環(huán)境溫度對一體化溫度變送器精度和穩(wěn)定性影響

       一體化溫度變送器因自身具有的良好特性在工程設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，但在惡劣環(huán)境溫度下使用時其信號會產(chǎn)生較大的漂移，使誤差增大，增加了現(xiàn)場儀表的維護(hù)工作量。分析了環(huán)境溫度對一體化溫度變送器精度的影響程度，計算出環(huán)境溫度變化導(dǎo)致一體化溫度變送器產(chǎn)生的誤差變化，提出了溫度變送器的選用原則：在溫度檢測點(diǎn)環(huán)境溫度正常(不大于60℃)或安裝位置不高(不大于20m)的場合，宜選用一體化溫度變送器；對于溫度檢測點(diǎn)環(huán)境溫度較高(大于60℃)或安裝位置較高(大于20m)的場合，宜選用分體式溫度變送器或YRINX03-39現(xiàn)場儀表箱將溫度變送器安裝在環(huán)境溫度較低的工況環(huán)境。
      一體化溫度變送器是將熱電偶或熱電阻等測溫元件傳感器和溫度數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊制成一體，直接輸出4-20mA+HART電流信號。其特點(diǎn)：①信號抗*力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)；②輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號；③溫度轉(zhuǎn)換模塊可直接輸出智能HART信號，實(shí)現(xiàn)儀表智能管理；④控制系統(tǒng)的卡件類型減少；⑤不需要用補(bǔ)償電纜及冷端補(bǔ)償?shù)取ｈb于以上特點(diǎn)，一體化溫度變送器在石化裝置中得到廣泛應(yīng)用。但用戶持反對意見的越來越多，問題主要體現(xiàn)在一體化溫度變送器受環(huán)境溫度的影響較大，信號漂移非常嚴(yán)重，導(dǎo)致測量誤差較大，需要經(jīng)常維護(hù)調(diào)校，增加了工作量。因此，很多用戶更換溫度變送器，直接采用熱電偶或熱電阻測溫傳感器，因為這種原始的測溫元件，誤差幾乎是不變的，沒有太大的維護(hù)量。
Emerson公司的644智能型溫度變送器、YR-ER211等是目前市場上*的應(yīng)用較好的產(chǎn)品，筆者依據(jù)該溫度變送器的參數(shù)，以Pt100熱電阻和K型熱電偶測溫元件傳感器為例，分析計算環(huán)境溫度變化對一體化溫度變送器所產(chǎn)生誤差的變化。
1、定義環(huán)境溫度
誤差計算之前先定義環(huán)境溫度，其依據(jù)：①選用補(bǔ)償電纜對環(huán)境溫度有規(guī)定，分為普通型（70℃和105℃）和耐高溫型（200℃和260℃）；②選用一體化溫度變送器有一些限制，即在溫度檢測點(diǎn)環(huán)境溫度正常(不大于60℃)或安裝位置不高(不大于20m)的場合，宜選用一體化溫度變送器；對于溫度檢測點(diǎn)環(huán)境溫度較高(大于60℃)或安裝位置較高(大于20m)的場合，宜選用分體式溫度變送器或YRINX03-39現(xiàn)場儀表箱將溫度變送器安裝在環(huán)境溫度較低的工況環(huán)境；③該溫度變送器定義其工作極限溫度為-40~85℃(不配LCD顯示器)。因此，以下將環(huán)境溫度分為-25℃，5℃，40℃，60℃，80℃，100℃，150℃七種狀況來分析環(huán)境溫度對一體化溫度變送器的影響(20℃為出廠的標(biāo)定溫度)。   
2、誤差計算方法
通常需考慮測溫元件傳感器的精度a、溫度變送器數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊的精度b，環(huán)境溫度對測溫元件傳感器的精度影響c和對變送器數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊的精度影響d。 一體化溫度變送器可能的大誤差：e=a+b+c+d； 一體化溫度變送器可能的大誤差：。
3、計算示例
采用Pt100熱電阻（α=0.00385），溫度變送器測量范圍為0-350℃，a=±0.15℃，644智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數(shù)見表1所列。
表1  644智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數(shù)

