工业过程测量记录仪的检定及不确定度分析
作者：广陆数测 发布日期：2013-12-19
工业过程测量记录仪的检定及不确定度分析
内容摘要：本文完整地提供了校准实验室温度专业中，工业过程测量记录仪的工作原理、计量检定及示值误差的不确定度评定规范。并对工业过程测量记录仪的标准不确定度、合成标准不确定度、扩展不确定度的评定以及测量不确定度的报告与表示，给予了明确的论述。
关键词：工业过程测量记录仪、计量检定、校准、不确定度
前言：温度是国际单位制中7个基本物理量之一，在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的。工业过程测量记录仪就是一种能够监控温度等物理量的仪表，它包括自动电位差计、自动平衡电桥、函数记录仪以及数字模拟指示相结合的混合式记录仪、无纸记录仪。该类仪表可用于配热电偶或热电阻以测量指示和记录（存储）温度、压力、真空、流量、物位、氧量、碳量等工业过程量值。当传感器或变送器把上述被测量转换成仪表可以接受的电量（如电压、电流和电阻值）后，该类仪表即可通过对电量的测量来间接反应其它相关量。同样，该类仪表也可以直接测量和记录电阻、直流电流和直流电压等量值。
本文主要对配热电偶使用的0.5级工业过程测量记录仪的工作原理、计量检定和不确定度分析进行论述。
一、配热电偶使用的0.5级工业过程测量记录仪的工作原理：
配热电偶使用的工业过程测量记录仪主要用于温度测量，它不但能实现温度的自动指示和记录，而且能实现温度的自动控制和报警。因此，在机械热处理行业中，它已成为炉温测量与控制的常用仪表。工业过程测量记录仪按结构原理可分为自动平衡式和直接驱动式。按显示方式可分为模拟、数字两种，模拟指示包括指针指示和棒柱、光柱指示，模拟记录包括划线记录和打点记录，一台仪表可以是两种方式的混合。按记录手段可分为有纸和无纸两种。按记录通道可分为单通道和多通道两种。按附带功能可分为单显示和带位式调节等控制作用。
工业过程测量记录仪工作原理框图如图1所示，它是一个由测量电路、检零放大器、伺服电极、指示记录机构、滑线电阻组成的闭环控制系统。具有位式控制作用的仪表还包括设定机构和比较机构，比较机构将指示值与设定值进行比较，产生位式控制信号。仪表指示和记录标尺，按温度分度时为非线性标尺，其指针的位移量与输入的电信号呈线性关系。
工业过程测量记录仪的工作原理是：从热电偶输入的直流电势和电桥两端的直流电压相比较，比较后的差值电压（即不平衡电压）经过放大器放大后，输出足以驱动可逆电动机之功率。可逆电动机通过一组传动系统带动指示机构及其与测量桥路中滑线电阻相接触的滑动臂，从而改变了滑动臂与滑线电阻的接触位置，直至测量桥路与热电偶输入信号二者平衡为止。此时放大器便无功率输出，可逆电动机停止转动，桥路处于平衡状态。如果热电偶电动势再度改变，则又产生新的不平衡电压，再经放大器放大而驱动可逆电动机，结果又改变了滑动臂的位置，同样直至达到新的平衡点位置为止。而与滑动臂相连的指示机构沿着有分度的标尺滑行，滑动臂的每一平衡位置相应于标尺上的一定数值。因此，当桥路处在平衡状态时，指示机构的指针在标尺上指出一定的温度数值。
二、配热电偶使用的0.5级工业过程测量记录仪的计量检定方法：
1 2005年12月20日，国家质量监督检验检疫总局发布了JJG74—2005《工业过程测量记录仪》检定规程，并于2006年06月20日开始实施，代替原有的JJG74—1992《自动平衡式显示仪表》和JJG706—1990《带位式控制自动平衡式显示仪表》。检定时应按照JJG74—2005《工业过程测量记录仪》检定规程的检定方法和检定项目，逐一项目进行检定。
2 检定条件：在新实施的检定规程中要求，检定时由标准仪器及配套设备引入的扩展不确定度（）应不大于被检仪表最大允许误差绝对值的1/3。检定时，环境温度为20℃±5℃；相对湿度为45%—75%；供电条件为电源电压变化不超过额定电压的±1％。
3 检定项目：使用中的0.5级工业过程测量记录仪属于后续检定的仪表，检定规程规定，要进行指示基本误差、记录基本误差、回程误差、阶跃响应时间、设定点误差、切换差、外观、绝缘电阻的检定。
4 检定方法
4.1 按规定接线：配热电偶使用的工业过程测量记录仪，目前常见的为上海大华仪表厂生产的XWGJ-101型，准确度等级为0.5级，具有参考端自动补偿功能。检定时应采用补偿导线法进行检定。接线示意图如图2。
铜导线 补偿导线 铜导线
|
被检 仪表
|
4.2 通电预热：通电预热按制造厂说明书中的规定，具有参考端自动补偿的仪表为30min，并要求在检定期间30min内环境温度变化不大于0.5℃。
4.3 检定点的选泽：检定点应包括上、下限值在内不少于5个点。应在标尺有数码的标记上，即主刻度上。
4.4 仪表指示、记录基本误差的检定：检定时，指示值从下限值开始，用增加输入信号的办法，使指示指针依次缓慢的停在各被检点标尺标记上，直至上限值，分别读取标准器示值；然后，减小输入信号依次进行下行程的检定，直至下限值（上行程时下限值不检，下行程时上限值不检）。如此进行一个循环的检定。
