BG/T 32204-2015《工業(yè)過程校準(zhǔn)器》技術(shù)指標(biāo)解讀

吳　丹　黃　莉/ . 寧波市計(jì)量測(cè)試研究院；.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

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BG/T 32204-2015《工業(yè)過程校準(zhǔn)器》技術(shù)指標(biāo)解讀

吳丹1黃莉2/ 1. 寧波市計(jì)量測(cè)試研究院；2.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0　引言

為統(tǒng)一我國工業(yè)過程校準(zhǔn)器的生產(chǎn)制造，規(guī)范產(chǎn)品性能要求和檢驗(yàn)方法，全國工業(yè)過程測(cè)量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)工業(yè)在線校準(zhǔn)方法分技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC124/SC7）根據(jù)2012年國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃起草了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32204-2015《工業(yè)過程校準(zhǔn)器》。本文主要對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析和解讀。

1　工業(yè)過程校準(zhǔn)器

在工業(yè)生產(chǎn)和控制過程中，常見的工業(yè)過程信號(hào)有溫度、壓力、真空、流量、物位、氧量、碳量、振動(dòng)量等，傳感器或變送器把上述信號(hào)轉(zhuǎn)換成儀表可接受的工業(yè)過程參數(shù)，進(jìn)而顯示或控制工業(yè)過程信號(hào)。常見的工業(yè)過程參數(shù)有：電流4~20 mA、0~20 mA；電壓0~5 V、0~10 V、1~5 V；電阻0 ~10 kΩ左右、脈沖 1.0 Hz~50 kHz等。工業(yè)過程校準(zhǔn)器（以下簡(jiǎn)稱校準(zhǔn)器）是既可輸出又可測(cè)量工業(yè)過程參數(shù)的儀器，它提供變送器電源，使現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)各類熱工儀表更加便利；它通常用來代替工業(yè)過程信號(hào)，以便模擬工業(yè)系統(tǒng)工況或診斷故障部件；它也被用作科研院所實(shí)驗(yàn)室信號(hào)輸出和測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)器。

2　GB/T 32204-2015的通用要求

該國標(biāo)充分考慮了國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，本著科學(xué)性、先進(jìn)性、可操作性及與國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則制定校準(zhǔn)器的通用要求，因此其通用要求是校準(zhǔn)器需滿足工業(yè)過程測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的最基本要求，對(duì)超出工業(yè)過程參數(shù)范圍的輸出及測(cè)量能力，例如大于10 V量程的輸出、交流電壓測(cè)量、大于25 V的直流電壓測(cè)量功能等及現(xiàn)場(chǎng)總線、人際互交等可以通過嵌入式技術(shù)或軟件可實(shí)現(xiàn)的許多功能不作要求。

GB/T 32204-2015對(duì)校準(zhǔn)器的定義：工業(yè)過程校準(zhǔn)器是同時(shí)具有輸出和測(cè)量功能的儀器，可以輸出直流電壓、直流電流、電阻、頻率、熱電偶模擬信號(hào)、熱電阻模擬信號(hào)等；還可以測(cè)量直流電壓、直流電流、電阻、頻率、熱電偶信號(hào)、熱電阻信號(hào)等。該定義描述了校準(zhǔn)器最基本的、必須具備的功能。

GB/T 32204-2015第七章規(guī)定了校準(zhǔn)器的通用要求，包括外觀、功能、技術(shù)要求、電磁兼容、供電電源等五個(gè)條款。技術(shù)要求是最基本的要求，技術(shù)要求包含五個(gè)方面的內(nèi)容：與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)、帶負(fù)載能力、過負(fù)載能力、輸入阻抗、不同影響量的技術(shù)要求，其中與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)最為核心。

3　與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)

