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專注航空、新能源汽車等新興行業(yè)溫度傳感器的研發(fā)及制造
如何校準(zhǔn)溫度傳感器
溫度測量是過程工業(yè)中最常見的測量之一。
每個溫度測量回路都有一個溫度傳感器 作為回路中 的第一個組件。因此，這一切都始于溫度傳感器。溫度傳感器對整個溫度測量回路的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。
作為任何您想要準(zhǔn)確的測量儀器，溫度傳感器也需要定期校準(zhǔn)。如果您不在乎準(zhǔn)確性，為什么要測量溫度？
維連將介紹 如何校準(zhǔn)溫度傳感器 以及 校準(zhǔn)溫度傳感器時應(yīng)考慮的最常見事項(xiàng)是 什么。
什么是溫度傳感器？
顧名思義，溫度傳感器是一種可以用來測量溫度的儀器。它有一個與應(yīng)用溫度成正比的輸出信號。當(dāng)傳感器的溫度發(fā)生變化時，輸出也會相應(yīng)發(fā)生變化。
有各種溫度傳感器具有不同的輸出信號。有些具有電阻輸出，有些具有電壓信號，有些具有數(shù)字信號等等。
實(shí)際上，在工業(yè)應(yīng)用中，來自溫度傳感器的信號通常連接到溫度變送器，該變送器會將信號轉(zhuǎn)換為更易于長距離傳輸?shù)母袷?，然后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)（DCS、SCADA）。標(biāo)準(zhǔn)的 4 到 20 mA 信號已經(jīng)使用了幾十年，因?yàn)殡娏餍盘柨梢詡鬏敻h(yuǎn)的距離，并且即使沿著電線存在一些電阻，電流也不會改變。現(xiàn)在采用數(shù)字信號甚至無線信號的發(fā)射器。
總之，要測量溫度，所使用的測量元件是溫度傳感器。
測量溫度傳感器輸出
由于大多數(shù)溫度傳感器都有電輸出，因此顯然需要以某種方式測量該輸出。話雖如此，您需要有一個測量設(shè)備來測量例如輸出、電阻或電壓。
測量設(shè)備通常顯示電量（電阻、電壓），而不是溫度。因此，有必要知道如何將該電信號轉(zhuǎn)換為溫度值。
大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器都有國際標(biāo)準(zhǔn)，指定如何使用表格或公式計算電氣/溫度轉(zhuǎn)換。如果您使用的是非標(biāo)準(zhǔn)傳感器，則可能需要從傳感器制造商處獲取該信息。
還有一些測量裝置可以將溫度傳感器信號直接顯示為溫度。這些設(shè)備還測量電信號（電阻、電壓）并在內(nèi)部編寫傳感器表（或多項(xiàng)式/公式），因此它們將其轉(zhuǎn)換為溫度。例如，溫度校準(zhǔn)器通常支持過程工業(yè)中使用的最常見的 RTD（電阻溫度檢測器）和熱電偶 (T/C) 傳感器。
那么如何校準(zhǔn)溫度傳感器呢？
在我們討論校準(zhǔn)溫度傳感器時要考慮的各種事項(xiàng)之前，讓我們先看看一般原則。
首先，由于溫度傳感器測量溫度，因此您需要有一個已知溫度才能將傳感器浸入其中以進(jìn)行校準(zhǔn)。不可能“模擬”溫度，但 您必須使用溫度源創(chuàng)建真實(shí)溫度 。
您可以生成準(zhǔn)確的溫度，也可以使用校準(zhǔn)的參考溫度傳感器來測量生成的溫度。例如，您可以將參考傳感器和要校準(zhǔn)的傳感器插入液浴（最好是攪拌的）中，然后您可以在該溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。或者，可以使用所謂的干塊溫度源。
例如，使用攪拌冰浴為 0 °C (32°F) 點(diǎn)校準(zhǔn)提供了非常好的精度。
對于工業(yè)和專業(yè)校準(zhǔn)，通常使用溫度浴或干塊。這些可以通過編程將溫度加熱或冷卻到某個設(shè)定點(diǎn)。
在某些工業(yè)應(yīng)用中，通常的做法是定期更換溫度傳感器，而不是定期校準(zhǔn)傳感器。
如何校準(zhǔn)溫度傳感器——需要考慮的事項(xiàng)
讓我們開始深入研究溫度傳感器的實(shí)際校準(zhǔn)以及需要考慮的不同事項(xiàng)......
