工業(yè)過程測量記錄儀的檢定及不確定度分析
作者：廣陸數(shù)測 發(fā)布日期：2013-12-19
工業(yè)過程測量記錄儀的檢定及不確定度分析
內(nèi)容摘要：本文完整地提供了校準實驗室溫度專業(yè)中，工業(yè)過程測量記錄儀的工作原理、計量檢定及示值誤差的不確定度評定規(guī)范。并對工業(yè)過程測量記錄儀的標準不確定度、合成標準不確定度、擴展不確定度的評定以及測量不確定度的報告與表示，給予了明確的論述。
關(guān)鍵詞：工業(yè)過程測量記錄儀、計量檢定、校準、不確定度
前言：溫度是國際單位制中7個基本物理量之一，在生產(chǎn)和科學研究中，許多物理現(xiàn)象和化學過程都是在一定的溫度下進行的。工業(yè)過程測量記錄儀就是一種能夠監(jiān)控溫度等物理量的儀表，它包括自動電位差計、自動平衡電橋、函數(shù)記錄儀以及數(shù)字模擬指示相結(jié)合的混合式記錄儀、無紙記錄儀。該類儀表可用于配熱電偶或熱電阻以測量指示和記錄（存儲）溫度、壓力、真空、流量、物位、氧量、碳量等工業(yè)過程量值。當傳感器或變送器把上述被測量轉(zhuǎn)換成儀表可以接受的電量（如電壓、電流和電阻值）后，該類儀表即可通過對電量的測量來間接反應其它相關(guān)量。同樣，該類儀表也可以直接測量和記錄電阻、直流電流和直流電壓等量值。
本文主要對配熱電偶使用的0.5級工業(yè)過程測量記錄儀的工作原理、計量檢定和不確定度分析進行論述。
一、配熱電偶使用的0.5級工業(yè)過程測量記錄儀的工作原理：
配熱電偶使用的工業(yè)過程測量記錄儀主要用于溫度測量，它不但能實現(xiàn)溫度的自動指示和記錄，而且能實現(xiàn)溫度的自動控制和報警。因此，在機械熱處理行業(yè)中，它已成為爐溫測量與控制的常用儀表。工業(yè)過程測量記錄儀按結(jié)構(gòu)原理可分為自動平衡式和直接驅(qū)動式。按顯示方式可分為模擬、數(shù)字兩種，模擬指示包括指針指示和棒柱、光柱指示，模擬記錄包括劃線記錄和打點記錄，一臺儀表可以是兩種方式的混合。按記錄手段可分為有紙和無紙兩種。按記錄通道可分為單通道和多通道兩種。按附帶功能可分為單顯示和帶位式調(diào)節(jié)等控制作用。
工業(yè)過程測量記錄儀工作原理框圖如圖1所示，它是一個由測量電路、檢零放大器、伺服電極、指示記錄機構(gòu)、滑線電阻組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。具有位式控制作用的儀表還包括設(shè)定機構(gòu)和比較機構(gòu)，比較機構(gòu)將指示值與設(shè)定值進行比較，產(chǎn)生位式控制信號。儀表指示和記錄標尺，按溫度分度時為非線性標尺，其指針的位移量與輸入的電信號呈線性關(guān)系。
工業(yè)過程測量記錄儀的工作原理是：從熱電偶輸入的直流電勢和電橋兩端的直流電壓相比較，比較后的差值電壓（即不平衡電壓）經(jīng)過放大器放大后，輸出足以驅(qū)動可逆電動機之功率?？赡骐妱訖C通過一組傳動系統(tǒng)帶動指示機構(gòu)及其與測量橋路中滑線電阻相接觸的滑動臂，從而改變了滑動臂與滑線電阻的接觸位置，直至測量橋路與熱電偶輸入信號二者平衡為止。此時放大器便無功率輸出，可逆電動機停止轉(zhuǎn)動，橋路處于平衡狀態(tài)。如果熱電偶電動勢再度改變，則又產(chǎn)生新的不平衡電壓，再經(jīng)放大器放大而驅(qū)動可逆電動機，結(jié)果又改變了滑動臂的位置，同樣直至達到新的平衡點位置為止。而與滑動臂相連的指示機構(gòu)沿著有分度的標尺滑行，滑動臂的每一平衡位置相應于標尺上的一定數(shù)值。因此，當橋路處在平衡狀態(tài)時，指示機構(gòu)的指針在標尺上指出一定的溫度數(shù)值。
