圖片來源：Endress+Hauser
作者：Adam Booth
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利用智慧儀表協調校準和驗證，工廠人員可以實現維護任務的自動化並提高生產效率。
”
透過量化工況，儀表在工業過程中發揮著至關重要的作用，其測量會影響產品質量和運營安全。所有儀表，即使是最精確的儀表，都會表現出一定程度的測量誤差，即測量值和參考值之間的差異。
誤差的大小取決於儀表的型別、功能和工況，並且誤差通常會隨時間的增加而增加。因此，一般需要對這些誤差進行量化，以確定測量是否足夠可靠，是否能夠達到其預期目的。
儘管校準對於準確、高效和安全的生產至關重要，但如果處理不當，校準可能耗時且成本高昂，還會導致停機並引發事故。為了確定測量可靠性、工廠效率和過程安全的最佳平衡，定義每個儀表的精度要求以及必須校準儀表的頻率至關重要。
過於頻繁的校準會浪費企業資源並造成計劃內停機過多，但儀表校準過少，則會對產品質量、合規性和安全產生不利影響，同時增加計劃外停機的可能性。
校準與驗證
校準是在定量測量和已知參考之間建立關係的過程。驗證通常是提供客觀證據的定性規定，證明給定的測量滿足規定的要求。
校準測試的目標，是確定給定裝置（被測單元）的測量誤差。一旦知道測量誤差，被測試單元就可以用作校準另一個儀表的參考，主儀表驗證是這種做法的常見案例。該校準鏈必須始終指向國家或國際主要參考，以保證計量的可追溯性（圖1）。
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圖1 ：儀表校準對參考標準的可追溯性， 可以確保校準的有效性。
驗證的概念更為廣泛， 通常指將校準結果與特定要求進行比較， 以確定合規性。用於驗證的最常見要求是最大允許誤差（MPE），由製造商、計量機構、終端使用者或監管機構定義。如果透過校準確定的裝置測量誤差小於MPE，則儀表滿足規定要求並透過驗證測試（圖2）。
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圖2 ：基於流量計最大允許誤差（MPE）的驗證測試。
通常情況下，MPE 透過臨界評估和每個儀表測量誤差的後果來確定。MPE 與監管要求相結合，通常用於確定校準頻率和程式。
具有嚴格M P E 的儀表， 通常必須在嚴格的條件下進行實驗室測試，但對於MPE 不太嚴格的儀器，評估人員可以採用破壞性較小的校準方法，甚至線上驗證。
對於受支援的專用儀表，線上驗證降低了校準頻率，從而提高了工廠的可用性，同時還可以降低運輸過程中損壞的風險，以及必須將儀表從過程中移除然後重新安裝到過程中出錯的風險。此外，隨著時間的推移，這種更為頻繁且易於使用的驗證方法，使執行人員能夠跟蹤儀表的效能，提供測量漂移的早期預警，從而減少計劃外停機時間。
儀表校準間隔
校準間隔定義為兩次校準之間的時間。校準間隔應根據儀表的關鍵性和測量誤差漂移到可接受範圍之外的風險來確定，但通常情況並非如此（圖4）。
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圖4 ：儀表測量誤差的風險，隨著時間的推移而增加，應確定校準間隔，以將該誤差保持在可接受的範圍內。
實際上，大多數校準間隔是使用反應性方法確定的，在這些方法中，最初的校準間隔設定在一個方便的頻率，然後根據先前校準的資料進行調整。該程式的問題是，它不試圖建模或預測隨時間變化的測量可靠性。
在建立滿足可靠性目標的時間間隔方面，反應性方法通常不如統計方法有效，並且通常需要數年才能達到穩定狀態。
流量計和移動校準
通常透過溼法標定（ w e t c a l i b r a t i o n），來滿足對分析感測器進行定期檢查的法規要求，這需要將感測器（如pH 或電導率探針）浸入到參考溶液中。對於流量計來說，必須使用過程介質生成一個已知的流速。