1 - 處理溫度傳感器
不同的傳感器具有不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和不同的機(jī)械魯棒性。
最準(zhǔn)確的 SPRT（標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計）傳感器，用作溫度實(shí)驗(yàn)室的參考傳感器，非常脆弱。我們的溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室人員說，如果 SPRT 接觸某物而您可以聽到任何聲音，則必須在進(jìn)一步使用之前檢查傳感器。
幸運(yùn)的是，大多數(shù)工業(yè)溫度傳感器都很堅固，可以正常處理。有一些工業(yè)傳感器非常堅固，可以承受相當(dāng)粗暴的處理。
但是，如果您不確定應(yīng)該校準(zhǔn)的傳感器的結(jié)構(gòu)，那么安全總比抱歉好。
像處理 SPRT 一樣處理任何傳感器永遠(yuǎn)不會錯。
除了機(jī)械沖擊之外，溫度的快速變化可能會阻礙傳感器并損壞它或影響精度。
熱電偶通常不如 RTD 探頭靈敏。
2 - 準(zhǔn)備工作
通常沒有那么多準(zhǔn)備工作，但有一些事情需要考慮。首先，進(jìn)行目視檢查，以查看傳感器是否正常，并確保它沒有彎曲或損壞，以及電線是否正常。
外部污染可能是一個問題，因此最好了解傳感器的使用位置以及測量的介質(zhì)類型。您可能需要在校準(zhǔn)前清潔傳感器，尤其是在您計劃使用液體浴進(jìn)行校準(zhǔn)時。
可以在校準(zhǔn)之前測量 RTD 傳感器的絕緣電阻。這是為了確保傳感器沒有損壞，并且傳感器與機(jī)箱之間的絕緣足夠高。絕緣電阻下降會導(dǎo)致測量錯誤，并且是傳感器損壞的跡象。
3 - 溫度源
如前所述， 您需要有一個溫度源 來校準(zhǔn)溫度傳感器。只是無法模擬溫度。
對于工業(yè)用途，溫度干燥塊是最常用的。它既方便又便攜，并且通常足夠準(zhǔn)確。
對于更高的精度需求，可以使用液體浴。無論如何，這通常不容易攜帶，但可以在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。
對于零攝氏度，通常使用攪拌冰浴。它非常簡單且價格合理，但為零點(diǎn)提供了良好的準(zhǔn)確性。
為了獲得最準(zhǔn)確的溫度，正在使用定點(diǎn)電池。這些非常準(zhǔn)確，但也非常昂貴。這些主要用于準(zhǔn)確（和認(rèn)可）的溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。
4 - 參考溫度傳感器
溫度是由上一章提到的一些熱源產(chǎn)生的。顯然，您需要非常準(zhǔn)確地了解熱源的溫度。干塊和液體浴提供測量溫度的內(nèi)部參考傳感器。但是為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，您應(yīng)該使用一個單獨(dú)的準(zhǔn)確參考溫度傳感器，該傳感器插入與要校準(zhǔn)的傳感器相同的溫度。這種參考傳感器將更準(zhǔn)確地測量要校準(zhǔn)的傳感器正在測量的溫度。
自然地，參考傳感器應(yīng)該具有有效的可追溯校準(zhǔn)。發(fā)送參考傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)比發(fā)送整個溫度源更容易（如果您始終只校準(zhǔn)參考傳感器而不校準(zhǔn)溫度塊，也最好記住溫度塊的溫度梯度）。
至于熱力學(xué)特性，參考傳感器應(yīng)與要校準(zhǔn)的傳感器盡可能相似，以確保它們在溫度變化期間表現(xiàn)相同。
參考傳感器和要校準(zhǔn)的傳感器應(yīng)浸入溫度源中相同的深度。通常，所有傳感器都浸入干燥塊的底部。對于非常短的傳感器，它會變得更加困難，因?yàn)樗鼈冎粫⒂邢薜纳疃冉霚囟仍粗校鷳?yīng)該確保您的參考傳感器浸入的深度相同。在某些情況下，這需要使用專用的短參考傳感器。
使用定點(diǎn)單元，您不需要任何參考傳感器，因?yàn)闇囟仁腔谖锢憩F(xiàn)象的，并且其性質(zhì)非常準(zhǔn)確。
5 - 測量溫度傳感器輸出信號
大多數(shù)溫度傳感器具有需要測量并轉(zhuǎn)換為溫度的電輸出（電阻或電壓）。因此，您需要有一些用于測量的設(shè)備。一些溫度源還為傳感器提供測量通道，包括被測設(shè)備 (DUT) 和參考。
如果您測量電輸出，則需要使用國際標(biāo)準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)換為溫度。在大多數(shù)工業(yè)情況下，您將使用可以為您進(jìn)行轉(zhuǎn)換的測量設(shè)備，因此您可以方便地查看溫度單位（攝氏度或華氏度）中的信號。
無論您使用什么方法進(jìn)行測量，請確保您了解設(shè)備的準(zhǔn)確性和不確定性，并確保其具有有效的可追溯校準(zhǔn)。
6 - 浸入深度
浸入深度（將傳感器插入溫度源的深度）是校準(zhǔn)溫度傳感器時的一項(xiàng)重要考慮因素。
我們的溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室人員在使用攪拌液體浴時給出了以下經(jīng)驗(yàn)法則：
