概述

• 溫度測量是過程工業(yè)中最為常見的測量之 一，其中每個溫度測量回路都以回路中的第一個部件溫度傳感器為起始，其對整個溫度測量回路的精度起著至關(guān)重要的作用。
• 作為任何追求更高精確度的測量儀器而言，溫度傳感器也需要定期校準(zhǔn)。如果不關(guān)心溫度的準(zhǔn)確性，那么測量溫度也就失去了意義。

在這篇文章中，我們將詳解如何校準(zhǔn)溫度傳感器，以及在校準(zhǔn)過程中普遍應(yīng)該考慮哪些影響因素？

什么是溫度傳感器？

讓我們從基礎(chǔ)開始討論什么是溫度傳感器：

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)用溫度成比例的輸出信號，當(dāng)傳感器的溫度發(fā)生變化時，輸出也會相應(yīng)變化。

市場中存在具有不同輸出信號的各種類型的溫度傳感器，可能具有電阻輸出、電壓信號或數(shù)字信號等等。

在實際工業(yè)應(yīng)用中，來自溫度傳感器的信號通常會連接到溫度變送器，溫度變送器再將信號轉(zhuǎn)換為更容易在更長距離內(nèi)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng) （DCS、SCADA）的格式。標(biāo)準(zhǔn)的4到20mA信號已經(jīng)使用了幾十年，因為其電流信號可以傳輸更長的距離，即使導(dǎo)線上會產(chǎn)生電阻，電流也不會改變。而現(xiàn)如今，帶有數(shù)字信號甚至無線信號的變送器已被普遍采用。

無論如何，為了測量溫度，溫度傳感器是用戶不可或缺的測量元件。

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。例如，您需要一個測量設(shè)備來測量輸出、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)，規(guī)定了如何使用表格或公式計算電氣/溫度轉(zhuǎn)換。如果您有一個非標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，您可能需要從傳感器制造商那里獲得信息。

還有可以將溫度傳感器信號直接顯示為溫度的測量設(shè)備。這些設(shè)備還能測量電信號（電阻、 電壓），并在內(nèi)部編寫傳感器表（或多項式/公 式），以便將其轉(zhuǎn)換為溫度。例如，溫度校驗儀通常支持過程工業(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)溫度傳感器時需要考慮的各種因素之前，讓我們先來了解一下一般原理。

首先，由于溫度傳感器可測量溫度，您需要有一個已知的溫度來將傳感器浸入其中進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然不可能完全“模擬”溫度，但必須使用溫度源創(chuàng)建真實的溫度。

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待校準(zhǔn)的傳感器插入液槽 （最好是攪拌槽）中，然后在該溫度點進(jìn)行校準(zhǔn)。或者，可以使用所謂的干體爐溫度源， 例如，使用攪拌冰液槽為0°C（32°F）點校準(zhǔn)，就提供了相當(dāng)好的精度。

對于工業(yè)和專業(yè)校準(zhǔn)而言，通常使用恒溫液槽或干體爐。這些可以被編程為將溫度加熱或冷卻到特定的設(shè)定點。

此外，在一些工業(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

讓我們開始深入研究溫度傳感器的實際校準(zhǔn)以及需要考慮的不同事項 。

01 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。 在溫度實驗室中用作參考傳感器的最精確的SPRT（標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計）傳感器非常脆弱。我們的溫度校準(zhǔn)實驗室人員表示，一旦SPRT接觸到什么東西使您聽到聲音，那么在進(jìn)一步使用之前必須重新檢查傳感器。

幸運的是，大多數(shù)工業(yè)溫度傳感器都很堅固， 能夠在正常操作中保持完好無損。甚至有一些工業(yè)傳感器可以承受相當(dāng)粗糙的處理。

但是，如果您不確定應(yīng)該校準(zhǔn)的傳感器的結(jié)構(gòu)，那么還是秉持安全第一的理念，把任何傳感器都當(dāng)作SPRT來處理是更具保障的。

除了機(jī)械沖擊之外，溫度的快速變化也可能對傳感器造成損壞或影響精度，熱電偶通常不如RTD探針靈敏。

02 準(zhǔn)備

在實際操作中，通常沒有那么多的準(zhǔn)備工作，但需要考慮一些事情。首先，進(jìn)行目視檢查，以查看傳感器是否正常，并確保其沒有彎曲或損壞，以及導(dǎo)線是否正常。