二、配熱電偶使用的0.5級工業(yè)過程測量記錄儀的計量檢定方法：
1 2005年12月20日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了JJG74—2005《工業(yè)過程測量記錄儀》檢定規(guī)程，并于2006年06月20日開始實施，代替原有的JJG74—1992《自動平衡式顯示儀表》和JJG706—1990《帶位式控制自動平衡式顯示儀表》。檢定時應按照JJG74—2005《工業(yè)過程測量記錄儀》檢定規(guī)程的檢定方法和檢定項目，逐一項目進行檢定。
2 檢定條件：在新實施的檢定規(guī)程中要求，檢定時由標準儀器及配套設(shè)備引入的擴展不確定度（）應不大于被檢儀表最大允許誤差絕對值的1/3。檢定時，環(huán)境溫度為20℃±5℃；相對濕度為45%—75%；供電條件為電源電壓變化不超過額定電壓的±1％。
3 檢定項目：使用中的0.5級工業(yè)過程測量記錄儀屬于后續(xù)檢定的儀表，檢定規(guī)程規(guī)定，要進行指示基本誤差、記錄基本誤差、回程誤差、階躍響應時間、設(shè)定點誤差、切換差、外觀、絕緣電阻的檢定。
4 檢定方法
4.1 按規(guī)定接線：配熱電偶使用的工業(yè)過程測量記錄儀，目前常見的為上海大華儀表廠生產(chǎn)的XWGJ-101型，準確度等級為0.5級，具有參考端自動補償功能。檢定時應采用補償導線法進行檢定。接線示意圖如圖2。
銅導線 補償導線 銅導線
|
被檢 儀表
|
4.2 通電預熱：通電預熱按制造廠說明書中的規(guī)定，具有參考端自動補償?shù)膬x表為30min，并要求在檢定期間30min內(nèi)環(huán)境溫度變化不大于0.5℃。
4.3 檢定點的選澤：檢定點應包括上、下限值在內(nèi)不少于5個點。應在標尺有數(shù)碼的標記上，即主刻度上。
4.4 儀表指示、記錄基本誤差的檢定：檢定時，指示值從下限值開始，用增加輸入信號的辦法，使指示指針依次緩慢的停在各被檢點標尺標記上，直至上限值，分別讀取標準器示值；然后，減小輸入信號依次進行下行程的檢定，直至下限值（上行程時下限值不檢，下行程時上限值不檢）。如此進行一個循環(huán)的檢定。
儀表指示、記錄基本誤差計算公式：
式中：——儀表指示、記錄基本誤差（電量值）；
——儀表被檢點標尺標記對應的標稱電量值（電量值）；
——標準器示值（電量值）；
——補償導線20℃時的修正值（電量值）。
4.5 儀表回程誤差的檢定：儀表在基本誤差的檢定過程中已包含了回差的檢定。
儀表回程誤差計算公式：
式中：——儀表指示、記錄回程誤差（電量值）；
——儀表上行程檢定時標準器示值（電量值）；
——儀表下行程檢定時標準器示值（電量值）。
4.6 儀表階躍響應時間（行程時間）的檢定：分別輸入信號使儀表指針處于標尺10％（上行程時）和標尺90％（下行程）的初始位置上。然后，階躍增加（上行程時）和階躍減少（下行程時）輸入量程80％的階躍信號，同時啟動秒表。當儀表指針到達穩(wěn)定值（其允許為量程的1％）時停止秒表，其間隔時間即為上（下）行程時間。在上、下行程各取三次測量的平均值做為每個方向上的階躍響應時間（行程時間）。
4.7 儀表設(shè)定點誤差的檢定：檢定應在測量范圍的10％、50％和90％附近的設(shè)定點上進行。設(shè)定點應調(diào)整在標尺有數(shù)碼的標記上。劃線記錄儀表應在記錄狀態(tài)下進行檢定；打點記錄儀表應在記錄機構(gòu)停止狀態(tài)下進行檢定。檢定時，從下限值開始逐漸增加輸入信號，使指示值接近設(shè)定點，當繼電器動作、輸出狀態(tài)發(fā)生變化，此時測得的輸入信號值即為上切換值；繼續(xù)增加輸入信號，使指示值超越設(shè)定點，然后逐漸減小輸入信號，使指示值接近設(shè)定點，當繼電器恢復動作、輸出狀態(tài)發(fā)生變化，此時測得的輸入信號值即為下切換值。如此進行一個循環(huán)的檢定。
