许多校准技术人员在他们的设施中遵循长期建立的程序，这些程序没有随着仪器技术的发展而发展。几年前，保持±1%跨度的性能规范是很困难的，但今天的仪器可以很容易地每年超过这一水平。在某些情况下，技术人员正在使用不符合新技术规范的旧测试设备。本文侧重于建立基准性能测试，其中可以分析和调整校准参数(主要是公差、间隔和测试点方案)，以满足最佳性能。还将讨论风险因素——监管、安全、质量、效率、停机时间和其他关键参数。对这些变量的良好理解将有助于就如何校准工厂过程仪器仪表以及如何改进过时的实践做出最佳决策。

简介

对这篇文章中讨论的主题做一个简短的介绍:

多久校准一次?

工厂校准专业人员面临的最基本的问题是过程仪器应该多久校准一次?没有一个简单的答案，因为有许多变量影响仪器的性能，从而适当的校准间隔，其中包括:

制造商指南(一个很好的开始)
制造商精度规格
稳定性规范(短期vs.长期)
工艺精度要求
典型的环境条件(恶劣vs.气候控制)
法规或质量标准要求
与失败条件相关的成本

通过/失败宽容

一个好的校准程序的下一个问题是什么是“通过/失败”容忍度?同样，这个问题没有简单的答案，人们的意见千差万别，几乎没有考虑到在以最佳效率生产高质量产品的同时，安全运营设施真正需要什么。对仪器进行临界性分析将是一个很好的开始。然而，公差与校准频率的第一个问题密切相关。“紧”公差可能需要使用非常精确的测试标准进行更频繁的测试，而使用非常精确的仪器进行不太关键的测量可能几年都不需要校准。

校准程序

确定和实施适当校准程序和实践的最佳方法是另一个需要回答的问题。在大多数情况下，特定地点的方法并没有随着时间的推移而发展。很多时候，校准技术人员遵循多年前建立的实践，听到“这是我们一直以来的做法”并不罕见。与此同时，测量技术不断改进，变得更加准确。它也变得越来越复杂——为什么要用与气动变送器相同的方法测试现场总线变送器?在跨度误差小于1%或2%的情况下执行标准五点上下测试并不总是适用于当今更复杂的应用。随着测量技术的进步，校准技术人员的实践和程序也应得到改进。

找到最合适的…

最后，工厂管理人员需要了解公差越紧，进行准确测量的成本就越高。事实是，所有的工具都会在一定程度上漂移。还应注意的是，每种制造/型号的仪器在特定工艺应用中具有独特的性能“个性”。确定最佳校准参数的唯一正确方法是以某种方式记录校准，这种方法允许分析性能和漂移。通过良好的数据和测试设备，可以保持最低的实际公差，同时平衡最佳的进度。一旦确定了这些参数，就可以估计执行校准的相关成本，以确定是否有理由购买具有更好性能规格的更复杂的仪器或购买更精确的测试设备，以实现更好的工艺性能。

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校准基础知识

最佳校准间隔

确定一个合适的校准间隔是一个基于几个因素的有根据的猜测。最佳实践是根据故障对安全操作的影响来设定一个保守的间隔，同时以最高的效率和质量生产产品。审查校准方法并确定对工厂操作影响最小的最佳实践也很重要。通过首先关注最关键的仪器，可以确定一个最佳的时间表，并允许在人员可用的情况下进行不那么关键的测试。

由于所有的仪器仪表无论生产/型号/技术都是漂移的，供应商最终创建了截然不同的规格，这使得比较性能变得困难。很多时候，书中会有一些复杂的脚注，用的是不连贯的术语。仪器的性能并不总是由价格决定的。确定最佳间隔的唯一正确方法是收集数据并评估特定品牌/型号仪器随时间的漂移。

从保守区间开始，经过3次测试，可能会出现清晰的漂移模式。例如，一个特定的RTD发射机每三个月测试一次。第二个测试表明最大误差漂移为跨度的+ 0.065%。第三个测试表明另一个+ 0.060%的跨度(+0.125%的跨度超过6个月)。虽然应该使用更多的数据进行分析，但一个很好的猜测是，该仪器每年漂移+0.25%。从统计学上讲，越多的数据意味着越高的置信水平。如果这种模式在整个工厂使用的许多相同品牌/型号的RTD变送器中普遍存在，则可以在18至24个月之间设置±0.50%的量程公差的最佳校准间隔，并具有相当高的置信度水平。