外部污染可能會成為問題，所以最好知道傳感器在哪里使用，以及它測量的是何種介質(zhì)。您可能需要在校準(zhǔn)前清潔傳感器，特別是當(dāng)您計劃使用液槽進(jìn)行校準(zhǔn)的時候。

RTD傳感器的絕緣電阻可以在校準(zhǔn)前進(jìn)行測量。這是為了確保傳感器沒有損壞，并且傳感器和機(jī)箱之間的絕緣層足夠高。絕緣電阻下降可能導(dǎo)致測量誤差，這是傳感器損壞的跡象。

03 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，只是不可能模擬溫度。

出于工業(yè)目的，溫度干體爐是最常用的，它方便易攜，而且通常足夠準(zhǔn)確。

而出于對更高精度的需求，可以使用液槽，但平常不容易攜帶，適宜在實驗室條件下使用。

對于零攝氏度，通常可使用攪拌冰液槽，操作簡單，價格合理，卻提供了良好的零點精度。

為了獲得最精確的溫度，需要使用固定點容器。這些容器非常準(zhǔn)確但也昂貴，主要用于精確（和獲得認(rèn)證）的溫度校準(zhǔn)實驗室。

04 參考溫度傳感器

溫度是由上一章中提到的一些熱源產(chǎn)生的。在操作中，您需要知道非常精確的熱源的溫度。干體爐和液槽提供了一個內(nèi)部參考傳感器來測量溫度。但為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，推薦使用一個單獨的精確參考溫度傳感器，將其插入與待校準(zhǔn)的傳感器相同的溫度中。這種參考傳感器將更準(zhǔn)確地測量待校準(zhǔn)傳感器正在測量的溫度。

當(dāng)然，參考傳感器應(yīng)進(jìn)行有效的可追溯校準(zhǔn)。對參考傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)比對整個溫度源更容易 （如果總是只校準(zhǔn)參考傳感器而不校準(zhǔn)溫度干體爐，請記住溫度干體爐的溫度梯度也十分有效）。

至于熱力學(xué)特性，與待校準(zhǔn)的傳感器相比，參考傳感器應(yīng)盡可能相似，以確保它們在溫度變化期間表現(xiàn)一致。

參考傳感器和待校準(zhǔn)的傳感器應(yīng)浸入溫度源的相同深度。通常，所有傳感器都將浸入干體爐的底部。對于非常短的傳感器，這會變得更加困難，因為它們只能浸入溫度源的有限深度， 并且您需要確保參考傳感器浸入同樣的深度。在某些情況下，這需要使用專用的短參考傳感器。

而使用定點容器，您不需要任何參考傳感器，因為溫度是基于物理現(xiàn)象的，本質(zhì)上具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性。

05 測量溫度傳感器輸出信號

大多數(shù)溫度傳感器都有一個需要測量并轉(zhuǎn)換為溫度的電輸出（電阻或電壓）。所以，您需要一些設(shè)備來進(jìn)行測量。一些溫度源還為被測器件 （DUT）和參考傳感器提供了測量渠道。

如果要測量電輸出，您需要使用國際標(biāo)準(zhǔn)將其轉(zhuǎn)換為溫度。在大多數(shù)工業(yè)情況下，您可以使用一個可以為您進(jìn)行轉(zhuǎn)換的測量設(shè)備，這樣您就能夠輕松地看到溫度單位（攝氏度或華氏 度）的信號。

無論您使用什么方法進(jìn)行測量，都要確保您了解設(shè)備的準(zhǔn)確度和不確定度，并確保設(shè)備具有有效的可追溯校準(zhǔn)。

06 浸入深度

在校準(zhǔn)溫度傳感器時，浸入深度（將傳感器插入溫度源的深度）是一個重要考慮因素。

我們的溫度校準(zhǔn)實驗室人員在使用攪拌液槽時給出了這條經(jīng)驗法則：

• 1%的精度-浸入5個直徑+傳感元件的長度
• 0.01%精度-浸入10個直徑+傳感元件長度
• 0.0001%精度-浸入15個直徑+傳感元件長度

在攪拌的液槽中的熱傳導(dǎo)相比在干體爐中更好， 并且所需的浸沒深度更小。

對于干體爐，Euramet建議您應(yīng)將傳感器直徑的 15倍與傳感器元件的長度相加。因此，如果您有一個內(nèi)部有40毫米的元件的直徑6毫米的傳感器，您可以把它浸入130毫米的深度（6 x 15毫 米+40毫米）。