儀表設(shè)定點誤差計算公式：
式中：——儀表設(shè)定點誤差（電量值）；
——儀表上切換值（電量值）；
——儀表下切換值（電量值）；
——儀表設(shè)定值對應的標稱電量值（電量值）；
——補償導線20℃時的修正值（電量值）。
4.8 儀表切換差的檢定：儀表切換差的檢定與設(shè)定點誤差的檢定同時進行。
儀表切換差計算公式：
式中：——儀表設(shè)定點誤差（電量值）；
——儀表上切換值（電量值）；
——儀表下切換值（電量值）；
4.9 儀表絕緣電阻的檢定：當環(huán)境溫度為15℃～35℃，相對濕度為45％～75％時，在切斷電源的情況下，將電源開關(guān)置接通位置，用絕緣電阻表測量儀表輸入、輸出、電源和接地（外殼）端子相互之間的絕緣電阻應不小于20MΩ。注意，測量時應穩(wěn)定5S后讀數(shù)。
5 檢定結(jié)果的處理：按照規(guī)程要求檢定合格的儀表，出具檢定證書，檢定不合格的儀表，出具檢定結(jié)果通知書。
6 檢定周期：儀表的檢定周期可根據(jù)使用環(huán)境條件、頻繁程度和重要性來確定。一般不超過1年。
三、配熱電偶使用的0.5級工業(yè)過程測量記錄儀示值基本誤差測量結(jié)果的不確定度評定分析
1 概述
1.1 檢定依據(jù)：JJG74－2005《工業(yè)過程測量記錄儀》檢定規(guī)程。
1.2 檢定環(huán)境：溫度（20±5）℃，相對濕度45%～75%RH。
1.3 標準器：溫度/壓力校準器FLUKE 525B。
1.4 檢定對象：（-200－1800）℃范圍內(nèi)配不同類型熱電偶，準確度等級為0.5級以下的工業(yè)過程測量記錄儀。
2 數(shù)學模型：
式中：——儀表的示值基本誤差。（電量值）
——儀表被檢點標尺標記對應的標稱電量值。（電量值）
——標準器示值。（電量值）
——補償導線20℃時的修正值。
3 輸入量的標準不確定度評定
3.1 輸入量的標準不確定度的評定
輸入量的標準不確定度的來源由儀表讀數(shù)機構(gòu)對刻度導致的標準不確定度和測量重復性導致的標準不確定度。
3.1.1 儀表讀數(shù)機構(gòu)對刻度導致的標準不確定度
由儀表讀數(shù)機構(gòu)對刻度導致的讀數(shù)誤差區(qū)間半寬一般為儀表允許誤差的1/20,采用B類方式評定，按均勻分布考慮。
式中：——儀表的準確度等級
——儀表的量程
3.1.2 測量重復性導致的標準不確定度
采用次測量正反行程分開計算（≥5），A類方式評定
3.2 輸入量的標準不確定度的評定
輸入量的不確定度主要來源于溫度/壓力校準器FLUKE 525B的不確定度。
由中國計量科學研究院的校準證書得到溫度/壓力校準器FLUKE 525B的不確定度
因此取，
因被測儀表的分度、測量的溫度不同而變化，計算時應選取相應值。
3.3 輸入量的標準不確定度的評定
輸入量的標準不確定度主要來源為補償導線修正值和冰瓶導致的不確定度。
3.3.1 補償導線的標準不確定度
根據(jù)不同分度號補償導線修正值（20℃）經(jīng)校準的擴展不確定度，求出相應的。采用B類方式進行評定。
3.3.2 冰瓶導致的標準不確定度
冰瓶最大允差為±0.08℃，采用B類方式進行評定，按均勻分布考慮。
可根據(jù)被測儀器的分度值轉(zhuǎn)換成相應電勢值。
3.3.3 輸入量的標準不確定度
由于和彼此相互獨立，因此
4 合成標準不確定度的評定
4.1 靈敏系數(shù)
a數(shù)學模型:
b靈敏系數(shù)：
4.2 合成不確定度的計算
因、、相互彼此獨立，故
5 擴展不確定度的評定
取
6 測量不確定度的報告與表示
以例說明：1100℃時
