坐标校准，验证，提高测量精度

通过利用智能仪器和协调校准和验证，工厂人员可以自动化维护任务并提高生产力。

通过亚当·布斯和内森·海德里克 2022年6月13日

礼貌:Endress +豪泽

学习目标

一个组织的竞争优势取决于准确的测量和高效的生产。
经常进行校准和验证测试，以确保准确性并减少潜在的停机时间。
现代智能传感器通常设置为存储校准记录，有些甚至可以进行自校准。

仪器通过量化条件在工业过程工程中起着至关重要的作用，其测量影响产品质量和操作安全。所有的仪器，即使是最精确的仪器，都有一定程度的测量误差，即测量值与参考值之间的差异。

误差的大小取决于仪器的类型、功能和状况，误差通常随着时间的推移而增加。因此，通常需要对这些误差进行量化，以确定度量是否足够可靠，能够满足其预期目的。

虽然校准对于准确、高效和安全的生产至关重要，但如果处理不当，可能会导致停机和事故。为了确定测量可靠性，工厂效率和过程安全的最佳平衡，定义每种仪器的精度要求以及仪器必须校准的频率至关重要。

比必要的校准更频繁会浪费资源，并造成计划停机时间的过剩，仪器校准太少会对产品质量、法规遵从性和安全性产生不利影响，同时增加计划外停机时间的可能性。

图1:仪器校准对参考标准的可追溯性确保了校准的有效性。礼貌:Endress +豪泽

校准与验证

校准是在定量测量和已知参考之间建立关系的程序。验证通常是对给定测量满足规定要求的客观证据的定性提供。

校准测试的目的是确定给定设备的测量误差，称为被测单位(UUT)。一旦测量误差已知，UUT可以用作校准其他仪器的参考，主仪表证明是这种做法的常见示例。这个校准链必须始终指向国家或国际主要参考，以保证计量可追溯性(图1)。

验证的概念更为广泛，通常指的是将校准结果与规定的要求进行比较，以确定是否符合要求。用于验证的最常见需求是最大允许误差(MPE)，由制造商、计量组织、最终用户或监管机构定义。如果仪器通过校准确定的测量误差小于MPE，则该仪器满足规定的要求并通过其验证测试(图2)。

图2:基于流量计最大允许误差(MPE)的验证测试。礼貌:Endress +豪泽

MPE通常通过临界性评估和每个仪器的测量误差结果来确定。MPE与法规要求相结合，通常用于确定校准频率和程序。

具有严格MPE的仪器通常必须在严格的条件下进行实验室测试，但是评估人员可以使用破坏性较小的校准方法，甚至可以对具有较不严格mppe的仪器进行在线验证(图3)。

对于支持的专用仪器，在线验证通过减少校准频率，以及在运输过程中损坏的风险和在必须从过程中移除仪器时重新安装时的错误，提高了工厂的可用性。此外，这种更频繁、更容易获得的验证方法使操作人员能够长期跟踪仪器的性能，提供测量漂移的早期通知，以减少计划外停机时间。

图3:Endress+Hauser Heartbeat Technology自动生成内联验证记录，增加校准之间的间隔，减少手工报告的需要。礼貌:Endress +豪泽

仪器校正间隔

校准间隔定义为两次校准之间的时间。校准间隔应根据仪器的临界性和测量误差漂移超出可接受范围的风险来确定(图4)，但通常情况并非如此。

实际上，大多数校准间隔都是使用反应性方法确定的，这些方法最初将间隔设置在一个方便的频率上，然后根据先前校准的数据进行调整。这个程序的问题是它没有尝试建模或预测随时间推移的测量可靠性。

