在线温度变送器（配热电阻）的校准方法研究和不确定度评定
发布时间：2019-06-24 发布作者：
根据 JJF1183-2007《温度变送器校准规范》，本文对其校准方法进行了研究与试验，并对测量结果进行了不确定度评定，确认其可靠性与准确性。
一、校准系统的组成和功能
1. 测量环境
温度：（20±5）℃；相对湿度：45%~75%。
2. 测量对象
配热电阻温度变送器，分度号为 Pt100，测量范围为 0~200℃，输出范围为（4~20）mA，准确度等级为 0.5 级。
3. 标准器及其他设备
0.01 级直流电阻箱 ZX74，其主要技术指标如表 1 所示。西门子 CPU 模块 315-2 DP 及西门子编程软件 STEP7 V5.5。 西门子模拟量输入模块 SM331，AI8×12 位。
4. 测量原理
温度变送器主要由传感单元和信号转化器组成。其中，传感单元连接 0.01 级直流电阻箱，信号转化器连接西门子模拟量输入模块 SM331，根据温度与电流的线性关系，通过 PLC 通信至上位机，然后由STEP7 编程软件将（4~20）mA 的电流信号转化为变送器的测量范围 0~200℃实时显示测得的温度，并与标准温度作比较，得到测量结果。
5. 测量方法
从 0℃开始逐步增大输入信号，分别给变送器输入各被检点温度所对应的电阻值，读取上位机相应的显示值，直至 200℃。然后减小输入信号，分别给变送器输入各被检点温度所对应的电阻值，读取上位机相应的指示值，直至 0℃。
6. 测量过程
根据 JJF1183-2007，校准点的选择应按量程均匀分布，一般应包括上限值、下限值和量程 50% 附近在内不少于 5 个点。所以，本次校准点选为 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃。如此作为一个循环，以三个循环测量的平均值计算输出误差，作为测量结果。在到达测量点时，信号的输入应尽量缓慢，避免过冲。
二、测量模型
1. 测量模型
假设被测点对应的实际温度值为 t x ，被测点温度的标称值为 t n ，则被测点温度值的误差可表示为
三、不确定度来源分析与评定
1.温度变送器输出值引入的不确定度分量 u（t x ）采用 A 类方法评定变送器输出值引入的不确定度分量 u 1 （t x ）。取变送器上限点 200℃，由直流电阻箱输出相应的标称电阻值 175.86Ω，进行 10 次重复测量，具体数据（单位：℃）分别为199.8463、199.8477、199.8541、199.8530、199.8551、199.8588、199.8607、199.8625、199.8604、199.8529。
用 相同的 方 法，在 温 度 变 送 器 0℃、50℃、
100℃、150℃四个点得到相应的u（t x ）分别为0.0015℃、0.0016℃、0.0019℃、0.0021℃。
上 位 机 温 度 显 示 的 分 辨 力 为0.0001℃，分辨力所引入的不确定度分量远小于重复性引入的不确定度分量，所以不考虑分辨力引入的不确定度。
2. 直流电阻箱引入的不确定度分量 u（R n ）
采用 B 类方 法 评 定直流电阻 箱引入的不确定度分 量 u（R n ），由表 1 可知，ZX74 直流电阻箱在 0~200℃的较大允许误差为±0.04℃，按均匀分布考虑，包含因子 k= ，则
得出直流电阻箱引起的不确定度分量u（R n ）在变送器 0℃、50℃、100℃、150℃、200℃五个点均为 0.023℃。
3. 合成标准不确定度的评定
由式（2）可以计算出变送器各温度点的不确定度 u c ，如表 2 所示。
4. 扩展不确定度的评定
根据 U=ku c ，取 k=2，得到
温度变送器（配热电阻）输出值误差的测量结果不确定度报告，如表 3所示。
四、结语
由计算结果可以看出，用直流电阻箱校准上位机直接显示的温度变送器（配
热电阻）测量结果中，直流电阻箱的较大允许误差是该方法不确定度的主要来源。准确度等级为 0.5 级，测量范围为 0~200℃的温度变送器较大允许误差为±1℃，而测量结果的不确定度为 0.12℃，小于较大允许误差绝对值的1/3，满足要求。
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