影響壓力測量審核結(jié)果的因素分析

張賢

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

測量審核是將一個(gè)性能穩(wěn)定且具有參考值的樣品寄送給實(shí)驗(yàn)室，將實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果與參考值進(jìn)行比較，從而判斷該實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)結(jié)果是否為滿意結(jié)果，要想得到一個(gè)客觀準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)裝置性能是否良好，校準(zhǔn)方法是否正確，影響量分析的是否全面，數(shù)據(jù)處理是否合理都會(huì)對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生影響，以下從幾個(gè)常見的壓力測量審核問題進(jìn)行分析總結(jié)，提出一些有針對性的解決方法。

1 專用砝碼質(zhì)量超差問題

選用活塞式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行測量審核，有些實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果誤差呈線性趨勢變化，原因主要是專用砝碼存在以下幾個(gè)問題:

1)有的實(shí)驗(yàn)室只送檢活塞，不對活塞的配套專用砝碼進(jìn)行量值溯源。

2)有的實(shí)驗(yàn)室雖然送檢專用砝碼，得到了實(shí)際的砝碼質(zhì)量值，但由于砝碼本身沒有調(diào)整腔 (一些國外活塞)，上級計(jì)量機(jī)構(gòu)無法對砝碼質(zhì)量值進(jìn)行調(diào)整，只出具了校準(zhǔn)證書，申請實(shí)驗(yàn)室沒有對校準(zhǔn)證書確認(rèn)是否滿足使用要求，誤認(rèn)為計(jì)量沒有問題了。

3)有些實(shí)驗(yàn)室使用雙活塞式壓力計(jì)，共有一套專用砝碼，專用砝碼質(zhì)量允差無法兼顧到兩個(gè)活塞，造成輸出值有問題。

4)沒有區(qū)分折算質(zhì)量和真空質(zhì)量，質(zhì)量專業(yè)按照砝碼檢定規(guī)程一般給出折算質(zhì)量。折算質(zhì)量的定義［1］:一物體在約定溫度和約定密度的空氣中，與一約定密度的標(biāo)準(zhǔn)器達(dá)到平衡，則標(biāo)準(zhǔn)器的質(zhì)量即為該物體的折算質(zhì)量。約定溫度tr為20℃，約定的空氣密度ρ0為1.2 kg/cm3，砝碼折算質(zhì)量的約定密度為 ρref為8000 kg/cm3;壓力專業(yè)按照活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程給出的是真空質(zhì)量，兩者之間存在差距，砝碼的真空質(zhì)量值與折算質(zhì)量值的換算關(guān)系為

假設(shè)空氣密度變化不大，均采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度ρ0，折算質(zhì)量值為1 kg，計(jì)算不同的砝碼材料真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量偏離值見表1。

表1 不同的砝碼材料真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量值偏離值

由以上數(shù)據(jù)可以看出，砝碼的折算質(zhì)量值，已不再是該砝碼的真空質(zhì)量值，兩者之間存在著一個(gè)偏離量值。偏離量值的大小，取決于該砝碼的實(shí)際密度與統(tǒng)一約定密度之間的差。差值越大，偏離量值也越大，在砝碼不是不銹鋼的情況下 (砝碼密度偏離8000 kg/m3越大)，真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量值的偏差越大，所以實(shí)際工作中一定要將折算質(zhì)量值換算為真空質(zhì)量值再進(jìn)行比較才有意義。

針對以上4種問題，解決辦法如下:

1)活塞式壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，專用砝碼作為主要設(shè)備必須溯源，有砝碼計(jì)量能力的單位可以自己計(jì)量，但要有證書。

2)砝碼計(jì)量后，將得到砝碼折算質(zhì)量值，通過公式換算為真空質(zhì)量值，將此值與活塞式壓力計(jì)證書里給出的砝碼真空質(zhì)量值進(jìn)行比較，看是否在質(zhì)量允差內(nèi)，要進(jìn)行確認(rèn)，不滿足要調(diào)整砝碼。我所對于計(jì)算值與實(shí)際值不一致的情況，一般活塞證書出具校準(zhǔn)證書。

3)針對砝碼不可調(diào)整或雙活塞壓力計(jì)共用一套砝碼情況，首先要確認(rèn)，如不滿足要求，應(yīng)采取措施:①利用計(jì)算軟件進(jìn)行修正 (工作量比較大，且不易控制);②調(diào)整砝碼在允差內(nèi);③雙活塞時(shí)，最好另加工一套砝碼。

4)由計(jì)算公式將質(zhì)量專業(yè)給出的折算質(zhì)量值換算為真空質(zhì)量值，再與壓力專業(yè)給出的真空質(zhì)量值進(jìn)行比較，由質(zhì)量差值調(diào)整砝碼或進(jìn)行修正。

2 “反校法”存在問題

一些單位用數(shù)字壓力計(jì)做標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用的“反校法”，該方法在計(jì)量技術(shù)2002No2有一篇精密壓力儀表儀器半自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的文章中詳細(xì)介紹，即通過手動(dòng)操作壓力校驗(yàn)器，將被檢壓力表的指針固定在整數(shù)檢定點(diǎn)，這時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)的示值，通過公式被檢表讀數(shù)=2×檢定點(diǎn)實(shí)際值－標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表讀數(shù)反算出被檢精密壓力表數(shù)值。這種檢定方法不符合JJG 49-2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程［2］中對檢定條件的要求，表2列舉了使用規(guī)程檢定方法和反校法檢定同一塊精密壓力表得到的對比數(shù)據(jù)。