GB/T 32204-2015推薦的技術(shù)指標(biāo)為產(chǎn)品最低技術(shù)指標(biāo)，它既考慮到國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)水平及生產(chǎn)能力，又考慮到滿足現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的量傳要求。與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)由輸出技術(shù)指標(biāo)及測(cè)量技術(shù)指標(biāo)組成，用輸出或測(cè)量范圍、分辨力、最大允許誤差三個(gè)參數(shù)來共同描述。直流電壓及電阻的技術(shù)指標(biāo)為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其輸出及測(cè)量的準(zhǔn)確度決定了溫度模擬信號(hào)的輸出及測(cè)量的準(zhǔn)確度。

校準(zhǔn)器的溫度模擬信號(hào)包括熱電偶模擬信號(hào)（mV輸出）及熱電阻模擬信號(hào)（Ω輸出），通過查分度表或數(shù)學(xué)運(yùn)算把過程參數(shù)（mV或Ω）轉(zhuǎn)換成溫度模擬信號(hào)輸出；同樣校準(zhǔn)器通過測(cè)量熱電偶、熱電阻的（mV或Ω）信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量溫度信號(hào)。

常用工業(yè)用熱電偶按分度號(hào)主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種；常用工業(yè)用熱電阻主要有工業(yè)鉑電阻Pt100、Pt1000及工業(yè)銅電阻Cu50、Cu100。每種分度號(hào)的熱電偶及熱電阻均有相應(yīng)的國家檢定規(guī)程，檢定規(guī)程規(guī)定了相應(yīng)的計(jì)量性能要求。GB/T 32204-2015推薦：校準(zhǔn)器模擬熱電偶技術(shù)指標(biāo)至少應(yīng)滿足常用工業(yè)用熱電偶技術(shù)指標(biāo)的要求，模擬熱電阻技術(shù)指標(biāo)至少應(yīng)滿足常用工業(yè)鉑電阻技術(shù)指標(biāo)的要求。

4　與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的確定

4.1直流電壓輸出及熱電偶模擬信號(hào)技術(shù)指標(biāo)的確定

直流電壓輸出準(zhǔn)確度決定了熱電偶溫度模擬信號(hào)的準(zhǔn)確度，也可以說熱電偶計(jì)量性能要求決定了直流電壓輸出必須達(dá)到的準(zhǔn)確度。從各熱電偶檢定規(guī)程的計(jì)量性能要求可看出：Ⅰ級(jí)工作用貴金屬熱電偶技術(shù)指標(biāo)要求最高。貴金屬熱電偶的特點(diǎn)是適合測(cè)量高溫，相同溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)比較小，靈敏度高，塞貝克系數(shù)dV/dt小，因此校準(zhǔn)器直流毫伏輸出信號(hào)準(zhǔn)確度如能滿足工業(yè)用Ⅰ級(jí)貴金屬S分度熱電偶要求，就能滿足常用工業(yè)用熱電偶的要求。

從常用熱電偶分度表可知，所有熱電偶在其測(cè)溫范圍內(nèi)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不大于100 mV。為了保證或提高熱電偶模擬信號(hào)的準(zhǔn)確度，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作特點(diǎn)，一般校準(zhǔn)器直流電壓最小輸出量程以100 mV、分辨力1 μV為合理。下面以Ⅰ級(jí)貴金屬S分度熱電偶為例加以說明：

JJG 141-2000《工業(yè)用貴金屬熱電偶》規(guī)定，0 ℃時(shí)S分度熱電偶的熱電勢(shì)為0 mV，塞貝克系數(shù)dV/dt=5.403 μV/℃（參考端溫度為0 ℃）。要滿足檢定規(guī)程規(guī)定的允差值±1 ℃的要求，即要求校準(zhǔn)器0 mV輸出時(shí)最大允許誤差不大于5.403 μV（此參數(shù)說明了校準(zhǔn)器分辨力不能大于1 μV)校準(zhǔn)器的最大允許誤差，用式（1）表示：

式中：a —— 與讀數(shù)有關(guān)的誤差系數(shù)；

b —— 與滿量程有關(guān)的誤差系數(shù)

