如何校准温度传感器

温度测量是过程工业中最常用的测量方法之一。

每个温度测量回路都有一个温度传感器作为循环中的第一个组件。所以，这一切都从温度传感器开始。温度传感器对整个温度测量回路的精度起着至关重要的作用。

正如任何测量仪器都想要精确一样，温度传感器也需要定期校准。如果你不关心精确度，为什么要测量温度呢?

在这篇博文中，我将看看如何校准温度传感器而且你应该考虑的最常见的事情是什么校准温度传感器时。

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在我们进入细节之前，这里有一个关于如何校准温度传感器的短视频:

什么是温度传感器?

让我们从最基本的开始…讨论什么是温度传感器:

顾名思义，温度传感器是一种可以用来测量温度的仪器。它有一个输出信号与应用温度成正比。当传感器的温度发生变化时，输出也会随之变化。

有各种各样的温度传感器，有不同的输出信号。有些有电阻输出，有些有电压信号，有些有数字信号等等。

在实践中，在工业应用中，温度传感器的信号通常连接到温度变送器，将信号转换为更容易远距离传输的格式，传输到控制系统(DCS, SCADA)。标准的4到20 mA信号已经使用了几十年，因为电流信号可以传输更远的距离，即使导线上有一些电阻，电流也不会改变。现在，有数字信号甚至无线信号的发射机正在被采用。

无论如何，要测量温度，所使用的测量元件是温度传感器。

测量温度传感器输出

由于大多数温度传感器都有电输出，显然需要以某种方式测量输出。也就是说，你需要有一个测量设备来测量输出，例如电阻或电压。

测量装置通常显示的是电量(电阻、电压)，而不是温度。因此，有必要知道如何将电信号转换为温度值。

大多数标准温度传感器都有国际标准，规定如何使用表格或公式计算电/温度转换。如果您使用的是非标准传感器，则可能需要从传感器制造商那里获得相关信息。

也有可以将温度传感器信号直接显示为温度的测量装置。这些设备还测量电信号(电阻，电压)，并在内部编程传感器表(或多项式/公式)，因此它们将其转换为温度。例如，温度校准器通常支持过程工业中使用的最常见的RTD(电阻温度检测器)和热电偶(T/C)传感器。

那么如何校准温度传感器呢?

在我们进入校准温度传感器时要考虑的各种事情之前，让我们看看一般原理。

首先，由于温度传感器测量的是温度，您需要有一个已知的温度来将传感器浸入其中进行校准。“模拟”温度是不可能的，但是你必须创造一个真实的温度使用温度源。

您可以生成一个准确的温度，也可以使用校准的参考温度传感器来测量生成的温度。例如，您可以将参考传感器和待校准的传感器插入液浴(最好是搅拌的液浴)中，并且可以在该温度点进行校准。另外，也可以使用所谓的干块温度源。

例如，使用搅拌冰浴为0°C(32°F)点校准提供了相当好的精度。

对于工业和专业校准，通常使用温度浴或干块。这些可以通过编程将温度加热或冷却到某个设定值。

在一些工业应用中，通常的做法是定期更换温度传感器，而不定期校准传感器。

如何校准温度传感器-需要考虑的事情

让我们开始深入研究温度传感器的实际校准和要考虑的不同事情....

1 -搬运温度传感器

不同的传感器具有不同的机械结构和不同的机械鲁棒性。

在温度实验室中用作参考传感器的最精确的SPRT(标准铂电阻温度计)传感器非常脆弱。我们温度校准实验室的人说，如果SPRT触摸到什么东西，你可以听到任何声音，在进一步使用之前必须检查传感器。

幸运的是，大多数工业温度传感器都很坚固，可以正常处理。有一些工业传感器做得非常坚固，可以承受相当粗暴的操作。

但如果你不确定你应该校准的传感器的结构，安全总比后悔好。

像处理SPRT一样处理任何传感器永远不会错。

除了机械冲击外，温度的快速变化也会对传感器造成堵塞，损坏传感器或影响精度。

热电偶通常不如RTD探头灵敏。

2 -准备工作

通常没有那么多的准备工作，但有一些事情需要考虑。首先，进行视觉检查，以确保传感器看起来正常，并确保它没有弯曲或损坏，并且电线看起来正常。

外部污染可能是一个问题，所以最好知道传感器在哪里使用，以及它一直在测量什么类型的介质。在校准之前，您可能需要清洗传感器，特别是如果您计划使用液体浴进行校准。

RTD传感器的绝缘电阻可以在校准之前测量。这是为了确保传感器没有损坏，传感器与机箱之间的绝缘足够高。绝缘电阻下降会导致测量误差，是传感器损坏的标志。

3 -温度源

正如前面提到的,你需要一个温度源校准温度传感器。只是不可能模拟温度。

在工业上，温度干燥块是最常用的。它方便、便携，而且通常足够准确。

对于更高精度的要求，可以使用液体浴。无论如何，通常不容易携带，但可以在实验室条件下使用。

对于零摄氏度点，经常使用搅拌冰浴。这是相当简单和负担得起的，但提供了一个很好的准确性为零点。

为了获得最精确的温度，使用了定点电池。它们非常精确，但也非常昂贵。这些主要用于精确的(和认可的)温度校准实验室。

4 -参考温度传感器

温度是由前一章中提到的一些热源产生的。显然你需要非常精确地知道热源的温度。干块和液体浴提供了一个内部参考传感器，测量温度。但为了获得更准确的结果，您应该使用一个单独的精确参考温度传感器，该传感器插入与待校准传感器相同的温度。这种参考传感器将更准确地测量待校准传感器正在测量的温度。

