如何校准温度传感器？来听听这家企业详解步骤与各关键要点
如何校准温度传感器？来听听这家企业详解步骤与各关键要点
概述
温度测量是过程工业中最为常见的测量之一，其中每个温度测量回路都以回路中的第一个部件温度传感器为起始，其对整个温度测量回路的精度起着至关重要的作用。作为任何追求更高精确度的测量仪器而言，温度传感器也需要定期校准。如果不关心温度的准确性，那么测量温度也就失去了意义。
在这篇文章中，我们将详解如何校准温度传感器，以及在校准过程中普遍应该考虑哪些影响因素？
什么是温度传感器？
让我们从基础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。它有一个与应用温度成比例的输出信号，当传感器的温度发生变化时，输出也会相应变化。
市场中存在具有不同输出信号的各种类型的温度传感器，可能具有电阻输出、电压信号或数字信号等等。
在实际工业应用中，来自温度传感器的信号通常会连接到温度变送器，温度变送器再将信号转换为更容易在更长距离内传输到控制系统 （DCS、SCADA）的格式。标准的4到20mA信号已经使用了几十年，因为其电流信号可以传输更长的距离，即使导线上会产生电阻，电流也不会改变。而现如今，带有数字信号甚至无线信号的变送器已被普遍采用。
无论如何，为了测量温度，温度传感器是用户不可或缺的测量元件。
测量温度传感器输出
由于大多数温度传感器都有电输出，因此，显然需要以某种方式测量该输出。例如，您需要一个测量设备来测量输出、电阻或电压。
测量设备通常显示电量（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，规定了如何使用表格或公式计算电气/温度转换。如果您有一个非标准的传感器，您可能需要从传感器制造商那里获得信息。
还有可以将温度传感器信号直接显示为温度的测量设备。这些设备还能测量电信号（电阻、 电压），并在内部编写传感器表（或多项式/公 式），以便将其转换为温度。例如，温度校验仪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？
在我们讨论校准温度传感器时需要考虑的各种因素之前，让我们先来了解一下一般原理。
首先，由于温度传感器可测量温度，您需要有一个已知的温度来将传感器浸入其中进行校准。虽然不可能完全“模拟”温度，但必须使用温度源创建真实的温度。
您可以生成准确的温度，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槽 （最好是搅拌槽）中，然后在该温度点进行校准。或者，可以使用所谓的干体炉温度源， 例如，使用搅拌冰液槽为0°C（32°F）点校准，就提供了相当好的精度。
对于工业和专业校准而言，通常使用恒温液槽或干体炉。这些可以被编程为将温度加热或冷却到特定的设定点。
此外，在一些工业应用中，通常的做法是定期更换温度传感器，而不是定期校准传感器。
如何校准温度传感器——需要考虑的事项
让我们开始深入研究温度传感器的实际校准以及需要考虑的不同事项 。
处理温度传感器
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。我们的温度校准实验室人员表示，一旦SPRT接触到什么东西使您听到声音，那么在进一步使用之前必须重新检查传感器。
幸运的是，大多数工业温度传感器都很坚固， 能够在正常操作中保持完好无损。甚至有一些工业传感器可以承受相当粗糙的处理。
但是，如果您不确定应该校准的传感器的结构，那么还是秉持安全第一的理念，把任何传感器都当作SPRT来处理是更具保障的。
除了机械冲击之外，温度的快速变化也可能对传感器造成损坏或影响精度，热电偶通常不如RTD探针灵敏。
准备
在实际操作中，通常没有那么多的准备工作，但需要考虑一些事情。首先，进行目视检查，以查看传感器是否正常，并确保其没有弯曲或损坏，以及导线是否正常。
外部污染可能会成为问题，所以最好知道传感器在哪里使用，以及它测量的是何种介质。您可能需要在校准前清洁传感器，特别是当您计划使用液槽进行校准的时候。
RTD传感器的绝缘电阻可以在校准前进行测量。这是为了确保传感器没有损坏，并且传感器和机箱之间的绝缘层足够高。绝缘电阻下降可能导致测量误差，这是传感器损坏的迹象。
温度源
如前所述，您需要有一个温度源来校准温度传感器，只是不可能模拟温度。
出于工业目的，温度干体炉是最常用的，它方便易携，而且通常足够准确。
而出于对更高精度的需求，可以使用液槽，但平常不容易携带，适宜在实验室条件下使用。
对于零摄氏度，通常可使用搅拌冰液槽，操作简单，价格合理，却提供了良好的零点精度。
为了获得最精确的温度，需要使用固定点容器。这些容器非常准确但也昂贵，主要用于精确（和获得认证）的温度校准实验室。
参考温度传感器
温度是由上一章中提到的一些热源产生的。在操作中，您需要知道非常精确的热源的温度。干体炉和液槽提供了一个内部参考传感器来测量温度。但为了获得更准确的结果，推荐使用一个单独的精确参考温度传感器，将其插入与待校准的传感器相同的温度中。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，参考传感器应进行有效的可追溯校准。对参考传感器进行校准比对整个温度源更容易 （如果总是只校准参考传感器而不校准温度干体炉，请记住温度干体炉的温度梯度也十分有效）。