在收集校准数据时，最好不要做不必要的调整。例如，如果公差为跨度的±1%，仪器仅超出跨度的-0.25%，则不应进行调整。如何通过不断的调整来分析漂移(最少3点)?对于某些“性格”来说，不进行调整可能是一个挑战(人们追求完美)，但请注意，每次做出调整，漂移分析都会变得更加困难。一般来说，最佳实践是避免调整，直到错误是显著的。有了一致的时间表，修剪最有可能将需要在下一个校准周期，而不会导致As Found“Fail”条件。当然，由于临界性、漂移历史、不稳定调度或其他因素，这可能是不可能的，但在可能的情况下，不要自动进行校准调整。

如果漂移是不一致的，两者都随着时间增加，然后减少呢?需要更多的分析;例如，环境条件是极端的还是不断变化的?根据工艺应用的不同，仪器性能可能会受到介质、安装、吞吐量、湍流或其他变量的影响。这种情况表明存在与漂移相关的“噪声”水平。在这种情况下，分析应表明存在随机误差和系统误差的组合。随机误差由不可控问题(环境条件和工艺应用)组成，而系统误差由可识别问题(仪器漂移)组成。通过关注系统误差和/或漂移的清晰模式，可以设置适当的校准间隔，以尽可能安全的方式最大化操作效率。

更多细节，这里有一篇专门的博客文章:仪器应多久校准一次?

设置适当的工艺公差限制

精度，工艺公差，拒绝误差，误差限制，最大允许误差，允许误差，偏差等-这些是用于指定仪器在给定工艺中的性能的许多术语中的几个。变送器制造商总是指定精度以及与误差相关的其他几个参数(长期稳定性、可重复性、迟滞、参考标准等)。在考虑设置工艺公差时，制造商精度提供了一个起点，但它并不总是一个可靠的数字。此外，没有任何测量比用于检查仪器的校准标准更好。在制造精确仪器时，制造商的精度声明背后是什么?对于压力，在实验室中一个好的自重测试仪应该是公式的一部分。

在工厂层面，一个众所周知的简化的传统经验法则是校准器的不确定度(总误差)与过程仪器公差(焦油/病重率)。

更现代的方法是始终计算校准过程的总不确定度，而不是使用简化的TAR/TUR比值。这包括所有增加校准不确定度的成分，而不仅仅是参考标准。

要了解更多关于校准不确定度，请阅读博客文章假人的校准不确定度。

在设置工艺公差时，最好的做法是询问控制工程师需要什么样的工艺性能公差才能以最安全的方式制造出最好的产品?请记住，数值越低，校准成本可能越昂贵。为了满足严格的公差，将需要良好的(更昂贵的)校准标准。另外，另一个问题是确定校准应该在现场进行还是在车间进行。如果仪表漂移，则需要设置更频繁的间隔来捕捉测量错误。这可能意味着增加停机时间以及与进行实际校准测试相关的成本。作为一个例子，回顾仪器性能的三个图表:

例1 -跨度公差0.1%:

例2 -跨度公差0.25%:

例3 -公差1%的跨度:

请注意，上面的第一个图显示了故障(几乎是允许值的两倍)，第二个图显示了需要调整(勉强通过)，第三个图显示了相对良好的控制变送器。所有3张图的测试数据都是相同的，唯一的区别是公差。将量程的±0.1%设置为非常严格的公差会导致以下几个问题:处理故障报告，不断调整会给校准技术人员增加压力，操作人员不相信测量等等。图2也好不到哪里去，没有故障，但0.25%的跨度仍然是一个紧密的公差，不断的调整将不允许漂移分析，也不允许随机误差或系统误差的评估。在第3条中有很多好处(注意±1%的跨度仍然是一个紧公差)。如果发生故障，这将是一个不寻常的(而且可能是一个严重的)问题。校准技术人员将花费更少的时间干扰过程和整体校准时间更快，因为有更少的调整。良好的测试设备可以以合理的成本满足±1%的跨度性能规范。

可能有一些关键的度量需要一个苛刻的公差，从而产生更高的成本来支持，但是通过考虑真实的性能需求和相关的成本，可以做出良好的判断。简单地选择一个不合理的紧的任意数字会导致比必要的更多的问题，并会使压力水平超出控制。最好的方法是设置尽可能高的公差，收集一些性能数据，然后根据适当的间隔减小公差，以实现最佳结果。

校准参数

一个微妙但重要的细节是审查校准程序，看看是否可以在不影响数据质量的情况下获得进一步的效率。多年前，技术本质上更加机械，电路板组件数量更多/更复杂，仪器对环境条件更敏感。如今的智能技术以更少、简化的组件和更好的补偿能力提供了更高的精度和“脑力”。在许多情况下，旧的测试习惯并没有随着技术的发展而发展。一个很好的例子是一个旧的应变计压力传感器，当从零开始时，由于放松状态的变化，压力上升，它会向低一侧“倾斜”。同样地，当传感元件偏转到其最大压力时，随着压力的下降，有一个机械存储器将测量压力“倾斜”到高端。这种现象被称为滞后，在执行校准时，图形上类似于下图:

