本文為第二屆《中國計(jì)量》中青年優(yōu)秀科技論文獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)文章之一

廣東省計(jì)量科學(xué)研究院　吳偉龍

　　熱能表分量檢定中，提高對(duì)熱能表配對(duì)溫度傳感器的檢定效率及自動(dòng)化程度將直接影響熱能表生產(chǎn)廠家的工作效率。本文介紹熱能表配對(duì)溫度傳感器的檢定及其溫度系數(shù)修正的自動(dòng)化過程。    

　　一、熱能表配對(duì)溫度傳感器自動(dòng)檢定裝置的系統(tǒng)組成和測(cè)量原理

    1.系統(tǒng)組成
    熱能表溫度傳感器自動(dòng)檢定裝置包括:
    (1)低溫恒溫槽2臺(tái)(具有制冷及加熱雙重功能)，溫度范圍為0℃～95℃。
    (2)標(biāo)準(zhǔn)水槽2臺(tái)(具有加熱功能)，溫度范圍為5℃～95℃，AT100標(biāo)準(zhǔn)水槽采用雙槽體結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽由不銹鋼材料制成，攪拌系統(tǒng)為直接傳動(dòng)，使得工作室中的液體能充分循環(huán)，從而保證溫場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性。最大溫差≤0.01℃，溫度波動(dòng)度≤0.01℃/15min。
    (3)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表2臺(tái)，測(cè)溫范圍為-60℃～100℃，分辨力為0.01℃。
    (4)計(jì)算機(jī)1臺(tái)、AVT溫度自動(dòng)校正軟件1套、光電讀寫頭60套。
    負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)水槽溫度、待測(cè)溫度傳感器電阻，計(jì)算修正電阻值，對(duì)熱能表溫度傳感器的電阻值進(jìn)行修正。

    2.測(cè)量原理
    根據(jù)JJG225-2001《熱能表》檢定規(guī)程和CJ128-2007《熱量表》建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本裝置采用熱能表分量檢定法，對(duì)熱能表的溫度傳感器進(jìn)行檢定。
    為提高熱能表出廠校驗(yàn)效率，每次可同時(shí)檢定熱能表的數(shù)量為60臺(tái)。將熱能表分為3組，每組20臺(tái)。采用低溫、中溫、高溫3個(gè)恒溫槽同時(shí)工作的模式，分別將3組熱能表的溫度傳感器放置在3個(gè)恒溫槽內(nèi)，并插入到規(guī)定的深度，每組熱能表分別需要在不同溫度點(diǎn)的3個(gè)恒溫槽內(nèi)進(jìn)行溫度的檢定。當(dāng)進(jìn)行配對(duì)傳感器溫差檢定時(shí)需要4個(gè)恒溫槽同時(shí)工作，每組熱能表在恒溫槽內(nèi)檢定完畢后，再與另一個(gè)恒溫槽內(nèi)的另外一組熱能表交換位置，使得配對(duì)傳感器的兩個(gè)溫度傳感器能在3個(gè)不同的溫差點(diǎn)進(jìn)行檢定。
    當(dāng)恒溫槽內(nèi)的溫度穩(wěn)定后，AVT校驗(yàn)軟件分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和被檢熱能表的溫度讀數(shù)，通過處理后，分別將每個(gè)熱能表的溫度修正系數(shù)通過光電接口寫入到相應(yīng)熱能表中。然后，AVT校驗(yàn)軟件再次分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和被檢表的溫度讀數(shù)，并計(jì)算出熱能表單支溫度傳感器的誤差和配對(duì)溫度傳感器溫差的誤差，這樣便可完成其檢定過程，從而減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為因素對(duì)檢定結(jié)果的影響，最終使其成為智能的熱能表檢定裝置。每個(gè)熱能表的溫度修正數(shù)據(jù)和檢定數(shù)據(jù)都將儲(chǔ)存在有關(guān)的數(shù)據(jù)庫中。在需要的時(shí)候，可以通過檢驗(yàn)報(bào)告的形式輸出文檔。    