有時很難知道傳感器內(nèi)的實際元件有多長，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 總是在傳感器的尖端），這是由于待校準(zhǔn)的傳感器和參考傳感器需浸入相同的深 度，以使實際傳感器元件的中點處于相同的深度。

當(dāng)然，對于非常短的傳感器，不可能將它們浸入很深的液體中。這是校準(zhǔn)短傳感器時不確定性大的原因之一。

07 穩(wěn)定化

請記住，溫度傳感器始終用于測量自己的溫度！

其溫度變化非常緩慢，您需要等待足夠長的時間，以使所有零件穩(wěn)定到目標(biāo)溫度。當(dāng)您將傳感器插入某個溫度時，傳感器的溫度總是需要經(jīng)歷一段時間才能達(dá)到該溫度并穩(wěn)定下來。

您的參考傳感器和待校準(zhǔn)傳感器（DUT）可能具有非常不同的熱力學(xué)特性，特別是如果它們有不同的機(jī)械屬性。

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)過快完成。

如果您經(jīng)常校準(zhǔn)相近類型的傳感器，那么明智的做法是進(jìn)行一些類型測試來了解這些傳感器的運行機(jī)制。

08 溫度傳感器手柄

傳感器手柄部分或過渡接頭的溫度通常有一定的限制。如果溫度過高，傳感器可能會損壞，請確保您了解所校準(zhǔn)傳感器的規(guī)格。

如果在高溫下進(jìn)行校準(zhǔn)，建議使用溫度護(hù)罩來保護(hù)傳感器手柄。

09 校準(zhǔn)溫度范圍

對于溫度傳感器，不在整個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)是很常見的。

在校準(zhǔn)過程中，應(yīng)注意量程的最高點。例如，在過高的溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)，RTD傳感器可能會永久漂移。

此外，傳感器溫度范圍的最冷點可能難以進(jìn)行校準(zhǔn)，或者需要投入較高成本進(jìn)行校準(zhǔn)。

因此，建議對傳感器將要使用的溫度范圍進(jìn)行校準(zhǔn)。

10 校準(zhǔn)點

在工業(yè)校準(zhǔn)中，您需要選擇足夠的校準(zhǔn)點，以確保傳感器是線性的。通常，在整個范圍內(nèi)校準(zhǔn)3到5個點就足夠了。

根據(jù)傳感器類型，如果您知道傳感器可能不是線性的，則可能需要獲得更多的點。

如果您校準(zhǔn)鉑傳感器，并計劃根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果計算系數(shù)，則需要在適當(dāng)?shù)臏囟赛c進(jìn)行校準(zhǔn)，以便能夠計算系數(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)。

當(dāng)傳感器在認(rèn)證實驗室中校準(zhǔn)時，也可以根據(jù)實驗室的最小不確定度來選擇點。

11 調(diào)整/調(diào)校溫度傳感器

不幸的是，大多數(shù)溫度傳感器都無法調(diào)整或調(diào)校。因此，如果您在校準(zhǔn)中發(fā)現(xiàn)錯誤，無法進(jìn)行調(diào)整，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。

其他注意事項

文檔化

與其他校準(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，使用的參考標(biāo)準(zhǔn)必須具有國家標(biāo)準(zhǔn)或同等標(biāo)準(zhǔn)的有效可追溯性。可追溯性應(yīng)該是一個完整的校準(zhǔn)鏈，每個校準(zhǔn)鏈都有規(guī)定的不確定度。

不確定度

在校準(zhǔn)中，以及在溫度傳感器校準(zhǔn)中，您應(yīng)該了解校準(zhǔn)過程的總不確定度。在溫度校準(zhǔn)中， 校準(zhǔn)過程（校準(zhǔn)方式）很容易成為總不確定度中最大的不確定度分量。

自動化校準(zhǔn)

溫度校準(zhǔn)歷來是一個相當(dāng)緩慢的操作過程，因為溫度變化緩慢，您需要等待穩(wěn)定。如果您能自動進(jìn)行溫度校準(zhǔn)將會受益匪淺。盡管校準(zhǔn)仍然需要很長時間，但實現(xiàn)自動化意味著您不需要原地等待，從而節(jié)省寶貴的時間和金錢。此外，當(dāng)進(jìn)行自動化校準(zhǔn)時，您可以確保校準(zhǔn)始終以相同的方式進(jìn)行，提高準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

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