從表1查得測溫元件傳感器的精度為±0.15℃。b=±0.03%×(350-0)=±0.1051℃，從表1查得b為±0.03%量程。當(dāng)環(huán)境溫度是20℃時（即出廠標(biāo)定溫度）：e=a+b=0.15+0.105=0.255℃，；當(dāng)環(huán)境溫度變化到60℃時，對測溫元件傳感器和變送器數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊的影響分別是：c=0.003×(60-20)=0.12℃，式中：0.003是從表1查得環(huán)境溫度每變化1℃對傳感器精度的影響為0.003℃； d=0.001%×(350-0)×(60-20)=0.14℃，式中：0.001%是從表1查得環(huán)境溫度每變化1℃對變送器精度的影響為0.001%量程。
環(huán)境溫度變化引起一體化溫度變送器可能的大誤差：e=a+b+c+d=0.15+0.105+0.12+0.14=0.51℃； 環(huán)境溫度變化引起一體化溫度變送器可能的綜合誤差：。從以上計算可看出，環(huán)境溫度由20℃變化為60℃時，一體化溫度變送器的大誤差由0.225℃變?yōu)?.51℃，綜合誤差由0.18℃變?yōu)?.26℃。
4、環(huán)境溫度變化對智能溫度變送器精度影響分析
表2為Emerson的248溫度變送器的輸入選項和精度參數(shù)，與表1對比可看出，同樣的測溫元件傳感器，248溫度變送器的精度要比644溫度變送器的精度低，通過誤差計算方法，再考慮環(huán)境溫度對測溫元件傳感器和變送器的影響，其產(chǎn)生的綜合誤差將會更大。
表2   248智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數(shù)

環(huán)境溫度變化引起644智能型溫度變送器精度的變化見表3所列，當(dāng)環(huán)境溫度為60℃以上時，對于Pt100熱電阻一體化溫度變送器和K型熱電偶一體化溫度變送器的綜合誤差越來越大，即溫度漂移越來越嚴(yán)重。而低溫環(huán)境對Pt100熱電阻一體化溫度變送器和K型熱電偶一體化溫度變送器的影響相對較小。
表38195;環(huán)境溫度變化引起644智能型溫度變送器精度的變化

由于熱電阻和熱電偶的精度穩(wěn)定性的時間是不同的，熱電阻的精度穩(wěn)定性時間要比熱電偶的精度穩(wěn)定性時間長一倍，也就是說使用熱電阻測溫傳感器比使用熱電偶測溫傳感器的穩(wěn)定性要好。644溫度變送器使用說明書也明確要求，為保持優(yōu)異的測量精度，在超出工廠環(huán)境溫度范圍時每臺溫度變送器都要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。
另外，對4-20mA+HART型智能溫度變送器而言，對于基金會現(xiàn)場總線溫度變送器，由于沒有變送器數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊精度的影響，即沒有b和d項產(chǎn)生的誤差，所以環(huán)境溫度對基金會現(xiàn)場總線溫度變送器的影響要小很多。
在選用一體化溫度變送器時，根據(jù)什么來判斷環(huán)境溫度是否極其惡劣呢？如何判斷環(huán)境溫度會超過60℃呢？儀表設(shè)計人員難予定義，而工藝設(shè)計人員也很難說清楚。什么情況下選用一體化溫度變送器，什么情況下不適合選用一體化溫度變送器似乎有很多不確定因素。而實(shí)際生產(chǎn)裝置中，還有很多因素會導(dǎo)致儀表的測量誤差下降，此處不再贅述。

        鑒于以上原因，當(dāng)被測介質(zhì)溫度較高或采用熱電偶測溫元件傳感器時，如果不確定其使用的環(huán)境溫度是否會超過60℃，需慎用一體化溫度變送器，可通過使用分體式溫度變送器或?qū)к壥桨惭b的溫度變送器來滿足所需的要求。