽高忽低，常常超出校準(zhǔn)條件允許的范圍，必須要進(jìn)行送風(fēng)方式的改造。

溫場改造除了要滿足檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)環(huán)境溫度的要求外，結(jié)合實(shí)際情況，提出下列要求：

①工作區(qū)溫場要均勻，區(qū)域溫差和室溫波動(dòng)范圍不能過大；②工作區(qū)風(fēng)速均勻而較小，不能產(chǎn)生很強(qiáng)的氣流流動(dòng)；③實(shí)驗(yàn)室處于全封閉環(huán)境，為保證人員呼吸需要，要求單位面積送風(fēng)量比較大。

2 實(shí)驗(yàn)室改造方案和實(shí)際效果

通過研究國內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)室改造的實(shí)例[4-9]，對(duì)側(cè)面送風(fēng)、散流器送風(fēng)、孔板送風(fēng)、噴口送風(fēng)和條縫送風(fēng)等幾種送風(fēng)方式進(jìn)行比較，最終選擇了孔板送風(fēng)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室改造。

孔板送風(fēng)是空氣經(jīng)過開有若干圓形或條縫形小孔的孔板進(jìn)入房間的方式。頂棚上面空間為穩(wěn)壓層，空氣由送風(fēng)管進(jìn)入穩(wěn)壓層后，在靜壓作用下，通過在頂棚上（扣除布置照明燈具的面積）均勻布置孔板，均勻進(jìn)入空調(diào)房間內(nèi)進(jìn)行送風(fēng)，回風(fēng)口均勻布置在房間下部。孔板送風(fēng)氣流流型如圖1所示。

圖1 孔板送風(fēng)氣流流型Fig.1 Airflow pattern of orifice air supply

孔板送風(fēng)方式的特點(diǎn)是射流的擴(kuò)散和混合較好，射流的混合過程很短，溫差和風(fēng)速衰減快，因而工作區(qū)溫度和速度分布均勻。孔板送風(fēng)時(shí)，風(fēng)速均勻而較小，區(qū)域溫差也很小。因此，對(duì)于區(qū)域溫差和工作區(qū)風(fēng)速要求嚴(yán)格、單位面積送風(fēng)量比較大、室溫允許波動(dòng)范圍較小的有恒溫及凈化要求高的空調(diào)房間，宜采用孔板送風(fēng)的方式。改造完成后的孔板實(shí)際圖見圖2。

圖2 改造完成后的孔板實(shí)際效果Fig.2 Actual effect of orifice plate after modification

3 改造效果評(píng)價(jià)和對(duì)測量結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)室改造完成后，經(jīng)過評(píng)定，達(dá)到了所需的效果。離墻0.5 m 外工作區(qū)各測試點(diǎn)溫差均達(dá)到要求。人員多次開門進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室，離門近的測試點(diǎn)溫度略有波動(dòng)，但基本沒有產(chǎn)生明顯氣流。設(shè)備運(yùn)行正常，能很好地控制室內(nèi)溫度一直處于要求范圍內(nèi)，最終測試結(jié)果滿足要求。改造后對(duì)實(shí)驗(yàn)室開展的儀表檢定測量結(jié)果準(zhǔn)確性有著明顯的提升。以溫度實(shí)驗(yàn)室為例，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)溫度變送器進(jìn)行電流輸出測量結(jié)果的不確定度評(píng)定[10]，被校對(duì)象為與鉑熱電阻配用的溫度變送器（帶傳感器）。選用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備如表2所示。

表2 選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備基本信息Tab.2 Basic information of selected standard equipment

3.1 測量模型

溫度變送器示值誤差的測量模型[2]為

式中：ΔI為溫度變送器各被校點(diǎn)的測量誤差，mA；Id為溫度變送器被校點(diǎn)實(shí)際輸出電流的值，mA；Im為溫度變送器的輸出量程，mA；tm為溫度變送器的輸入量程，℃；I0為溫度變送器輸出的理論下限值，mA；t為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測得的溫度值，℃；t0為溫度變送器輸入范圍的下限值，℃。

3.2 測量不確定度來源分析

分析溫度變送器示值誤差的測量模型（1）可以發(fā)現(xiàn)，影響測量誤差的主要因素來自于輸出量Id和輸入量t[3]。

3.2.1 輸出量Id引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Id)的評(píng)定

輸出量Id的不確定度來源主要有兩部分：被測變送器輸出電流的重復(fù)性和多功能過程校驗(yàn)儀MC6的測量誤差。

（1）輸出電流重復(fù)性導(dǎo)致的不確定度u()Id1。在每個(gè)被校點(diǎn)對(duì)變送器進(jìn)行六次重復(fù)測量，取平均值作為測量結(jié)果。則標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類）可以用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)估。本例中以每一被校點(diǎn)變送器輸出值（換算到被校溫度點(diǎn)）單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值s的平均值作為測量結(jié)果，