5点上/下校准滞后:

今天的智能压力传感器有了很大的改进，只有在传感器出现问题和/或传感器脏或损坏时才会发生滞后。如果在现代传感器上执行相同的校准，典型的图形表示将如下所示:

5点上/下校准，无滞后:

这可能看起来很简单，但校准技术人员需要付出巨大的努力才能使用手动泵进行手动压力校准。在零点进行测试很容易，但典型的做法是花费精力达到精确的压力测试点，以便根据“奇数”mA信号进行误差估计。例如，如果25 inH₂O应该是正好8 mA，但当压力设置为正好25 inH时，观察到8.1623 mA₂O，有经验的技术人员知道他正在处理的是1%的跨度误差(0.1623 ÷ 16 x 100 = 1%)。为了达到“基本”测试点而付出的额外努力可能很耗时，特别是在高压为25 / H的非常低的压力下₂O.要执行一个9点的校准，可能需要5分钟或更长时间，这使得本示例校准不必要地更长。可以执行5点校准并将时间减半-由于向下的测试点没有添加任何新信息，因此图形看起来是相同的。然而，压力传感器本质上仍然是机械的，并且，如前所述，可能有滞后。在压力变送器上。测试点数据的质量相当于一个9点校准，如果有滞后，就会被检测到。这也给技术人员带来了最小的压力，因为只有3个“困难”测试点(零很容易)，而5点校准需要4个点，9点上下校准需要7个点。随着时间的推移，节省可以显著，并将使技术人员的日常工作更容易。

使用相同的方法也可以用于温度测量。温度传感器(RTD或热电偶)本质上是机电的，通常不表现出滞后现象——温度上升时发生的任何事情在温度下降时都是可重复的。最常见的现象是“零位移”，这表明热冲击或物理损坏(过程中粗糙接触或掉落)。温度变送器是一种电子设备，具有现代智能技术，具有优异的测量性能。因此，最佳做法是对温度仪表进行简单的3点校准。如果在干燥的块或浴中校准传感器，测试超过3个点是浪费时间，除非有很高的精度要求或其他实际原因校准更多的点。

还有其他优化参数的例子。校准应与过程有关;如果工艺温度从未低于100℃，为什么要在零度进行测试呢?当使用干块时，可能需要很长时间才能达到0°C或以下的测试点-例如，如果它实用，可以节省时间并使校准更容易，为什么不将初始测试点设置为5°C，预期输出为4.8 mA呢?另一个很好的例子是用平方根提取校准差压流量计。由于正在测量流量，输出测试点应该是8 mA, 12 mA, 16 mA和20 mA，而不是基于均匀的压力输入步长。此外，该技术还采用了“低流量截止”，即无法测量非常低的流量。最佳实践是在5.6 mA输出的初始测试点进行校准(在输入跨度的1%时非常接近于零)。

不要忽略具体的校准是如何执行的。为什么要收集不必要的数据?它只是需要处理更多的信息，可能会有非常大的成本。为什么使校准工作变得更加困难?查看历史数据并做出决策，在不牺牲质量的情况下简化工作。

校准趋势分析及成本

温度变送器实例

如前所述，优化校准调度的最佳方法是分析历史数据。工艺性能、仪器漂移、公差、最佳间隔和校准成本之间存在平衡，真正确定这一点的唯一方法是通过历史数据审查。使用类似的数据为温度变送器的例子公差误差限值节，应用这些概念来优化本场景下的校准计划:

校准历史趋势示例:

在控制工程师和I&C维修组讨论后，提出了±0.5%的跨度公差的情况，但在获得更多信息之前，同意±1%的跨度是可以接受的。这种特殊的测量是至关重要的，所以还同意每3个月校准一次，直到获得更多的信息。在第一年结束时，观察到每年大约+0.25%的跨度漂移，并且没有进行任何调整。经过进一步讨论，同意将公差降低到跨度的±0.5%(控制工程师很高兴)，并将间隔增加到6个月。在最初校准后的1年半，最终进行了调整。在第2年末，不需要调整，间隔时间增加到1年。在第3年年底，进行了调整，间隔增加到18个月(现在工厂经理、I&C主管和I&C技术员都高兴了)。所有这些都没有发生一起可能需要特别报告或其他令人头痛的故障。

显然，这种情况是完美的，但如果有多个相同制造/型号的工具，则会出现强大的趋势，并提供良好的历史数据;肯定最佳实践并允许做出最佳决策。对于关键的仪器测量，大多数工程师是保守的和“过度校准”。这个例子可以让我们讨论如何在不影响质量的情况下更聪明地工作，节省时间/精力，维护安全的环境。

