引言

如果不校準，最先進的工業設備也不會有太大作用。通過校準，對一臺設備進行的調整可以確保它按預期工作，可以確保我們可以依靠該設備提供可預見的、達到質量標準的精確結果。本白皮書由Omega提供，它解釋了什么是校準，為什么校準很重要，以及校準如何起作用。其中對NIST可溯源性進行了定義和討論，并且包括對基本校準的分步說明。本文還討論了企業內部校準與實驗室校準，并介紹了主要校準設備類型。

什么是校準？

簡言之，校準是對設備進行調整以使其達到廠商規格的過程。校準有時候也可以定義為發布數據。這些數據包括報告或校準證書，它們向最終用戶保證產品符合規格并且還可能符合外部標準，例如國際標準化組織的標準。例如，該組織的ISO 9001標準為行業設定了全球性規格。公司遵守這些標準，以確保其產品和服務為供應商和客戶所接受。校準的第二個定義稱為認證更恰當。

有設備需要校準的公司可能把該設備送到計量/校準實驗室，在那里，技術嫻熟的技師使用自身必須達到嚴格校準要求的測量/測試儀器，將設備調整到符 正在用來校準OS533E-DM紅外線溫度計的 OMEGA BB702高性能黑體校準源。于該儀表在應用中的工作效果如何。如果通過流量計的液體能夠磨蝕或腐蝕，儀表中的零部件可能會在極短時間內損壞。在有利條件下，同一流量計可能會持續工作數年而無需再校準。然而，一般情況下，應該至少一年執行一次再校準。當然，在重要應用中，再校準頻率將更高合規格或者確認設備已經符合規格。在工業過程中使用的全部或者一部分組件都可以校準。例如，溫度校準可能包括僅校準探頭、僅校準儀器或者校準與儀器連接的探頭（系統校準）。

一般而言，校準設備或校準器的精度至少要比被校準設備高四倍。通常，設備有一個校準范圍，技師在此范圍內的不同數據點檢查規格。正如Mike Cable在《校準：技師指南》中解釋的那樣，"校準范圍定義為‘限值之間測量、接收或傳送數量的區域，該區域通過聲明范圍下限值和上限值表示。’ 限值由零位值和范圍值確定。零位值該范圍的下限。范圍定義為范圍上限值與范圍下限值之間的代數差。"

在校準過程中進行的調整必須要在某些公差范圍內。這類公差表示相對設備規定精度的極小的、容許偏差。

以在企業內部進行、由第三方實驗室進行或者由廠商進行。再校準頻率因設備類型而異。例如，決定何時再校準一個流量計主要取決于該儀表在應用中的工作效果如何。如果通過流量計的液體能夠磨蝕或腐蝕，儀表中的零部件可能會在極短時間內損壞。在有利條件下，同一流量計可能會持續工作數年而無需再校準。

然而，一般情況下，應該至少一年執行一次再校準。當然，在重要應用中，再校準頻率將更高

校準器有哪些類型？

校準器的形式和功能因它們要校準的設備而異。用于校準紅外線高溫計（高溫溫度計）的黑體校準器通常有一個發射率極高的目標板，目標板的溫度可以控制在極窄的公差范圍內。要校準高溫計，將高溫計測得的目標板的溫度讀數與目標板已知的受控溫度進行比較。接著，對高溫計進行調整，直到兩者之間的任何差異小到無關緊要為止。

用于校準測溫探頭的金屬塊校準器包括一個金屬塊，該金屬塊可以加熱至精確溫度。這些溫度與插入金屬塊內的測溫探頭得到的溫度進行比較。一般情況下測溫探頭無法調整，因此這一過程是一種校驗過程，而不是真正的校準。

要校準盤裝儀表和溫度控制器等設備，常常使用一種稱為參比信號裝置的設備。它是一種可以產生已知電信號的校準器。這類設備可分為電壓、電流和頻率參比信號設備。在其中一種校準器提供的信號進入相關設備后，就可對設備的顯示值或輸出值進行調整，直到其與已知信號相符。模擬器是一種特殊的參比信號裝置，它產生傳感器輸出。通常，參比信號裝置和模擬器都可以讀取并且產生信號。

由于流化浴可提供安全、迅速的熱傳遞以及精確的溫度控制，它們可用于校準對溫度敏感的設備。流化沙浴溫度探頭校準器采用了流態化原理，當氣體（通常是低壓空氣或氮氣）向上流過部分填充有干燥、惰性氧化鋁顆粒的艙室時就會出現液態化。氣體慢速流動，使顆粒運動起來，把它們分開，讓它們懸浮起來并且達到穩態。這讓顆粒看起來如同湍流一般，像是沸騰的液體。不僅流態化固體的循環和流動如同液體一樣，它們還表現出優異的傳熱特性。插入流化浴中的溫度探頭極其迅速地達到穩定溫度，使校準更加簡便。

冰點校準參比室中熱電冷卻元件提供非常精確、穩定的0?C。盡管參比室常用來校準或檢驗溫度探頭，但它們有能力模擬熱電偶信號，這讓它們可用來校準或者檢驗讀取熱電偶的儀器。

