熱電阻一體化溫度變送器的傳感器為溫度敏感元件，一般為Pt100，然后通過(guò)導(dǎo)線與溫度變送器相連。從熱電阻測(cè)溫原理可知，被測(cè)溫度的變化是通過(guò)熱電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量的，因此，與熱電阻連接導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測(cè)量帶來(lái)誤差。為了消除導(dǎo)線電阻誤差，滿足測(cè)溫的精度要求，溫度變送器設(shè)計(jì)多種前置電路，所以就有了多種接線制的方法。
熱電阻測(cè)量?jī)x表(溫度指示儀、溫度變送器等)比較常見(jiàn)的前置電路有三線制電橋、四線制測(cè)量法和恒流源法等。導(dǎo)線引入誤差可消除70%～90%。
1、校準(zhǔn)導(dǎo)線誤差形式
熱電阻溫度變送器的校準(zhǔn)通過(guò)外接標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為溫度變送器的輸入信號(hào)。通過(guò)不同的接線形式，可以設(shè)計(jì)不同的形式以減少導(dǎo)線電阻引入的誤差。如二線制時(shí)，可通過(guò)測(cè)量得到導(dǎo)線的阻值，然后在標(biāo)準(zhǔn)電阻箱選取阻值時(shí)減去導(dǎo)線阻值進(jìn)行輸入信號(hào)修正。因校準(zhǔn)時(shí)試驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，環(huán)境溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)電阻箱和導(dǎo)線電阻的溫度變化引起的電阻波動(dòng)可忽略。但是如上文所述，溫度變送器在三線制或四線制時(shí)，前置電路對(duì)導(dǎo)線引入誤差進(jìn)行了修正。校準(zhǔn)溫度變送器時(shí)按照三線制或四線制接線，如仍按二線制時(shí)進(jìn)行阻值修正，必然導(dǎo)致阻值修正過(guò)多。應(yīng)考慮在溫度變送器按三線制或四線制校準(zhǔn)時(shí)，如何進(jìn)行導(dǎo)線誤差修正。
2、校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)
按照實(shí)驗(yàn)室間不同技術(shù)方法比對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)溫度變送器按三線制或四線制制方式(不進(jìn)行導(dǎo)線修正)校準(zhǔn)。以二線制校準(zhǔn)，在對(duì)校準(zhǔn)時(shí)接入導(dǎo)線修正時(shí)作為對(duì)照組，即二線制校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)參考值。按二線制連接標(biāo)準(zhǔn)電阻與溫度變送器進(jìn)行校準(zhǔn)，則電阻模擬信號(hào)不進(jìn)入變送器前置電路，即溫度變送器不參與對(duì)連接導(dǎo)線的修正。此種情況下，通過(guò)測(cè)量連接導(dǎo)線電阻阻值人工在標(biāo)準(zhǔn)電阻箱減去相應(yīng)阻值，對(duì)輸入溫度變送器輸入熱電阻模擬阻值進(jìn)行修正。故修正后的二線制校準(zhǔn)可以認(rèn)為是三線制或四線制校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)參考值。
實(shí)驗(yàn)具體程序：
①選取一臺(tái)熱電阻式溫度變送器(僅變送部分，不含傳感器)，0.2%級(jí)，可通過(guò)智能協(xié)議改變接線方式。
②選取標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為熱電阻阻值模擬輸入儀器。直流電阻箱：0.01～11111.11Ω，0.02級(jí)。
③選取三組連接導(dǎo)線，每組4根，作為電阻箱連接導(dǎo)線。每組4根導(dǎo)線規(guī)格相同，阻值相同。三組導(dǎo)線阻值不同。
④按三線制或四線制線制接線方式連接標(biāo)準(zhǔn)電阻箱與溫度變送器，按標(biāo)準(zhǔn)流程校準(zhǔn)溫度變送器。
⑤按二線制接線方式連接標(biāo)準(zhǔn)電阻箱與溫度變送器，按修正后的阻值校準(zhǔn)溫度變送器。
為了表述清晰，相關(guān)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，僅列出一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 溫度變送器不同線制校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)表
3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
依據(jù)CNAS-GL002:2018《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》，定量結(jié)果統(tǒng)計(jì)量Z比分?jǐn)?shù)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算及評(píng)判(指南中有多種評(píng)價(jià)方法，本文選取Z比分?jǐn)?shù)法，選取原因本文不作深入探討)。
Z比分?jǐn)?shù)由以下公式計(jì)算：Z=(X-Y)/δ(1)，式中：X為參加者結(jié)果，本例為4線試驗(yàn)結(jié)果；Y為指定值，本例為2線試驗(yàn)結(jié)果；δ為能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差，本例通過(guò)溫度變送器相關(guān)規(guī)范及廠家規(guī)格書(shū)確定。0.2級(jí)溫度變送器評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差為0.01。
通過(guò)公式帶入表1中數(shù)據(jù)，得到三線制或四線制試驗(yàn)Z比分?jǐn)?shù)。其中Z4最大=0.61；Z3最大=0.67。
依據(jù)判定公式|Z|≤2，“表明結(jié)果滿意，無(wú)需采取進(jìn)一步措施”。
由Z比分?jǐn)?shù)法判定表明，溫度變送器三線制或四線制導(dǎo)線直接校準(zhǔn)結(jié)果與二線制修正后校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，具有相同結(jié)論，即三線制或四線制導(dǎo)線連接方式下校準(zhǔn)結(jié)果誤差可忽略不計(jì)。同時(shí)由表1數(shù)據(jù)與實(shí)際理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果12.000比較可知，三線制或四線制校準(zhǔn)結(jié)果更加符合校準(zhǔn)預(yù)期結(jié)果。二線制校準(zhǔn)結(jié)果誤差更大，具體原因?yàn)殡m然在校準(zhǔn)時(shí)修正了2根導(dǎo)線的阻值，此阻值修正仍存在較大誤差，同時(shí)連接點(diǎn)阻值誤差仍未修正。所以實(shí)際校準(zhǔn)效果，二線制由于導(dǎo)線誤差的引入，即使人工阻值修正，反而不如三線制或四線制直接校準(zhǔn)的效果。當(dāng)然在三線制或四線制直接校準(zhǔn)時(shí)，連接點(diǎn)的連接誤差仍然存在。
4、結(jié)論
溫度變送器校準(zhǔn)時(shí)，熱電阻接入導(dǎo)線的誤差已通過(guò)變送器的修正模塊加以修正。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，接入導(dǎo)線消除誤差后引入的誤差及不確定度可忽略不計(jì)。在溫度變送器校準(zhǔn)時(shí)，可直接按三線制或四線制方式直接接入導(dǎo)線，然后按照實(shí)際的溫度對(duì)應(yīng)電阻值由標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬輸入電阻，而不需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行修正。為了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及前置電路的特性要求，建議校準(zhǔn)接入導(dǎo)線選取阻值相同，且規(guī)格形式相同的導(dǎo)線。同時(shí)應(yīng)盡量減少導(dǎo)線的數(shù)量，避免導(dǎo)線連接引入誤差；亦即在三線制或四線制方式均可校準(zhǔn)時(shí)，盡量按照三線制型式連接校準(zhǔn)。
作者：(中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司)劉瀟、王宏峰
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