（2）多功能過程校驗(yàn)儀MC6 的測量誤差引入的不確定度u(Id2)。u(Id2)可根據(jù)上級(jí)校準(zhǔn)證書得到，在量程為0～30 mA 時(shí)，其電流輸入的最大擴(kuò)展不確定度為U=0.000 8 mA，k=2，其區(qū)間半寬α=0.000 8 mA，則

（3）標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Id)的計(jì)算。由于u(Id1) 和u(Id2)彼此相互獨(dú)立，因此

3.2.2 輸入量t的不確定度u(t)的評(píng)定

輸入量t的不確定來源主要是二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻引入的不確定度、恒溫槽引入的不確定度和測溫儀引入的不確定度。

（1）二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻引入的不確定度u(t1) 。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻引入的不確定度主要包括標(biāo)準(zhǔn)器自熱效應(yīng)引入的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)水三相點(diǎn)變化引入的不確定度。

按標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程要求，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)處的自熱不超過4.0 mK，即≤0.004 0 ℃，則其區(qū)間半寬α=0.004 0 ℃，按均勻分布，取，則二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)自熱效應(yīng)引入的不確定度

按標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程要求，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)處的允許變化量為10 mK，即≤±0.010 ℃，則其區(qū)間半寬α=0.010 ℃，按均勻分布，取，則標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)水三相點(diǎn)變化引入的不確定度

二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻引入的不確定度u(t1) 為：

（2）低溫恒溫槽FLUKE7341 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(t2)。恒溫槽引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包括恒溫槽工作區(qū)域溫場均勻性（水平溫差、垂直溫差）引入的不確定度和溫場波動(dòng)性引入的不確定度分量。

根據(jù)低溫恒溫槽FLUKE7341 的校準(zhǔn)證書，-45～150 ℃范圍內(nèi)，最大水平溫差為0.01 ℃，則其區(qū)間半寬α=0.01 ℃，按均勻分布，取，則恒溫槽溫度水平溫差校準(zhǔn)結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)低溫恒溫槽FLUKE7341 的校準(zhǔn)證書，-45～150 ℃范圍內(nèi)，最大垂直溫差為0.02 ℃，則其區(qū)間半寬α=0.02 ℃，按均勻分布，取，則恒溫槽溫度垂直溫差校準(zhǔn)結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

從恒溫槽校準(zhǔn)證書上可以得到，-45～150 ℃范圍內(nèi)，恒溫槽溫場波動(dòng)性為±0.01 ℃/15 min，其區(qū)間半寬α=0.01 ℃，按均勻分布，取則恒溫槽工作區(qū)域溫場波動(dòng)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

則恒溫槽引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u()t2為：

二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)本身非常穩(wěn)定，其讀數(shù)的變化反映的是恒溫槽內(nèi)溫場的變化。改造前用立式空調(diào)控溫時(shí)，由于溫場不穩(wěn)定，導(dǎo)致低溫恒溫槽控溫波動(dòng)性較大，通過標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測量，波動(dòng)達(dá)到±0.03 ℃/15 min。改造后，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)波動(dòng)能穩(wěn)定在±0.01 ℃/15 min 之內(nèi)，波動(dòng)降低了0.02 ℃。改造前后標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 改造前后標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of readings of standard thermometers before and after modification

（3）自動(dòng)測溫電橋FLUKE1529 引入的不確定度u(t3)。自動(dòng)測溫電橋FLUKE1529 校準(zhǔn)證書引入的不確定度U=0.005 ℃，k=2，其區(qū)間半寬，則u(t3)=0.002 5 ℃。

（4）標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(t)的計(jì)算。由于u(t1)、u(t2)和u(t3)彼此相互獨(dú)立，因此

3.3 合成不確定度uc 的評(píng)定

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總結(jié)果如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總Tab.4 Summary of standard uncertainty

3.3.2 合成不確定度的計(jì)算

由于Id和t相互間彼此獨(dú)立，所以合成不確定度可按下式得到

3.4 擴(kuò)展不確定度U 的評(píng)定

被測儀表的測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=2uc=0.006 4 mA，k=2。對(duì)于測量范圍為10～90 ℃的變送器而言，用輸入溫度變量表示時(shí)，

4 結(jié)論

（1）用立式空調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室溫度，給檢定設(shè)備尤其是溫度儀表檢定設(shè)備溫場的穩(wěn)定性和波動(dòng)性造成很大影響，不確定度大大提高，對(duì)整個(gè)測量結(jié)果造成很大影響。

（2）使用孔板送風(fēng)方式，可降低室內(nèi)溫濕度梯度、縮小波動(dòng)范圍[11]，溫差和風(fēng)速衰減快，所以風(fēng)速分布均勻且較小，工作區(qū)溫度區(qū)域溫差也很小。

（3）實(shí)驗(yàn)室改造后，被測儀表的重復(fù)性有了很大的提高。主要原因是孔板送風(fēng)方式降低了區(qū)域溫差和風(fēng)速，減少了擾動(dòng)氣流的影響，使恒溫水浴槽的波動(dòng)性大大降低，波動(dòng)對(duì)比改造之前降低了近0.02 ℃。