這類溼法標定很容易在實驗室環境中進行，因為在實驗室中環境受控，儀表可及，且具備必要的裝置。但在生產系統中，通常不具備上述條件，因此在實驗室中執行的相同校準程式，在生產環境中通常無法發揮作用。
在過程工廠中，溼法標定還有另外一個缺點：感測器通常必須從過程中移除，併發送到實驗室進行驗證，然後運回工廠並在校準後重新安裝。在這個過程中，可能會發生運輸或誤操作損壞，並且無法檢測到這些損壞，從而導致最新校準的儀表無法根據實驗室驗證的結果執行。
為了將過程影響降至最低，許多設施選擇在現場校準溫度、壓力和分析儀表，但因為流量計校準需要專用裝置，必須將其送往實驗室進行校準。但工廠人員還有另外一種選擇：在現場使用經認證的、配置了移動校準裝置的流量校準器（圖5）。
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圖5 ：現場校準和實驗室校準的估計時間比較。
這種型別的現場儀表校準具有如下優勢：
• 提高工廠可用性；
• 無需拆卸和裝運裝置；
• 與實驗室中檢測到的錯誤相比，為錯誤源提供了更多的情境資訊；
• 將額外庫存和備件的需求降至最低，因為被校準的儀表停止使用並重新投入使用的時間較短。
這種移動方式方便且經濟高效，無需將儀表運送到異地。但是，在儀表停止使用，以及在重新佈線和恢復服務期間，當需要開啟主要工藝迴路和停用電子裝置時，技術人員仍必須採取預防措施。
智慧儀表和技術進步
現代智慧感測器通常設定為可以儲存校準記錄，有些感測器甚至可以執行自校準。例如，現代製藥級蒸汽就地溫度感測器，就包含一個高精度基準，被稱為“居里點”（又作居里溫度），在蒸汽就地滅菌迴圈期間，該基準在特定的居里溫度下會發生突然的鐵磁變化。可以透過電子方式檢測到特性變化，在達到居里溫度時觸發自動過程值檢查點（圖6）。
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圖6 ：自校準溫度感測器，透過在每個蒸汽就地迴圈期間進行自檢，消除了手動校準停機時間，為關鍵過程提供了準確的測量保證。
雖然流量計無法實現自校準技術，但許多其它技術進步正在簡化校準和驗證程式，並提高測量的完整性。這些進步包括：
• 具有可拆卸感測器的儀表，因此接線保持完整，減少電氣重新佈線的錯誤。
• 感測器儲存校準證書，與手持維護裝置同步，用於審查和審計跟蹤。
• 預先校準的感測器可以快速輕鬆地更換，減少停機時間。
• 現場測試方法，支援線上驗證。
• 內建感測器自診斷，提供故障預警。
• 智慧變送器可連續掃描問題，在感測器需要清潔或校準時提醒執行人員。
關於校準和驗證的建議
關於校準和驗證關鍵點的簡要概述包括：
• 校準具有定量結果。
• 通常，驗證報告以定性方式釋出，例如透過- 失敗標準。
• 校準後的驗證確保了裝置測量的最高質量。
• 可以在兩次校準之間進行無校準的驗證，通常可以延長所需的校準間隔。
• 認證校準和驗證程式中需要可追溯性。
當今的許多儀表具有診斷問題、執行驗證和生成可審計報告的內建功能，簡化了校準和驗證相關任務，並減少了手動干預和工廠停機要求。當線上校準不可行時，更少、更快的離線校準可以提高裝置的整體效率。
這些智慧儀表使工廠人員能夠實現最大的正常執行時間，同時保持合規性並維護最高水平的安全性。從某種程度來說，企業的競爭優勢取決於準確的測量和高效的生產，透過最佳化校準程式和儘可能使用線上驗證，工廠人員可以確保盈利、合規和安全執行。
關鍵概念：
■ 企業的競爭優勢取決於準確的測量和高效的生產。
■ 經常進行校準和驗證測試，有助於確保準確性並減少潛在停機時間。
■ 現代智慧儀表通常可以儲存校準記錄，有些感測器甚至可以執行自校準。
思考一下：
您多久對過程儀表進行一次測試，並採取哪些預防措施來減少停機時間？