在建立满足可靠性目标的间隔时，反应方法通常不如统计方法有效，并且通常需要数年才能达到稳定状态。

图4:仪器测量误差的风险随着时间的推移而增加，应确定校准间隔以使该误差保持在可接受的范围内。礼貌:Endress +豪泽

流量计和移动校准

对分析传感器进行定期检查的法律要求通常通过湿校准来满足，这需要将传感器(如pH值或电导率探头)浸入参考溶液中。在流量计的情况下，必须使用工艺介质产生已知的流量。

这种类型的湿校准很容易在实验室环境中进行，在实验室环境中，环境是受控的，仪器是可访问的，必要的设备是在手。但这些条件通常在生产系统中找不到，因此在实验室中执行的相同校准程序通常不适用于生产环境。

湿校准在工艺工厂中还有另一个缺点，因为传感器通常必须从工艺中取出并送到实验室进行验证，然后运回工厂并在校准后重新安装。在这个过程中，可能会发生运输或操作不当造成的损坏，而这些损坏却未被发现，导致最近校准的仪器不符合实验室验证的结果。

为了使过程影响最小化，许多设施选择在现场校准温度，压力和分析仪器，同时由于需要专门的设备，将流量计送到实验室进行校准。但是对于工厂人员来说，还有另一种选择:能够在现场使用经过认证的流量校准器和移动校准设备(图5)。

图5:现场校准与实验室校准估计时间的比较。礼貌:Endress +豪泽

这类现场仪器校准:

提高工厂的可用性。
消除了拆卸和运输设备的需要。
与在实验室中检测到的错误相比，为错误源提供了更大的上下文。
最大限度地减少对额外库存和备件的需求，因为校准仪器很快就会停止使用并重新投入使用。

这种移动方法方便且具有成本效益，无需将仪器运离现场。但是，在仪器从服务中移除、重新布线和恢复服务期间，技术人员仍然必须采取预防措施，打开主要过程回路和停用电子设备。

智能仪表，校准证书

现代智能传感器通常设置为存储校准记录，有些甚至可以进行自校准。例如，现代制药级蒸汽就地温度传感器包含一个高精度参考，称为“居里点”，在蒸汽就地灭菌周期中，在一定的“居里温度”下经历突然的铁磁变化。可以通过电子方式检测属性的变化，在达到居里温度时触发自动化的过程值检查点(图6)。

图6:自校准Endress+Hauser iTHERM TrustSens温度传感器通过在每次蒸汽原位循环中进行自检，消除了手动校准停机时间，为关键过程提供了准确的测量保证。礼貌:Endress +豪泽

虽然自校准技术不可能用于流量计，但许多其他进展正在简化校准和验证程序并提高测量完整性。这些进步包括:

带有可拆卸传感器的仪器，使线路保持完整，减少电气重接线错误。
传感器存储的校准证书，与手持式维护设备同步，用于审查和审计跟踪。
预先校准的传感器，可以快速轻松地更换，减少停机时间。
现场测试方法，实现内联验证。
内置传感器自诊断，提供提前故障警告。
持续扫描问题的智能发射器，当传感器需要清洗或校准时提醒人员。

校正、检定建议

对校准和验证要点的简要概述包括:

校准有一个定量结果。
通常，验证报告是用定性术语发布的，例如通过-失败标准。
校准后的验证确保了设备测量的最高质量。
无需校准的验证可以在两次校准之间进行，通常会延长所需的校准间隔。
经过认证的校准和验证程序要求可追溯性。

今天的许多仪器都具有诊断问题、执行验证和生成可审计报告的内置功能，简化了校准和验证相关的任务，并减少了人工干预和工厂停机需求。当在线校准不可行时，更少、更快的离线校准可以提高设备的整体效率。

这些智能仪器使工厂人员能够实现最大的正常运行时间，同时保持法规遵从性并维护最高程度的安全性。一个组织的竞争优势取决于准确的测量和高效的生产，通过优化校准程序和尽可能使用在线验证，工厂人员可以确保有利可图、合规和安全的操作。

亚当·布斯流动产品是营销经理和内森·亨德里克是全国产品经理，都在Endress +豪泽。编辑克里斯·瓦夫拉，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com。