從式（1）可看出，要使校準(zhǔn)器0 mV輸出時(shí)最大允許誤差不大于5.403 μV，確定系數(shù)b=0.005比較合理。b系數(shù)確定后，校準(zhǔn)器輸出的最大允許誤差隨著讀數(shù)的增大而增大，也即隨著測(cè)量端溫度的升高而增大，S分度熱電偶在1 600 ℃時(shí)的熱電勢(shì)為16.777 mV，塞貝克系數(shù)dV/dt = 11.851 μV/℃（參考端溫度為0 ℃），此時(shí)要滿足允差值±1℃的要求，需︱a%×16.777 + 0.005%×100︳≤11.851 μV，得出a取值應(yīng)小于0.04。數(shù)字儀表在定義a系數(shù)和b系數(shù)時(shí)，要求a/b至少大于3，最好大于5，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，考慮到大多數(shù)國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)水平，a/b值取3~5為合理。由此，取a/b=4時(shí)，確定系數(shù)a=0.02。其他量程的技術(shù)指標(biāo)與0~100 mV的技術(shù)指標(biāo)相同即可，因?yàn)檫@樣選取從生產(chǎn)技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)。a系數(shù)和b系數(shù)確定以后，熱電偶模擬信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)根據(jù)熱電偶的分度值、不同溫度點(diǎn)的塞貝克系數(shù)即可分段確定其最大允許誤差，轉(zhuǎn)換成溫度值后保留一位小數(shù)。直流電壓輸出技術(shù)指標(biāo)如表1所示（熱電偶技術(shù)指標(biāo)略）。

表1　直流電壓輸出技術(shù)指標(biāo)

4.2電阻輸出及熱電阻模擬信號(hào)技術(shù)指標(biāo)的確定

用同樣的方法確定電阻模擬信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)。熱電阻計(jì)量性能要求決定了電阻輸出必須達(dá)到的準(zhǔn)確度。國內(nèi)常用的熱電阻傳感器為Pt100、Cu50等。工業(yè)鉑、銅熱電阻在工作范圍內(nèi)的電阻值一般不大于400 Ω。為了提高校準(zhǔn)器輸出準(zhǔn)確度及方便使用，校準(zhǔn)器電阻輸出最小量程定400 Ω為合理,因顯示窗口與電壓輸出相同，故分辨力已確定為0.01 Ω。

以Pt100為例來說明a系數(shù)、b系數(shù)的確定方法：JJG 229-2010《工業(yè)鉑、熱電阻》規(guī)定，常用工業(yè)用A級(jí)鉑電阻最大允許誤差：±（0.150 + 0.002︱t︳)℃,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值為：檢定點(diǎn)R0允許誤差±0.059 Ω，R100允許誤差±0.133 Ω（這兩項(xiàng)指標(biāo)說明分辨力為0.01 Ω已滿足需求），則可得到：

因a、b系數(shù)始終為正數(shù)，所以必須

a%×100 < 0.059

a%×138.506 < 0.133

b%×400 < 0.059

b%×400 < 0.133，即

a < 0.059

b < 0.01475

按a、b的取值規(guī)定可得出組合：

a = 0.05 b = 0.01；

a = 0.04 b = 0.01；

a = 0.03 b = 0.01

此三種組合均不滿足式（2）的要求，而以下多種組合均滿足式（2）、（3）的要求：

a = 0.03 b = 0.005；

a = 0.02 b = 0.005；

a = 0.02 b = 0.004；

a = 0.01 b = 0.005；

…

按照技術(shù)指標(biāo)最基本要求及系數(shù)優(yōu)選原則，選定a = 0.02、b = 0.005更合理。電阻的輸出技術(shù)指標(biāo)確定后，熱電阻模擬信號(hào)技術(shù)指標(biāo)可根據(jù)分度表或鉑電阻的溫度計(jì)算公式分段給出溫度值并保留一位小數(shù)，電阻輸出技術(shù)指標(biāo)如表2所示（熱電阻技術(shù)指標(biāo)略）。

表2　電阻輸出技術(shù)指標(biāo)