1% 精度 - 浸入 5 個直徑 + 傳感元件的長度
0.01% 精度 - 浸入 10 個直徑 + 傳感元件的長度
0.0001% 精度 - 浸入 15 個直徑 + 傳感元件的長度
攪拌式液體浴中的熱傳導(dǎo)比干塊中的好，并且所需的浸入深度更小。
對于干塊，Euramet 建議您浸入傳感器直徑加上傳感器元件長度的 15 倍。因此，如果您有一個直徑為 6 毫米的傳感器，里面有一個 40 毫米的元件，則將其浸入（6 毫米 x 15 + 40 毫米）130 毫米。
有時很難知道實(shí)際元件在傳感器內(nèi)部的長度，但應(yīng)在傳感器規(guī)格中提及。
此外，您應(yīng)該知道傳感器元件的位置（它并不總是在傳感器的最尖端）。
待校準(zhǔn)傳感器和參考傳感器應(yīng)浸入相同深度，使實(shí)際傳感器元件的中點(diǎn)處于相同深度。
當(dāng)然，對于非常短的傳感器，不可能將它們浸入很深。這是校準(zhǔn)短傳感器時不確定性高的原因之一。
7 - 穩(wěn)定
請記住，溫度傳感器始終測量自己的溫度！
溫度變化非常緩慢，您應(yīng)該始終等待足夠長的時間以使所有部件穩(wěn)定到目標(biāo)溫度。當(dāng)您將傳感器插入某個溫度時，在傳感器的溫度達(dá)到該溫度并穩(wěn)定之前總是需要一些時間。
您的參考傳感器和要校準(zhǔn)的傳感器 (DUT) 可能具有非常不同的熱力學(xué)特性，尤其是當(dāng)它們在機(jī)械上不同時。
通常與溫度校準(zhǔn)相關(guān)的最大不確定性之一可能是校準(zhǔn)完成得太快。
如果您最常校準(zhǔn)類似類型的傳感器，那么進(jìn)行一些類型測試以了解這些傳感器的行為是明智的。
8 - 溫度傳感器手柄
傳感器手柄部分，或過渡結(jié)，通常會限制它的熱度。如果加熱太熱，傳感器可能會損壞。確保您了解您校準(zhǔn)的傳感器的規(guī)格。
如果在高溫下校準(zhǔn)，建議使用溫度防護(hù)罩保護(hù)傳感器手柄。
9 - 校準(zhǔn)溫度范圍
對于溫度傳感器，通常不會校準(zhǔn)傳感器的整個溫度范圍。
范圍的最頂端是您在校準(zhǔn)時應(yīng)該小心的東西。例如，如果在過高的溫度下校準(zhǔn) RTD 傳感器，它可能會永久漂移。
此外，傳感器溫度范圍的最冷點(diǎn)可能難以校準(zhǔn)/成本高昂。
因此，建議校準(zhǔn)傳感器將要使用的溫度范圍。
10 - 校準(zhǔn)點(diǎn)
在工業(yè)標(biāo)定中，需要選取足夠多的標(biāo)定點(diǎn)，才能看出傳感器是線性的。通常在整個范圍內(nèi)校準(zhǔn) 3 到 5 個點(diǎn)就足夠了。
根據(jù)傳感器類型，如果您知道傳感器可能不是線性的，您可能需要獲取更多點(diǎn)。
如果校準(zhǔn)鉑傳感器并計劃根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果計算系數(shù)，則需要在合適的溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)才能計算系數(shù)。鉑傳感器最常見的系數(shù)是 ITS-90 和 Callendar van Dusen 系數(shù)。對于熱敏電阻，可以使用 Steinhart-Hart 系數(shù)。
在經(jīng)認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)傳感器時，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的最小不確定度來選擇點(diǎn)。
11 - 調(diào)整/微調(diào)溫度傳感器
不幸的是，大多數(shù)溫度傳感器無法調(diào)整或微調(diào)。因此，如果您發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)錯誤，則無法對其進(jìn)行調(diào)整。相反，您需要使用系數(shù)來校正傳感器的讀數(shù)。
在某些情況下，您可以補(bǔ)償溫度測量回路其他部分（變送器或 DCS）中的傳感器誤差。
其他需要考慮的事項(xiàng)
文檔
與任何校準(zhǔn)一樣，溫度傳感器校準(zhǔn)需要記錄在校準(zhǔn)證書中。
可追溯性
在校準(zhǔn)中，所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)必須對國家標(biāo)準(zhǔn)或等效標(biāo)準(zhǔn)具有有效的可追溯性。的 可追溯性應(yīng)各自具有規(guī)定不確定度校準(zhǔn)的連續(xù)鏈。
不確定
與校準(zhǔn)一樣，溫度傳感器校準(zhǔn)也是如此， 您應(yīng)該了解校準(zhǔn)過程的總不確定性。 在溫度校準(zhǔn)中，校準(zhǔn)過程（您進(jìn)行校準(zhǔn)的方式）很容易成為總不確定度中最大的不確定度分量。
自動校準(zhǔn)
溫度校準(zhǔn)始終是一個非常緩慢的操作，因?yàn)闇囟茸兓徛?，您需要等待穩(wěn)定。如果您可以自動執(zhí)行溫度校準(zhǔn)，您將受益匪淺。校準(zhǔn)仍然需要很長時間，但如果它是自動化的，你就不需要在那里等待。
這自然會為您節(jié)省時間和金錢。電話/微信18717811268 黃工 郵箱 [email protected]
