环路校准新方法—温度、流量、压力、阀门

仪表技术员目前依然在沿用多年前的习惯做法，常常听人说：“我们一直都是这么做的。”计量技术还在不断发展，仪表精确度也越来越高。

影响有效控制、安全操作、质量标准或其他标准的仪表设备需要定期校准。在大多数情况下，工作调度方式仍较为传统，个别特殊场合的调度方式也随着时间的推移逐步发生变化。仪表技术员还在沿用多年前的习惯做法，常常听人说：“我们一直都是这么做的。”计量技术还在不断发展，仪表准确度也越来越高。当然，计量技术也变得越来越复杂，为什么沿用测试气动变送器的方法来测试FF现场总线变送器？标准五点，上下行程测试， 1%或2%的公差范围，这些都已经无法完全适用今天更精细化的应用要求。总体而言，只有相关人员具备专业技术，拥有专业测试设备，才能顺利完成校准任务。像贝美克斯 MC6高级现场通讯器和校验仪就是精细化、高精准、多功能校准设备，就能有效校准那些多变量、智能化高端仪表。鉴于仪表设备的复杂性，校准技术员面临比之前更大的工作压力。工厂30年以上工龄的老技术员开始退休了，年轻技术员又无法立即填补空缺，或简单地将任务派发给外包人员。为改善品质、监控环境、响应政府法规要求，越来越多企业开始对文档化记录有了要求。企业经常借助像贝美克斯 CMX这样的校准管理软件保存数据、分析数据、生成校准证明、出具校准报告等。由此可见，为保证企业生产活动正常进行，我们应重新审视和评估这些习惯做法，考虑采用更简单、更高效的仪表设备检测方法。现在有了先进的回路测试校准技术，这已不是什么新鲜概念了。在一些情况下，最好的做法是对单个仪表进行校准，尽可能使其达到最高精准度（比如贸易结算计量系统）。然而，我们可以将仪表端对端连在一起形成回路，然后进行测试，如果测试读数在允许公差范围内，那么就没必要断开回路，再测试单个仪表。为提高效率，企业通常要谨记，尽可能减少工厂停机停产、尽可能提高技术员作业效率，并有效控制和预防事故发生，保持安全和谐的工作环境。

回路，不同工作背景和行业的人，会有不同理解。

什么是环路？

对于环路，不同工作背景和行业的人，会有不同理解。实际上，环路是指多个仪表设备连接组合在一起，完成单次测量或触发过程工厂某个控制动作。典型的温度回路是将温度元件（热电阻或热电偶）与变送器连接起来，变送器再串联至本地数显表，再接入控制系统输入卡（DCS或PLC）。这样，信号就会显示在一个或多个控制面板中，最终实现通过计量控制过程的目的。评估测试回路时，最重要的是要区分，要运行闭环测试还是开环测试？

闭环回路是一种端对端测试，以温度回路为例（图1），首先要将温度元件从流程中取下，然后将其放置于温度炉（比如贝美克斯温度校准炉）中或温度槽内，以模拟过程温度。最终显示的测量数值，还将与模拟温度进行比较，并解释误差，闭环测试是最好的做法。如果控制回路中获得了准确的温度设定，那么独立仪表的性能则非关键因素DCS/PLC数值将用于控制变更、警报、通知等。但是，如果回路测量存在明显错误，则应逐一检查，并纠正回路中每台仪表的错误，才能确保最终测量结果恢复正常。在一些情况下，是无法进行闭环测试的。比如示例中的这个回路，想要从流程中取出探针，或者将探针插入温度炉或温度槽内，难度较大或造价过高。遇到这种情况时，我们可以执行开环测试，断开温度元件与变送器之间的连接，用温度校验仪模拟信号发送至变送器。像闭环测试一样，最终显示的测量数值，还要与模拟温度进行比较，并判定误差。当环路断开时，最好能检查安装的温度元件，执行单点测试。比如将具有合格证书的探头或温度计临时接入流程，并将连接到校验仪上的测量结果与元件的输出结果进行比较，完成单点测试。