仪表指示、记录基本误差计算公式：
式中：——仪表指示、记录基本误差（电量值）；
——仪表被检点标尺标记对应的标称电量值（电量值）；
——标准器示值（电量值）；
——补偿导线20℃时的修正值（电量值）。
4.5 仪表回程误差的检定：仪表在基本误差的检定过程中已包含了回差的检定。
仪表回程误差计算公式：
式中：——仪表指示、记录回程误差（电量值）；
——仪表上行程检定时标准器示值（电量值）；
——仪表下行程检定时标准器示值（电量值）。
4.6 仪表阶跃响应时间（行程时间）的检定：分别输入信号使仪表指针处于标尺10％（上行程时）和标尺90％（下行程）的初始位置上。然后，阶跃增加（上行程时）和阶跃减少（下行程时）输入量程80％的阶跃信号，同时启动秒表。当仪表指针到达稳定值（其允许为量程的1％）时停止秒表，其间隔时间即为上（下）行程时间。在上、下行程各取三次测量的平均值做为每个方向上的阶跃响应时间（行程时间）。
4.7 仪表设定点误差的检定：检定应在测量范围的10％、50％和90％附近的设定点上进行。设定点应调整在标尺有数码的标记上。划线记录仪表应在记录状态下进行检定；打点记录仪表应在记录机构停止状态下进行检定。检定时，从下限值开始逐渐增加输入信号，使指示值接近设定点，当继电器动作、输出状态发生变化，此时测得的输入信号值即为上切换值；继续增加输入信号，使指示值超越设定点，然后逐渐减小输入信号，使指示值接近设定点，当继电器恢复动作、输出状态发生变化，此时测得的输入信号值即为下切换值。如此进行一个循环的检定。
仪表设定点误差计算公式：
式中：——仪表设定点误差（电量值）；
——仪表上切换值（电量值）；
——仪表下切换值（电量值）；
——仪表设定值对应的标称电量值（电量值）；
——补偿导线20℃时的修正值（电量值）。
4.8 仪表切换差的检定：仪表切换差的检定与设定点误差的检定同时进行。
仪表切换差计算公式：
式中：——仪表设定点误差（电量值）；
——仪表上切换值（电量值）；
——仪表下切换值（电量值）；
4.9 仪表绝缘电阻的检定：当环境温度为15℃～35℃，相对湿度为45％～75％时，在切断电源的情况下，将电源开关置接通位置，用绝缘电阻表测量仪表输入、输出、电源和接地（外壳）端子相互之间的绝缘电阻应不小于20MΩ。注意，测量时应稳定5S后读数。
5 检定结果的处理：按照规程要求检定合格的仪表，出具检定证书，检定不合格的仪表，出具检定结果通知书。
6 检定周期：仪表的检定周期可根据使用环境条件、频繁程度和重要性来确定。一般不超过1年。
三、配热电偶使用的0.5级工业过程测量记录仪示值基本误差测量结果的不确定度评定分析
1 概述
1.1 检定依据：JJG74－2005《工业过程测量记录仪》检定规程。
1.2 检定环境：温度（20±5）℃，相对湿度45%～75%RH。
1.3 标准器：温度/压力校准器FLUKE 525B。
1.4 检定对象：（-200－1800）℃范围内配不同类型热电偶，准确度等级为0.5级以下的工业过程测量记录仪。
2 数学模型：
式中：——仪表的示值基本误差。（电量值）
——仪表被检点标尺标记对应的标称电量值。（电量值）
——标准器示值。（电量值）
——补偿导线20℃时的修正值。
3 输入量的标准不确定度评定
3.1 输入量的标准不确定度的评定
输入量的标准不确定度的来源由仪表读数机构对刻度导致的标准不确定度和测量重复性导致的标准不确定度。
3.1.1 仪表读数机构对刻度导致的标准不确定度
由仪表读数机构对刻度导致的读数误差区间半宽一般为仪表允许误差的1/20,采用B类方式评定，按均匀分布考虑。
式中：——仪表的准确度等级
——仪表的量程
3.1.2 测量重复性导致的标准不确定度
采用次测量正反行程分开计算（≥5），A类方式评定
3.2 输入量的标准不确定度的评定
输入量的不确定度主要来源于温度/压力校准器FLUKE 525B的不确定度。
由中国计量科学研究院的校准证书得到温度/压力校准器FLUKE 525B的不确定度
因此取，
因被测仪表的分度、测量的温度不同而变化，计算时应选取相应值。
3.3 输入量的标准不确定度的评定
输入量的标准不确定度主要来源为补偿导线修正值和冰瓶导致的不确定度。
3.3.1 补偿导线的标准不确定度
根据不同分度号补偿导线修正值（20℃）经校准的扩展不确定度，求出相应的。采用B类方式进行评定。
3.3.2 冰瓶导致的标准不确定度
冰瓶最大允差为±0.08℃，采用B类方式进行评定，按均匀分布考虑。
可根据被测仪器的分度值转换成相应电势值。
3.3.3 输入量的标准不确定度
由于和彼此相互独立，因此
4 合成标准不确定度的评定
4.1 灵敏系数
a数学模型:
b灵敏系数：
4.2 合成不确定度的计算
因、、相互彼此独立，故
5 扩展不确定度的评定
取
6 测量不确定度的报告与表示
以例说明：1100℃时
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