至于热力学特性，与待校准的传感器相比，参考传感器应尽可能相似，以确保它们在温度变化期间表现一致。
参考传感器和待校准的传感器应浸入温度源的相同深度。通常，所有传感器都将浸入干体炉的底部。对于非常短的传感器，这会变得更加困难，因为它们只能浸入温度源的有限深度， 并且您需要确保参考传感器浸入同样的深度。在某些情况下，这需要使用专用的短参考传感器。
而使用定点容器，您不需要任何参考传感器，因为温度是基于物理现象的，本质上具有相当高的准确性。
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，您需要一些设备来进行测量。一些温度源还为被测器件 （DUT）和参考传感器提供了测量渠道。
如果要测量电输出，您需要使用国际标准将其转换为温度。在大多数工业情况下，您可以使用一个可以为您进行转换的测量设备，这样您就能够轻松地看到温度单位（摄氏度或华氏 度）的信号。
无论您使用什么方法进行测量，都要确保您了解设备的准确度和不确定度，并确保设备具有有效的可追溯校准。
浸入深度
在校准温度传感器时，浸入深度（将传感器插入温度源的深度）是一个重要考虑因素。
我们的温度校准实验室人员在使用搅拌液槽时给出了这条经验法则：
- 1%的精度-浸入5个直径+传感元件的长度
- 0.01%精度-浸入10个直径+传感元件长度
- 0.0001%精度-浸入15个直径+传感元件长度
在搅拌的液槽中的热传导相比在干体炉中更好， 并且所需的浸没深度更小。
对于干体炉，Euramet建议您应将传感器直径的 15倍与传感器元件的长度相加。因此，如果您有一个内部有40毫米的元件的直径6毫米的传感器，您可以把它浸入130毫米的深度（6 x 15毫 米+40毫米）。
有时很难知道传感器内的实际元件有多长，但应在传感器规格中提及。
此外，您应该知道传感器元件的位置（它并不 总是在传感器的尖端），这是由于待校准的传感器和参考传感器需浸入相同的深 度，以使实际传感器元件的中点处于相同的深度。
当然，对于非常短的传感器，不可能将它们浸入很深的液体中。这是校准短传感器时不确定性大的原因之一。
稳定化
请记住，温度传感器始终用于测量自己的温度！
其温度变化非常缓慢，您需要等待足够长的时间，以使所有零件稳定到目标温度。当您将传感器插入某个温度时，传感器的温度总是需要经历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，特别是如果它们有不同的机械属性。
通常，与温度校准相关的最大不确定性之一可能是校准过快完成。
如果您经常校准相近类型的传感器，那么明智的做法是进行一些类型测试来了解这些传感器的运行机制。
温度传感器手柄
传感器手柄部分或过渡接头的温度通常有一定的限制。如果温度过高，传感器可能会损坏，请确保您了解所校准传感器的规格。
如果在高温下进行校准，建议使用温度护罩来保护传感器手柄。
校准温度范围
对于温度传感器，不在整个温度范围内进行传感器校准是很常见的。
在校准过程中，应注意量程的最高点。例如，在过高的温度下进行校准，RTD传感器可能会永久漂移。
此外，传感器温度范围的最冷点可能难以进行校准，或者需要投入较高成本进行校准。
因此，建议对传感器将要使用的温度范围进行校准。
校准点
在工业校准中，您需要选择足够的校准点，以确保传感器是线性的。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，如果您知道传感器可能不是线性的，则可能需要获得更多的点。
如果您校准铂传感器，并计划根据校准结果计算系数，则需要在适当的温度点进行校准，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。
当传感器在认证实验室中校准时，也可以根据实验室的最小不确定度来选择点。
调整/调校温度传感器
不幸的是，大多数温度传感器都无法调整或调校。因此，如果您在校准中发现错误，无法进行调整，需要使用系数来校正传感器的读数。
在某些情况下，您可以补偿温度测量回路其他部分（变送器或DCS）中的传感器误差。
其他注意事项
文档化
与其他校准一样，温度传感器校准需要记录在校准证书中。
可追溯性
在校准中，使用的参考标准必须具有国家标准或同等标准的有效可追溯性。可追溯性应该是一个完整的校准链，每个校准链都有规定的不确定度。
不确定度
在校准中，以及在温度传感器校准中，您应该了解校准过程的总不确定度。在温度校准中， 校准过程（校准方式）很容易成为总不确定度中最大的不确定度分量。
自动化校准
温度校准历来是一个相当缓慢的操作过程，因为温度变化缓慢，您需要等待稳定。如果您能自动进行温度校准将会受益匪浅。尽管校准仍然需要很长时间，但实现自动化意味着您不需要原地等待，从而节省宝贵的时间和金钱。此外，当进行自动化校准时，您可以确保校准始终以相同的方式进行，提高准确性和可重复性。