Omega的計量實驗室擁有25'風洞，其中配有冷凍器、泵和冷凝器，可讓再循環空氣保持在穩定的溫度和流速。這種超大型設備用于校準風速計和葉片式傳感器。臺式風洞的工作原理相同，可在尺寸大幅減小的測試段產生極其均勻一致的流速。

為什么校準很重要？

1934年4月12日，新罕布什爾州華盛頓山頂峰上的一臺風速計測 量到有記錄以來的最高地面風速：每小時231英里。這個華盛頓 山風速計已經在1933年經過校準，并在測得這次世界記錄測量值 后再次校準，結果證明它是精確的。1997年12月，當一場臺風 席卷關島后，該記錄似乎被打破了，美國空軍基地的一臺風速計 記錄到時速達到236 mph的颶風。然而該讀數并未維持多久，因 為美國全國極端氣候委員會認定關島風速計不可靠。對于計量學 專家來說，舊記錄的繼續存在是說明校準重要性的生動一課。附 注：據信，在龍卷風中出現過大于231 mph的風速，但是至今沒 要使一家公司符合ISO 9001標準， 設備校準必不可少。 有記錄設備承受得住這種極端天氣。與傳言相反，華盛頓山風速計并沒有在1934年 那場風暴中吹走。今天，它被保留在華盛頓山的Observatory Summit Museum博物 館中。

要尋找校準被忽視時會出現什么情況的更加現實的示例，只需看看冷凍食品烹制指 南中的"烤箱溫度可能會變化"這句話就行了。出現這種警告的原因是大多數家用 烤箱自從出廠后就也沒有再次校準過。顯然，客戶可以容忍這種誤差幅度，但對于 廠商卻是不同。要使一家公司符合ISO 9001標準，設備校準必不可少。然而，僅規 則本身并未解釋為何最好的公司認識到經常正確進行校準的重要性。

以一家為客戶生產金屬桿件的公司為例，客戶要在流程用到這種桿件。假定，客戶 規定桿件的直徑為1英寸，公差為±1/500英寸。如果加工者用未經校準的游標卡尺 測量桿件直徑來檢驗其直徑，他怎么能夠充滿自信地說他交付的桿件就是客戶訂購 的桿件？

其它行業必定有過這種同樣的苦痛。如果一家塑料制品廠商沒有通過校準確保液態 塑料在精確且正確的溫度下進入注塑機，成品中就可能出現缺口或其它缺陷。在 HVAC行業，空調機裝有某種溫度控制儀表。如果廠商沒有定期對照空調的實際輸 出校準該儀表，他將永遠都不會知道他的設備是否發揮作用。

有人可能會問，為什么先進成熟的21世紀技術始終都離 不開校準。答案就是隨著時間的推移，基本上所有設備 的性能都會以某種方式降低，而作為制造過程中支柱的 電子設備也不例外。隨著部件老化，設備喪失穩定性， 并且偏離它們發布的規格。即便是正常的搬運也可以對 校準造成不利影響，野蠻操作無疑會使一臺設備的校準 徹底喪失（雖然其外表看上去完好無損）。

鑒于計劃周密的校準方案在質量、生產率和收入方面帶 來的好處，其成本是合理的。盡管小型校準任務完全可 以在企業內部使用現成校準器進行，但將校準視作重中 之重的大部分大中型企業會選擇獨立的計量實驗室/校 準實驗室提供服務。超大型公司可能會考慮向自動化設 備投資，而不是執行大量日常校準，然而這類設備（與 獨立實驗室使用的屬于同一類別）的價格昂貴，并且還 需要熟練技師操作。如果還必須從外部認證權威機構獲 得認證，也會增加成本。

什么是NIST可溯源性？

美國國家標準與技術研究院(NIST)隸屬于美國商務部，它監督管理著測量標準 與技術的發展，使之符合國際單位制(SI)。NIST還承擔著通過校準與其它服務將這些標準引入美國度量制的責任。為了幫助美國工業符合國際標準，NIST還提供讓企業可以確定測量結果可溯源性的實驗室認可及其它方案。

根據NIST的定義，可溯源性為“需要建立一條與聲明的基準值相比較的完整鏈條。”該鏈條的鏈節包括由連續測量結果的值和不確定性組成的已記錄比較。鏈條中每次測量的值和不確定性都可以通過中間參照標準一直溯源到可溯源性所聲稱的最高參照標準。據NIST稱，術語“可溯源至NIST”為“測量結果可溯源至由NIST制訂并維護的參照標準”的縮寫。

NIST可溯源測量結果的提供者可以是NIST自己，也可以是其它組織。NIST稱每年有超過800家公司把它們的測量標準與NIST掛鉤。隨后，它們可能在向客戶提供測量服務、遵守法規以及增強質量保證過程中遵循這些標準。

