本文為第二屆《中國計量》中青年優(yōu)秀科技論文獎二等獎獲獎文章之一

廣東省計量科學(xué)研究院　吳偉龍

　　熱能表分量檢定中，提高對熱能表配對溫度傳感器的檢定效率及自動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溫度傳感器的檢定及其溫度系數(shù)修正的自動化過程。    

　　一、熱能表配對溫度傳感器自動檢定裝置的系統(tǒng)組成和測量原理

    1.系統(tǒng)組成
    熱能表溫度傳感器自動檢定裝置包括:
    (1)低溫恒溫槽2臺(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(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，使得工作室中的液體能充分循環(huán)，從而保證溫場的均勻性和穩(wěn)定性。最大溫差≤0.01℃，溫度波動度≤0.01℃/15min。
    (3)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表2臺，測溫范圍為-60℃～100℃，分辨力為0.01℃。
    (4)計算機(jī)1臺、AVT溫度自動校正軟件1套、光電讀寫頭60套。
    負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)水槽溫度、待測溫度傳感器電阻，計算修正電阻值，對熱能表溫度傳感器的電阻值進(jìn)行修正。

    2.測量原理
    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，對熱能表的溫度傳感器進(jìn)行檢定。
    為提高熱能表出廠校驗效率，每次可同時檢定熱能表的數(shù)量為60臺。將熱能表分為3組，每組20臺。采用低溫、中溫、高溫3個恒溫槽同時工作的模式，分別將3組熱能表的溫度傳感器放置在3個恒溫槽內(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的3個恒溫槽內(nèi)進(jìn)行溫度的檢定。當(dāng)進(jìn)行配對傳感器溫差檢定時需要4個恒溫槽同時工作，每組熱能表在恒溫槽內(nèi)檢定完畢后，再與另一個恒溫槽內(nèi)的另外一組熱能表交換位置，使得配對傳感器的兩個溫度傳感器能在3個不同的溫差點進(jìn)行檢定。
    當(dāng)恒溫槽內(nèi)的溫度穩(wěn)定后，AVT校驗軟件分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和被檢熱能表的溫度讀數(shù)，通過處理后，分別將每個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校驗軟件再次分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和被檢表的溫度讀數(shù)，并計算出熱能表單支溫度傳感器的誤差和配對溫度傳感器溫差的誤差，這樣便可完成其檢定過程，從而減輕勞動強(qiáng)度，減少人為因素對檢定結(jié)果的影響，最終使其成為智能的熱能表檢定裝置。每個熱能表的溫度修正數(shù)據(jù)和檢定數(shù)據(jù)都將儲存在有關(guān)的數(shù)據(jù)庫中。在需要的時候，可以通過檢驗報告的形式輸出文檔。    

　　二、熱能表溫度傳感器檢定裝置對溫度系數(shù)的自動修正原理

    熱能表溫度傳感器的自動檢定是通過對熱能表溫度系數(shù)的修正來實現(xiàn)的，在3個不同的溫度點分別讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計和被檢熱能表的溫度讀數(shù)，通過計算確定溫度系數(shù)，從而找出熱能表溫度傳感器其溫度與電阻的對應(yīng)關(guān)系，便可實現(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℃時的電阻值；R₀——鉑電阻溫度為0℃時的電阻值；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個不同溫度點T₁、T₂、T₃下進(jìn)行測試，記錄被測鉑電阻的阻值為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應(yīng)關(guān)系，通過AVT溫度校驗軟件計算處理后，由光電接口將相關(guān)的溫度系數(shù)R₀、a、b寫入到每個熱能表中，便完成了修正過程。    

三、熱能表溫度傳感器的自動檢定方法及誤差計算

    1.自動檢定過程
    開啟兩臺標(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。將每個被檢表的計算器固定在測試支架上，每20個表構(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個光電讀寫頭分別放置在熱能表計算器的表面，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)儲存到AVT的數(shù)據(jù)庫中，完成第一個溫度點的檢定。同樣步驟可完成第二個、第三個溫度點的檢定，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，第三個溫度點的檢定數(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t_i、t_i、t_i查普通鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻表得出對應(yīng)的電阻為R_i、R_i、R_i。將上述檢測數(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)，可以計算出0℃～100℃?zhèn)鞲衅餍拚碾娮柚?，?℃～100℃?zhèn)鞲衅鲗?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℃溫度下測量其對應(yīng)的3個電阻值，然后通過計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)行第一個溫度點的檢定。AVT軟件通過光電讀頭自動讀取被檢表的溫度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
    對單支溫度傳感器應(yīng)在6℃、50℃、90℃溫度下檢定其溫度誤差；對配對溫度傳感器應(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臺恒溫槽中，當(dāng)進(jìn)行配對傳感器溫差檢定時4個恒溫槽同時工作，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)行第一個溫度點和溫差點的檢定。AVT軟件通過光電讀頭自動讀取被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)。將有關(guān)的讀數(shù)儲存到AVT的數(shù)據(jù)庫中，作為第一個溫度點和溫差點的檢定數(shù)據(jù)。同樣步驟可確定第二個、第三個溫度點和溫差點的檢定數(shù)據(jù)。通過3個溫度點和溫差點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  熱能表配對溫度傳感器溫差檢定記錄表

   2.檢定結(jié)果誤差計算
    誤差計算方法為，對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)器對應(yīng)溫度值的算術(shù)平均值之差作為傳感器的誤差；對配對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)器對應(yīng)溫度差的算術(shù)平均值之差作為配對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檢定裝置利用AVT校驗軟件通過光電接口的讀寫功能，對熱能表溫度系數(shù)的自動修正和誤差的自動評定來完成對熱能表溫度傳感器的自動檢定，提高了熱能表的生產(chǎn)和檢定效率，實現(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。
    基金項目:廣東省科技基礎(chǔ)條件建設(shè)項目(2008A060205004)。