环路误差分析

在某种程度上，误差限值较难确定，且人们在设定误差限值时常出现诸多问题。常见的判断方法是，基于制造方指标设定过程测量误差。一些制造方还比较不错，但是对于仪表精度指标，销售部门与研发工程师可能会说法不一。而且，精度报告通常是“现成的”标准数值，并不包括长期稳定性（特别是明显的误差成分）、重复性、温度影响等说明。传感器和变送器的精度，应该考虑系统过程测量的误差为多少，而不是最终数值。最好的办法是，控制工程师、质量工程师和安全工程师三方一起讨论，共同设定一个普遍可行的、切合实际的误差范围。务必谨记，公差设得越窄，成本可能会更高，不仅是过程计量成本，还有仪表维保成本。指定公差范围，应充分考虑实现有效控制、打造最高品质和保持高安全性、最大程度减少停机事故、提高技术员作业效率、或采用效果最好的测试设备等诸多因素之间的平衡问题。在实际操作中，常见误差范围是±1%（或者±2%，甚至±5%）。但是，这些误差类型都不太适用于流量计量仪（特别是读数百分比/比率）或分析仪表（比如pH或ppm）。从回路的输入工程单位方面考量误差，不失为是一种好办法。参考温度回路示例（图1），相关人员应重点讨论最低允许温度误差，确保该误差不影响产品品质、保证人员安全、能达到最高作业效率，且能通过校准或检测设备真实测量到。明确回路误差的另一难点在于，与回路中那些测不准确的元件一样，给定回路同样很难做到十分精准。现在的变送器精确度非常之高，性能十分优良。然而，温度传感器又常常无法达到同等精准水平，在不同操作流程中，总会出现明显漂移。如果普通RTD热电阻额定精度为±0.5 ℉，那控制工程师就不能期望过程控制精度能超过±0.5 ℉。实际上，虽然变送器和DCS模数转换可以显著提高精度，但我们必须认识到，这些元件会给回路测量增加额外误差。用统计平均值或平方根（RMS）计算，是算出回路误差的常见做法。参考温度回路示例，假设RTD传感器的额定精度为±0.5 ℉，变送器的公差范围为±0.10% （量程=50至250 ℉），DCS输入卡的公差范围为±0.25%（量程==50至250 ℉），那么该回路误差的计算方法如下：

最保守的做法可能是把所有误差简单相加（即0.5 + 0.2 + 0.5 或 ±1.2 ℉）。但最终确定误差范围时，应根据误差可能给流程带来的影响、或可能涉及的风险，综合评估测量结果的危险程度。讨论到这里还不算完。控制工程师会争取将误差降到最低（±0.75 ℉），但误差还会受其它因素影响。因此有必要对测试设备进行正确评估。典型温度校准炉误差可能在0.3 ℉至1.0 ℉之间，较理想的做法是，检测设备与过程测量的误差比率为4:1。为进行适当的温度模拟，需要同时使用一个参考温度探头（RPRT或SPRT，参考或二等温度计）和一台精密铂电阻（RPT）测温仪，比如带可选参考温度探头RPRT的贝美克斯MC6，测量误差可精确至0.1℉-0.2℉。这样一来，企业可能要投入额外资金购买检测设备，行业不同投入多少不尽相同；而值得注意的是，检测设备精准度越高，设备维保费用也就越高。比如，如果品质工程师报告指出，要生产好产品，误差就必须控制在±5 ℉之内，怎么办？为什么要给仪表部门增加不必要的负担？如果控制工程师没有异议（输入信号的可靠性、安全性等方面），假设温度校准炉精度为±0.5 ℉，量程为50 ℉-250 ℉，那么我们可以将回路允许公差设为±2.0 ℉。尽管不如回路中仪表那么精确，但为了生产出高质量产品，按照这样的比例设定公差要比2:1比率好得多，校准技术员通过简单的设备组合就能完成操作。虽然这仅仅是一种情形，但找出回路中“最薄弱环节”、不设定不切实际的误差范围，这确实是种好办法。考虑到能源成本或过程效率问题，这种分析方法表明，如果误差带来过高的代价或风险，企业应在检测设备上多投资，多检测校正设备。企业只有具备良好的判断能力，才能取得多方平衡，避免不合理的测试要求，实现生产制造目标。

环路测试示例

温度环路测试示例

如果某过程工厂像示例（图1）这样，拥有几百个温度回路，那么回路测试就能凸显出它的优势。虽然用温度校准炉测试要花不少时间，但校准技术员可以用两台、三台、甚至更多仪表组成回路，同时测量多台仪表，提高测试作业效率。企业购买更可靠、高准确度的温度探头，以最大程度降低失误。基于过程需要，可能有必要增加测试频次，但不论何种情况，企业管理层应充分相信，这种方法能让测量更可靠。通过不断重复操作，技术员可以发现一些常见问题，也能提高作业效率。若每次校准工作都做好了相应的文档记录，那么我们可以根据相关数据，分析测试周期，合理延长或优化测试周期。故障处理、紧急维保等情况常有发生，但每次发生该类情况时，我们都应重新调整回路测试周期。这种系统性回路测试办法，将厂内所有仪表设备连接起来，同时最大程度降低其他因素对回路准确性的干扰，为控制系统带来最理想的测量效果。

多变量环路示例

流量计量难度大，性能容差要求非常严苛。天然气或蒸汽计量时，任何微小误差，都可能在贸易结算时产生极大差异，因此企业管理层对这方面的要求格外苛刻。比如，孔板测量时，常将静压和过程温度等影响因素考虑进去，以补偿差压测量误差。这三种测量都可以通过DCS系统进行精准流量计算。现有DP流量计大部分集成过程RTD和静压计量功能于一体，提供流量测量输出补偿。智能变送器还内置流量计算功能。