当然，参考传感器应该具有有效的可跟踪校准。发送一个参考传感器进行校准比发送整个温度源更容易(如果你总是只校准参考传感器而不是校准块，记住温度块的温度梯度也很好)。

至于热力学特性，参考传感器应与待校准传感器尽可能相似，以确保它们在温度变化期间表现相同。

参考传感器和待校准传感器应浸在温度源中相同的深度。通常，所有传感器都浸在干块的底部。对于非常短的传感器，这变得更加困难，因为它们只会浸入有限的深度到温度源中，你应该确保你的参考传感器浸入同样深的地方。在某些情况下，这需要使用专用的短参考传感器。

使用定点单元，你不需要任何参考传感器，因为温度是基于物理现象的，本质上是非常准确的。

5 -测量温度传感器输出信号

大多数温度传感器都有一个需要测量并转换为温度的电输出(电阻或电压)。所以，你需要一些仪器来进行测量。一些温度源还为传感器提供了测量通道，包括被测设备(DUT)和参考。

如果你测量的是电输出，你需要用国际标准将其转换成温度。在大多数工业情况下，您将使用可以为您进行转换的测量设备，因此您可以方便地以温度单位(摄氏度或华氏度)查看信号。

无论您使用什么方法进行测量，请确保您知道设备的精度和不确定度，并确保它具有有效的可追溯校准。

6 -浸入深度

在校准温度传感器时，浸泡深度(将传感器插入温度源的深度)是一个重要的考虑因素。

我们的温度校准实验室人员在使用搅拌液体浴时给出了以下经验法则:

• 1%精度-浸泡5个直径+传感元件的长度
• 0.01%精度-浸泡10个直径+传感元件的长度
• 0.0001%精度-浸泡15直径+传感元件的长度

搅拌液槽的导热性能优于干式液槽，且所需的浸泡深度较小。

对于干块，有一个Euramet建议，您应该浸泡15倍的传感器直径加上传感器元件的长度。所以，如果你有一个直径6毫米的传感器，里面有一个40毫米的元件，你把它(6毫米x 15 + 40毫米)浸泡130毫米。

有时很难知道实际元件在传感器内的长度，但应该在传感器规格中提到。

此外，您应该了解传感器元件的位置(它并不总是在传感器的最尖端)。

待校准传感器与参考传感器应浸入相同深度，使实际传感器元件的中心点处于相同深度。

当然，对于非常短的传感器，不可能将它们浸入非常深的地方。这是校准短传感器时存在高不确定性的原因之一。

7 -稳定性

请记住，温度传感器总是测量自身的温度!

温度变化非常缓慢，你应该等待足够长的时间，让所有部件稳定到目标温度。当您将传感器插入某个温度时，传感器的温度总是需要一段时间才能达到该温度并稳定下来。

您的参考传感器和待校准传感器(DUT)可能具有非常不同的热力学特性，特别是如果它们在机械上不同的话。

通常，与温度校准相关的最大不确定性之一可能是校准完成得太快。

如果您经常校准类似类型的传感器，明智的做法是进行一些类型测试，以了解这些传感器的行为。

8 -温度传感器手柄

传感器手柄部分，或过渡结，通常有一个温度限制。如果加热温度过高，可能会损坏传感器。确保你知道你校准的传感器的规格。

如果在高温下校准，建议使用温度屏蔽来保护传感器手柄。

9 -校准温度范围

使用温度传感器，通常不会校准传感器的整个温度范围。

这个范围的最顶端是你在校准时应该小心的。例如，如果在过高的温度下校准RTD传感器，它可能会永久漂移。

此外，传感器温度范围的最冷点校准可能很难/昂贵。

因此，建议校准传感器将要使用的温度范围。

10 -校准点

在工业校准中，需要挑选足够多的校准点，以确定传感器是线性的。通常在整个范围内校准3到5个点就足够了。

根据传感器类型的不同，如果你知道传感器可能不是线性的，你可能需要取更多的点。

如果您校准铂传感器，并计划根据校准结果计算系数，则需要在合适的温度点进行校准，以便能够计算系数。铂传感器最常见的系数是ITS-90和Callendar van Dusen系数。对于热敏电阻，可以使用Steinhart-Hart系数。

当传感器在认可的实验室校准时，也可以根据实验室的最小不确定度来选择点。

11 -调整/修整温度传感器

不幸的是，大多数温度传感器不能调整或修剪。所以，如果你在校准中发现了错误，你不能调整它。相反，你需要使用系数来校正传感器的读数。

在某些情况下，可以在温度测量回路的其他部分(在变送器或DCS中)补偿传感器误差。

其他需要考虑的事情

文档

与任何校准一样，温度传感器校准需要记录在校准证书中。

可追溯性

在校准时，所使用的参考标准必须有效地可追溯至国家标准或同等标准。的可追溯性应该是一个完整的校准链，每个校准都有明确的不确定度。

更多关于计量溯源的信息，请参阅博客文章校准中的计量可追溯性-您是否可追溯?

不确定性

一如既往的校准，也在温度传感器校准中，你应该意识到校准过程的总不确定性。在温度校准中，校准过程(校准的方式)很容易成为总不确定度中最大的不确定度。

更多关于校准不确定度的信息，请参阅博客文章假人的校准不确定度

自动化校准

温度校准总是一个相当缓慢的操作，因为温度变化缓慢，你需要等待稳定。如果你能自动化你的温度校准，你会受益很多。校准仍然需要很长时间，但如果它是自动化的，你不需要在那里等待它。

这自然会为你节省时间和金钱。

此外，当自动化时，您可以确保校准总是以相同的方式完成。

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感谢我们认可的温度校准实验室人员的帮助，使这篇文章。特别感谢刘先生。托尼Alatalo，我们认可的温度实验室的负责人!