4.3直流電流輸出技術(shù)指標(biāo)的確定

直流電流信號(hào)用來模擬變送器輸出信號(hào)。變送器種類很多，常用的有壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器、電量變送器等，其共同的特點(diǎn)是輸出信號(hào)是0~20 mA或4~20 mA的直流電流信號(hào)，各類變送器計(jì)量性能要求決定了電流輸出必須達(dá)到的準(zhǔn)確度。例如檢定規(guī)程JJG 882-2004《壓力變送器》要求壓力變送器的最大允許誤差為輸出量程的±0.05%；校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1183-2007《溫度變送器》要求溫度變送器最大允許誤差為輸出量程的±0.1%等。這兩類變送器基本反映了變送器的計(jì)量性能要求。校準(zhǔn)器作為一個(gè)整體，在電壓輸出及電阻輸出技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到△=±（0.02%×讀數(shù)+0.005%×滿量程）的情況下，電流輸出信號(hào)達(dá)到上述技術(shù)指標(biāo)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)來說不是困難的事情，且該技術(shù)指標(biāo)完全能滿足變送器的計(jì)量性能要求。直流電流輸出技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3　直流電流輸出技術(shù)指標(biāo)

4.4頻率輸出技術(shù)指標(biāo)的確定

校準(zhǔn)器頻率輸出功能可提供脈沖信號(hào)、方波信號(hào)，以支持流量?jī)x表測(cè)試等，這些對(duì)頻率輸出準(zhǔn)確度要求不高。轉(zhuǎn)速傳感器、震動(dòng)傳感器等感應(yīng)到的信號(hào)均為頻率信號(hào)，頻率大都在1.0 Hz~5 kHz范圍，個(gè)別能達(dá)到50 kHz，峰值一般在0.1~10 V，幅頻特性一般在2%~30%之間，波形大部分為方波，少數(shù)為正弦波。校準(zhǔn)器通常用來代替這些工業(yè)信號(hào)，以便模擬系統(tǒng)工況或判定系統(tǒng)某個(gè)故障部件等。振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器技術(shù)指標(biāo)的著重點(diǎn)是線性度、平坦度，對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求不高，而國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)水平已經(jīng)很高。為了統(tǒng)一表達(dá)，其輸出技術(shù)指標(biāo)規(guī)定為△=±（0.02%×讀數(shù)+ 0.005%×滿量程）。考慮到低頻輸出的準(zhǔn)確度，頻率輸出劃分為0~1 kHz、0~50 kHz 兩個(gè)量程，分辨力分別為0.1 Hz及1 Hz。頻率輸出技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4　頻率輸出技術(shù)指標(biāo)

4.5校準(zhǔn)器測(cè)量技術(shù)指標(biāo)的確定

一般來說，測(cè)量?jī)x表技術(shù)指標(biāo)可以比信號(hào)源技術(shù)指標(biāo)做得更高。作為集測(cè)量?jī)x表與信號(hào)源一體的儀器，校準(zhǔn)器的主要功能為信號(hào)輸出功能，測(cè)量功能是其輔助功能。從產(chǎn)品成本及工業(yè)需求考慮，測(cè)量技術(shù)指標(biāo)與輸出技術(shù)指標(biāo)相同比較合理，因此國家標(biāo)準(zhǔn)推薦兩者技術(shù)指標(biāo)一致。

5　結(jié)語

GB/T 32204-2015與準(zhǔn)確度有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)校準(zhǔn)器的特點(diǎn)、功能、作用、工業(yè)需求、國內(nèi)生產(chǎn)能力和技術(shù)水平在滿足相關(guān)檢定規(guī)程的要求下而確定的，這些指標(biāo)可引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)技術(shù)革新，淘汰準(zhǔn)確度過低的同類產(chǎn)品。盡管國家標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了各參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)，但在滿足工業(yè)需求的條件下不同的生產(chǎn)廠家可以有不同的技術(shù)指標(biāo)表達(dá)形式、不同的量程及不同的技術(shù)指標(biāo)。如果用校準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)器來建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，則必須對(duì)照檢定規(guī)程要求，分析其技術(shù)指標(biāo)，評(píng)定測(cè)量不確定度，最后才能得出是否符合量傳體系的要求。

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