表2 規(guī)程檢定方法和反校法檢定精密壓力表數(shù)據(jù)對比 MPa

由表2可以看出，兩種方法得到的數(shù)據(jù)有差異，經(jīng)過分析使用反校法存在以下問題:

1)讀取標(biāo)準(zhǔn)示值時(shí)，示值往往不穩(wěn)定，這是由于系統(tǒng)內(nèi)壓力沒有穩(wěn)定造成的，被檢指針表分辨力低，反映不出系統(tǒng)壓力實(shí)際情況，因此誤差將不可控。

2)數(shù)據(jù)處理即使采用反算法也不合適，數(shù)據(jù)是按標(biāo)準(zhǔn)的分辨力讀取的，不符合規(guī)程要求，另外不確定度分析時(shí)，引用標(biāo)準(zhǔn)的分辨力作為分量顯然也不合理。

3 “高度差”存在問題

在壓力測量審核中，無論使用氣體和液體，高度差對測量結(jié)果都有或大或小的影響。下面我們就分析一下如何考慮高度差問題。

1)氣注高度差的計(jì)算公式

根據(jù)氣體密度與壓力值之間呈正比關(guān)系，在絕壓測量模式表壓測量模式時(shí)，可分別用公式 (2)、公式(3)表示。

式中:ρ為氣體密度，kg/m3;p為壓力值，MPa。

假設(shè)高度差為5 cm，根據(jù)公式P=ρgh計(jì)算在表壓測量模式時(shí)不同的壓力點(diǎn)氣柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量見表3。其中:ρ為檢定時(shí)使用介質(zhì)的密度 (隨壓力變化的氣體密度值);g為檢定地點(diǎn)的重力加速度(北京為9.8015 m/s2)。

表3 表壓測量模式時(shí)不同壓力點(diǎn)氣柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量

由表3可以看出，壓力值小于1 MPa時(shí)，氣柱高度差的影響比較大，所以在校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級優(yōu)于0.05級的儀器時(shí)需要進(jìn)行高度差的修正;壓力值大于1 MPa時(shí)，氣柱高度差的影響較小，此時(shí)可以不進(jìn)行高度差修正。

2)液柱高度差

假設(shè)液柱高度差為5 cm，高度測量誤差為±0.5 cm，檢定使用介質(zhì)為癸二酸 (密度值916 kg/m3)，計(jì)算在不同的壓力點(diǎn)液柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量見表4。

表4 不同壓力點(diǎn)液柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量

由表4可以看出，壓力值小于2 MPa時(shí)，即使對液柱高度差進(jìn)行了修正，但由于高度差測量不準(zhǔn)代入的影響量也是非常大的，所以建議檢定準(zhǔn)確度等級優(yōu)于0.05級的儀器時(shí)，應(yīng)采用氣體作為工作介質(zhì)，避免高度差對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生過大的影響;壓力值小于6 MPa時(shí)，應(yīng)考慮液柱高度差對測量結(jié)果帶來的影響。

4 平均值修約與不確定度關(guān)系問題

測量審核中是以多次重復(fù)測量的平均值作為校準(zhǔn)結(jié)果，如何對平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)修約，使其保留適當(dāng)?shù)挠行?shù)據(jù)，這點(diǎn)對評判結(jié)果很重要。例如一臺0.1級測量范圍為0～25 MPa的數(shù)字壓力計(jì)，在20 MPa點(diǎn)進(jìn)行了6次重復(fù)測量，測量數(shù)據(jù)為 19.995，19.995，20.000，19.995，20.000，20.000 MPa，測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.0063 MPa，正確的平均值應(yīng)該修約為多少，有的認(rèn)為多保留一位安全數(shù)字應(yīng)該是19.9975 MPa，其實(shí)測量結(jié)果的修約與不確定度有很大的關(guān)系，我們應(yīng)該根據(jù)不確定度對測量結(jié)果進(jìn)行修約，修約原則［3］為:U的第一個(gè)有效數(shù)字為1，2時(shí)，U取兩位有效數(shù)字;第一位有效數(shù)字為3或3以上時(shí)，U只取一位有效數(shù)字，對舍棄數(shù)據(jù)按照1/3原則進(jìn)行取舍;測量結(jié)果的修約區(qū)間應(yīng)等于U的修約區(qū)間。

根據(jù)修約原則0.0063的第一位有效數(shù)字大于3，所以U只保留1位數(shù)字，對第2位數(shù)字按照1/3原則進(jìn)行修約，得到，再按照不確定度的修約區(qū)間對測量結(jié)果進(jìn)行修約，得到

5 結(jié)束語

通過對以上問題的梳理和分析，提示我們在進(jìn)行壓力測量審核工作中，一定要認(rèn)真分析實(shí)際工作情況，消除類似砝碼質(zhì)量超差及高度差等影響因素，確保標(biāo)準(zhǔn)器量值傳遞正確，被檢器校準(zhǔn)結(jié)果修正合理，只有這樣，最終才能得到客觀合理的能反映實(shí)驗(yàn)室能力水平的結(jié)果。

［1］國防科工委科技與質(zhì)量司.力學(xué)計(jì)量 ［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 49－2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程.北京:中國質(zhì)檢出版社，2013.

［3］國防科工委科技與質(zhì)量司.計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.北京:原子能出版社，2002.