　　二、熱能表溫度傳感器檢定裝置對(duì)溫度系數(shù)的自動(dòng)修正原理

    熱能表溫度傳感器的自動(dòng)檢定是通過對(duì)熱能表溫度系數(shù)的修正來實(shí)現(xiàn)的，在3個(gè)不同的溫度點(diǎn)分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和被檢熱能表的溫度讀數(shù)，通過計(jì)算確定溫度系數(shù)，從而找出熱能表溫度傳感器其溫度與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)其檢定過程。
    溫度系數(shù)的修正方法如下:
    普通鉑電阻其溫度與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系式為
    R_T=R₀(1+AT+BT²)  (1)
    式中:R_T——鉑電阻溫度為T℃時(shí)的電阻值；R₀——鉑電阻溫度為0℃時(shí)的電阻值；A、B——常數(shù)。
    現(xiàn)作變換，令a=R₀A、b=R₀B，則由式(1)可得
    R_T=R₀+aT+bT²  (2)
    為求解式(2)，將熱能表的溫度傳感器放入恒溫槽內(nèi)，在3個(gè)不同溫度點(diǎn)T₁、T₂、T₃下進(jìn)行測(cè)試，記錄被測(cè)鉑電阻的阻值為R₁、R₂、R₃，并將其分別代入式(2)，可得
    R₀+aT₁+bT₁²=R₁
    R₀+aT₂+bT₂²=R₂
    R₀+aT₃+bT₃²=R₃
    矩陣式為:
    求解可得:
    其中:
    D=(T₃-T₂)T₁²-(T₃-T₁)T₂²+(T₂-T₁)T₃²
    D₁=(T₂T₃²-T₂²T₃)R₁-(T₁T₃²-T₁²T₃)R₂+(T₁T₂²-T₁²T₂)R₃
    D₂=(T₂²-T₃²)R₁+(T₃²-T₁²)R₂-(T₂²-T₁²)R₃
    D₃=(T₃-T₂)R₁-(T₃-T₁)R₂+(T₂-T₁)R₃
    然后，根據(jù)式(2)可知熱能表溫度傳感器其溫度與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過AVT溫度校驗(yàn)軟件計(jì)算處理后，由光電接口將相關(guān)的溫度系數(shù)R₀、a、b寫入到每個(gè)熱能表中，便完成了修正過程。    

三、熱能表溫度傳感器的自動(dòng)檢定方法及誤差計(jì)算

    1.自動(dòng)檢定過程
    開啟兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器插入恒溫槽中。將每個(gè)被檢表的計(jì)算器固定在測(cè)試支架上，每20個(gè)表構(gòu)成1組，共分為3組(為了方便說明，被檢表分為①、②、③3組)。把這些被檢表的溫度傳感器用扎帶捆綁成同一高度之后，放入不同溫度的恒溫槽中。插入的深度與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器的深度一致。將20個(gè)光電讀寫頭分別放置在熱能表計(jì)算器的表面，并保證讀寫頭與光電讀頭的連接有效。熱能表溫度傳感器的自動(dòng)檢定過程分以下兩步進(jìn)行:和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)T₁，將有關(guān)的讀數(shù)儲(chǔ)存到AVT的數(shù)據(jù)庫中，完成第一個(gè)溫度點(diǎn)的檢定。同樣步驟可完成第二個(gè)、第三個(gè)溫度點(diǎn)的檢定，檢定數(shù)據(jù)為被檢表的溫度t_i和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)T₂，第三個(gè)溫度點(diǎn)的檢定數(shù)據(jù)為被檢表的溫度和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)T₃。由溫度點(diǎn)t_i、t_i、t_i查普通鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻表得出對(duì)應(yīng)的電阻為R_i、R_i、R_i。將上述檢測(cè)數(shù)據(jù)代入式(2)可得
    R₀+aT₁+bT₁²=R_i
    R₀+aT₂+bT₂²=R_i
    R₀+aT₃+bT₃²=R_i
    這樣可解出R₀、a、b的值從而能解出式(2)的表達(dá)式。再根據(jù)式(2)，可以計(jì)算出0℃～100℃?zhèn)鞲衅餍拚碾娮柚?，?℃～100℃?zhèn)鞲衅鲗?duì)應(yīng)的修正電阻值下載到熱能表后，就完成了溫度的修正過程。熱能表溫度系數(shù)修正的檢定記錄表如表1所示。
    3213213212