校正费用

另一个最佳实践是，只要有可能，尝试确定执行给定校准的成本，并将其纳入决策过程。不仅要考虑工时，还要考虑校准设备的成本，包括每年重新认证的成本。在讨论间隔和公差时，这可能是做出明智决策的非常重要的信息。使用边缘校准设备无法进行良好的测量。例如，为了满足特别严格的压力测量公差，应该使用自重测试仪而不是标准压力校准器——这在设备成本和技术人员经验/培训方面是一个巨大的进步。通过概述与此类测量相关的所有额外成本，可以通过确定使用精度稍低的设备或使用替代校准设备进行更频繁校准的回报与风险，从而达成良好的妥协。

另一个被忽视的运营成本是对人员和设备投资的迫切需求。无论是新技术或新的校准设备，维护和/或校准程序应加强良好的培训。ISA提供多种优秀的培训选择，并考虑通过贸易学校或行业研讨会为校准技术人员提供的本地计划。最后，应每年对校准资产进行审查，以证明通过更换旧设备进行再投资是合理的。每年的重新认证可能是昂贵的，所以在选择新的校准设备时，寻找一种设备，可以替代多个项目。

另一个需要考虑的重要成本是失败的成本。当关键仪器故障时会发生什么?如果存在审计或潜在的关闭问题，必须有一个良好的校准程序，并在问题开始之前发现问题，以避免漫长的恢复过程。如果校正设备带回来一个失败的模组，对该模组在过去一年进行的所有校正工作有什么潜在影响?通过了解这些风险和相关成本，可以做出适当的决策和投资。

结论

显然，并不是所有的仪器都能提供简单的分析来预测漂移。此外，校准计划会被中断，而且很多时候，无论如何仔细规划，工作都必须在停机期间完成。在某些领域，有规定要求、标准或质量体系，规定仪器应该多久校准一次——很难与审核员争论。最好的做法是建立一个良好的程序，专注于最关键的工具。随着关键工具得到控制，时间将可用来扩展到下一个关键级别，等等。

在一个好的校准管理程序中，应采用替代或“混合”策略。例如，环路校准可以降低校准成本，即执行端到端校准，仅在环路断开时检查单个仪器。一个好的“混合”策略是执行“轻”校准计划与较低频率的“深度”校准相结合。例如，进行微创“抽查”(通常是一个点)，其耐受性低于正常耐受性(使用正常耐受性值的2/3)。如果“抽查”失败，标准程序将是进行标准的深入校准，以作出必要的调整。技术人员可能有10次“抽查”的路线，最后只对整个路线进行1到2次深入校准。执行“抽查”仍然应该被记录和跟踪，因为关于漂移的良好信息可以从这种类型的数据中获得。

总结一下，这里引用了几个最佳实践:

根据故障对安全操作的影响，同时以最高效率和质量生产产品的影响，设置一个保守的校准间隔。
在误差显著性超过50%(或在跨度±1%的公差范围内大于±0.5%)之前尽量不要进行调整;对于追求完美的技术人员来说，这可能是困难的，然而，当做出不必要的调整时，漂移分析就会受到影响。
询问控制工程师需要什么样的工艺性能公差才能以最安全的方式生产出最好的产品?
设置尽可能高的公差，收集一些性能数据，然后根据适当的间隔减小公差，以获得最佳结果。
在压力变送器上执行3点上升/下降校准;测试点数据的质量相当于一个9点校准，如果有滞后，就会被检测到。
对温度仪表进行简单的3点校准。如果在干燥的块或浴中校准传感器，校准超过3个点是浪费时间，除非有很高的精度要求或其他实际原因校准更多的点。
在5.6 mA输出的初始测试点校准具有平方根提取的差压流量变送器(在仅1%的输入跨度时非常接近于零)。此外，由于正在测量流量，因此顺序输出测试点应该是8 mA、12 mA、16 mA和20 mA，而不是基于均匀的压力输入步长。
在可能的情况下，尝试建立执行给定校准的成本，并将其包括在决策过程中。
专注于最关键的工具，建立一个良好的程序，当关键的工具得到控制时，就有时间扩展到下一个关键级别，等等。

永远记住，仪器会漂移，有些比其他的表现更好。性能公差集将最终决定校准计划。通过文档，如果能够区分系统误差(漂移)和随机误差(“噪声”)，并出现系统模式，则可以确定最佳校准间隔。最佳公差/间隔组合将提供良好的控制数据，以最低的校准成本实现最佳的效率、质量和安全性，并将审计失败和/或头痛最小化。建立校准的最佳实践应该是一个持续发展的过程。技术在变化，校准也应该随之发展。如前所述，有许多变量需要进行适当的校准-通过建立基线性能，正如在操作环境中观察到的那样，可以做出(和修改)明智的决策，以便在校准时以最佳水平运行。