如果这三种测量由控制系统独立处理，除采用典型的测试流程以外，还应进行回路测试，以验证补偿流量读数的准确性。尽管多变量仪表看起来很复杂，但可以通过回路测试，逐个检测各计量组件，确保流量计计量的准确性，所提供的计量精度读数均能达到理想的百分比。以蒸汽计量应用为例：

指标	范围
输入压力范围：	0 – 250 inH₂O
RTD 输入范围：	-200 F – +800 ℉
正常过程温度：	450 ℉
静压输入范围：	0 – 800 psi
环境气压：	14.735 psia (年平均本地环境气压)
输出：	4 – 20 mA (常规范围0 -1500 lbs/hr, 精度读数±1 %)

本示例中，应设计为非线性测试，假设恒定典型温度为450 ℉，静压为14.735psi，变送器低压侧通大气进行测量，计算出特定压力输入测试点的预期lbs/hr输出。向控制工程师咨询后，预期测量结果可能如下所示：

inH₂O	mA	Lbs/Hr
0.00	4.0000	0.0
30.00	7.6250	339.8
60.00	9.2202	489.4
90.00	10.4787	607.4
120.00	11.5717	709.8
150.00	12.5634	802.8
180.00	13.4872	889.4
200.00	14.0738	944.4
225.00	14.7845	1,011.0
250.00	15.4743	1,075.7

在测试多变量变送器方面，贝美克斯 MC6独具优势。我们可将后续非线性表录入贝美克斯 CMX校准管理软件，建立特定标签，并下载至MC6设备上进行测试。另外，可以利用多个过程变量校准每个HART通讯数值，完成三组补偿输出运算中使用数据测试。唯一需要额外配备的检测工具仅是贝美克斯温度校准炉。回路测试只需要简单地完成inH₂O 和 lbs/hr五点测试，即：0%, 50%, 100%, 50% 和 0%。如果每次测量精度读数都在1%以内，那么技术员就可以收拾好工具，准备测量下个仪表了。如果回路测试结果勉强合格或不合格，那么，技术员就要继续执行DP压力与HART数据，RTD温度与HART数据，静压与HART数据三组测试，并根据需要作出适当调整。将三个变量输入流量计算后，可速检查4-20毫安输出信号。如果需要调校某个或多个输入，调校好的流量最终“校准后”环路测试结果可存档记录输出，表明该仪表工作状态良好。以检测多变量回路的非线性输入与流量输出为主的测试办法，非常省时高效，让仪表技术员的维保工作更简单轻松。

其他环路示例

压力回路检测难度并不大，只要给输入变送器施加压力，并将其与DCS或最终控制读数进行比较即可。使用回路测试方便快速，比单独检测变送器效率更高。我们应对所有控制回路进行回路测试，以帮助技术员提高工作效率，确保控制计量尽可能准确。我们也可以考虑采用相同的方法测试控制阀，将电流压力（I/P）变送器中的毫安输入信号与毫安输出信号（反馈）进行比较。该方法也同样适用于智能控制阀门定位器，利用通讯器驱动阀门动作，监控数字反馈信号。设置10%的测试点，对阀门进行快速测试，验证其是否正常运行。如测试结果显示通过，技术员可以对其他关键控制阀门进行快速测试。流量计量回路中的一些主要元件（比如孔板、阿牛巴流量计或皮托管），往往容易被忽视。然而，这些元件会给流量计量的准确度造成重要影响，尽管无法对其进行校准，但应检查其是否有损坏或磨损。安全仪表系统（SIS）是回路测试应充分考虑的另一重要方面。当流程结束后，应按照测试程序的规定方法，逐一校准单个仪表。然而，我们还应尽可能考虑检查整个回路，验证整个回路中关键计量的准确性，特别是温度校准（用校准炉或校准槽）或压力校准。而且，整个流程启动并开始运行时，要尽量简单快速地检查SIS安全仪表系统，确保该系统正常运行。

结论

在许许多多过程工厂，人们只是简单地检查校准变送器。虽然用温度校准炉校准比较花时间，但不妨想想所有测量均通过这些设备得出，那么对这些设备进行检测校准是多么重要。不仅只有变送器可能出现漂移，温度探头会因热应力、振动或物理损坏而出现漂移。DCS/PLC输入卡也跟变送器一样会出现漂移，甚至更甚。若不进行回路测试，如何保证计量的准确性和有效性？没有准确有效的计量，如何保证工厂达到理想的控制水平、安全性、可靠性和高品质？随着仪表设备和自动化的不断发展，仪表校准方法也应与时俱进。回路测试并不是新概念，但并没有被人们视为检测仪表设备的有效办法，而加以广泛应用。贝美克斯解决方案为您带来最高水平自动化作业，提供详尽的文档化电子报告。我们可以采用全新的方法完成校准任务，通过回路校准法有效连接厂内所有仪表设备，助您事半功倍。合理认真地做好回路测试规划，能有效提高工厂控制能力，始终保持产品的高质量，保证生产运作的可靠性和安全性。