    (1)第一步:溫度系數(shù)的修正
    溫度系數(shù)的修正選取在6℃、50℃、90℃溫度下測(cè)量其對(duì)應(yīng)的3個(gè)電阻值，然后通過計(jì)算來確定其修正系數(shù)。①、②、③3組被檢表分別放到不同溫度(6℃、50℃、90℃)的3臺(tái)恒溫槽中，各組被檢表與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器應(yīng)放置在同一恒溫槽的同一工作區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行第一個(gè)溫度點(diǎn)的檢定。AVT軟件通過光電讀頭自動(dòng)讀取被檢表的溫度t_i1

 表1  熱能表溫度系數(shù)修正檢定記錄表

    (2)第二步:熱能表溫度傳感器的檢定
    對(duì)單支溫度傳感器應(yīng)在6℃、50℃、90℃溫度下檢定其溫度誤差；對(duì)配對(duì)溫度傳感器應(yīng)在3℃、15℃、60℃的溫差下檢定其溫差的誤差。①、②、③3組被檢表分別放到不同溫度的3臺(tái)恒溫槽中，當(dāng)進(jìn)行配對(duì)傳感器溫差檢定時(shí)4個(gè)恒溫槽同時(shí)工作，各組被檢表與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度傳感器應(yīng)放置在同一恒溫槽的同一工作區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行第一個(gè)溫度點(diǎn)和溫差點(diǎn)的檢定。AVT軟件通過光電讀頭自動(dòng)讀取被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)。將有關(guān)的讀數(shù)儲(chǔ)存到AVT的數(shù)據(jù)庫中，作為第一個(gè)溫度點(diǎn)和溫差點(diǎn)的檢定數(shù)據(jù)。同樣步驟可確定第二個(gè)、第三個(gè)溫度點(diǎn)和溫差點(diǎn)的檢定數(shù)據(jù)。通過3個(gè)溫度點(diǎn)和溫差點(diǎn)的檢定便完成了熱能表溫度傳感器的檢定過程。
    熱能表單支溫度傳感器溫度誤差檢定表如表2所示，熱能表配對(duì)溫度傳感器溫差檢定表如表3所示。    

 表2  熱能表單支溫度傳感器溫度誤差檢定記錄表    

表3  熱能表配對(duì)溫度傳感器溫差檢定記錄表

   2.檢定結(jié)果誤差計(jì)算
    誤差計(jì)算方法為，對(duì)單支溫度傳感器的檢定，取被檢傳感器顯示溫度的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)溫度值的算術(shù)平均值之差作為傳感器的誤差；對(duì)配對(duì)溫度傳感器溫差的檢定，取兩次被檢傳感器顯示溫度之差的算術(shù)平均值與兩次標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)溫度差的算術(shù)平均值之差作為配對(duì)溫度傳感器溫差的誤差。    

　　四、結(jié)束語

    熱能表溫度傳感器自動(dòng)檢定裝置利用AVT校驗(yàn)軟件通過光電接口的讀寫功能，對(duì)熱能表溫度系數(shù)的自動(dòng)修正和誤差的自動(dòng)評(píng)定來完成對(duì)熱能表溫度傳感器的自動(dòng)檢定，提高了熱能表的生產(chǎn)和檢定效率，實(shí)現(xiàn)了熱能表溫度傳感器的批量檢定和有效監(jiān)管。該方法特別適合具有大批量生產(chǎn)和檢定任務(wù)的熱能表生產(chǎn)廠家。
    基金項(xiàng)目:廣東省科技基礎(chǔ)條件建設(shè)項(xiàng)目(2008A060205004)。