NIST執行重量校準，但它并不是這種服務的唯一提供者。NIST擁有維護美國國家質量標準的榮耀。這一標準稱為國家千克原器K20，它保存在NIST的保險箱中，是1889年授予美國的國際千克原器的精確復制器。國際千克原器保存在位于法國的Bureau International des Poids et Mesures（國際計量局）的保險庫內。該原器含有90% 鉑、10%銥。

千克在SI基本單位中是獨特的，因為它仍由人工物體國際千克原器定義，而其它基本單位的定義則需要參照基本物理性質。千克的原始定義為1升純水在4?C及標準大氣壓下的質量，但結果證明在實踐中該定義復制起來太難。

典型的校準包括哪些內容？

稱重系統可以很好地說明校準的一般準則。阿基米德和達芬奇通過在機械杠桿上放置經過校準的砝碼與未知重量達成平衡，從而確定其重量。這種設備一處變動是使用了多個不同長度的杠桿，并用單個標準砝碼來平衡。后來，校準過的彈簧取代了標準砝碼。

液壓和電子（基于應變計）稱重傳感器的使用代表著稱重技術中的第一次重大設計變革。在當今的工廠中，電子稱重傳感器在大多數應用中受到青睞。要檢查傳感器和稱重傳感器是否正常工作，用戶必須回答以下問題：當系統中空無一物或者未加載時，重量顯示值是否歸零？ 在砝碼加倍時，顯示的重量是否加倍？ 當負載的位置變化時（負載不平衡）時，顯示的重量是否保持不變？ 如果回答都為是，則稱重傳感器及傳感器有可能狀況良好。

在校準之前，應該按照下面的方式檢查機械系統以及稱重傳感器的安裝：

• 檢查稱重傳感器的電纜，并且把電纜盤起來，不要出現多余電纜。
• 如果稱重系統包括多個稱重傳感器，應該將負載均勻分布。如果稱重傳感器之間的差異超過10%，應對負載 進行重新平衡并且使用墊片調整。

• 在校準過程中，用戶應該能夠舉起容器，同時不會使其它稱重傳感器卸載或過載。系統設計應該考慮到升高以及水平拆卸 稱重傳感器的需要。

  

  對容器進行校準時，需要用吊架或支架支撐 住校準砝碼。對于ASME容器，必須在容器 制造時添加吊架或支架。達到精度為滿量程 的0.25%或更高的校準通常是用靜負載來進 行的，這也是唯一一種計量機構認可的校準 方法。

  

校準的第一步是使系統歸零：

• U 在靜負載校準過程中，使用標準砝碼均勻地將容器裝載到動負載容量的 10%。記錄重量顯示值，移除砝碼。接下來，向容器中添加過程材料，直 到重量指示器顯示與在顯示校準砝碼時相同的10%重量。重新向容器中裝 載校準砝碼并且記錄讀數（這次為大約20%）。重復這些步驟，直到達到 100%容量。
• U 體重校準是一種新奇并且更加快捷的方法，它使用預先稱好體重的人而不 是校準砝碼。過程與靜負載校準相同。如果有可能讓人受傷，切勿使用這 種方法。
• U "物質轉移"校準方法使用其它標度檢驗重量。這種方法受到參照標度精 度的限制，并且可能出現由在轉移過程中物質損失造成的誤差。
• U 只要主稱重傳感器的精度是被校準系統的期望精度的3或4倍，就可以使 用主稱重傳感器進行校準。此過程涉及在每一步增加負載，并計算被校準 稱重儀及主稱重傳感器的輸出信號。使用的分步數以及施加力的方法（液 壓或伺服電機）由用戶決定。

如果稱重傳感器引起問題，可以進行以下4項測試：

• 機械檢查：檢查稱重傳感器是否損壞。如果變形（與原始開關相比出現彎曲、拉長、壓扁），必須予以更換。查找所有金屬表面是否有扭曲或裂紋。屈面必須相互平行，并且必須垂直于端面。沿全長檢查所有電纜。電纜出現裂口或者磨痕可導致稱重傳感器短路。
• 零點平衡（無負載）：感應區的殘余應力是零點平衡偏差的常見原因。這些應力是使稱重傳感器過載或由周而復始的工作循環造成的。使用電壓表，在稱重傳感器上沒有重量時測量其輸出。讀數應在規定零點輸出信號的0.1% 范圍內。如果輸出超出零點平衡公差帶，表示稱重傳感器損壞，但有可能校正。
• 電橋電阻：測量每對輸入/輸出導線之間的電阻。將這些讀數與稱重傳感器的規格進行比較。一個或多個元件故障（通常由電瞬變或雷擊所致）是導致超公差讀數的主要原因。
• 對地電阻：連接所有輸入、輸出、感應和接地導線，然后使用歐姆表測量稱重傳感器外殼與這些導線之間的電 阻。讀數至少應該達到5,000兆歐。如果稱重傳感器未能通過此測試，在沒有地線的情況下做第二項測試。如果 測試再次失敗，稱重傳感器需要維修；但是如果測試成功，問題可能在電纜上。水氣滲入可能會在稱重傳感器的 電子器件與外殼之間形成短路。