壓力變送器的現(xiàn)場(chǎng)檢定測(cè)量不確定度的評(píng)定

楊 斌

（蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院，蘭州 730070）

壓力變送器是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要檢測(cè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的檢測(cè)，是自動(dòng)化控制的主要數(shù)據(jù)來源。對(duì)于壓力變送器，由于現(xiàn)場(chǎng)檢定/校準(zhǔn)耗時(shí)短，檢定過程采用在線檢測(cè)，無需拆卸，安裝位置帶來的零點(diǎn)偏移誤差不用考慮，所以多數(shù)情況下壓力變送器的檢定都在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。這就需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢定條件進(jìn)行不確定度的分析，只有符合要求才可進(jìn)行檢定。

1 影響現(xiàn)場(chǎng)檢定（校驗(yàn)）測(cè)量不確定度的因素

1.1 標(biāo)準(zhǔn)器引入的測(cè)量不確定度分量

現(xiàn)場(chǎng)檢定（校準(zhǔn)）壓力變送器，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器的選擇非常重要，依據(jù)壓力變送器的檢定規(guī)程JJG887-2005的要求，壓力標(biāo)準(zhǔn)一般選用活塞式壓力計(jì)和數(shù)字壓力計(jì)，檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度U95應(yīng)不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/4；對(duì)0.1級(jí)和0.05級(jí)的被檢壓力變送器由此引入的U95應(yīng)不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/3[1]。因此合理的選擇標(biāo)準(zhǔn)器可控制系統(tǒng)誤差，使測(cè)量結(jié)果更加可靠。

1.2 環(huán)境條件引入的測(cè)量不確定度分量

對(duì)于壓力變送器，校驗(yàn)時(shí)要求環(huán)境溫度（20℃±5℃，每 10 min變化不大于1℃）、相對(duì)濕度（45%RH～75%RH）、機(jī)械振動(dòng)（壓力變送器所處環(huán)境應(yīng)無影響輸出穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)）、外磁場(chǎng)（壓力變送器周圍除地磁場(chǎng)外，應(yīng)無影響其正常工作的外磁場(chǎng)）應(yīng)滿足一定的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件比較復(fù)雜，難以達(dá)到要求，測(cè)量時(shí)必然要帶來一定的誤差，從而使測(cè)量不確定度增加。

1.3 被檢表多次重復(fù)測(cè)量，重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量

在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)壓力變送器進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)至少進(jìn)行2次循環(huán)，強(qiáng)制檢定壓力的壓力變送器應(yīng)至少進(jìn)行3次循環(huán)。如果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，由于環(huán)境條件比較復(fù)雜，為了保證測(cè)量精度，應(yīng)增加測(cè)量次數(shù)，從而帶來重復(fù)性誤差引起的測(cè)量不確定度。

1.4 若使用液體作為工作介質(zhì)，則有液柱差引入的測(cè)量不確定度分量

傳壓介質(zhì)為液體時(shí)，介質(zhì)應(yīng)考慮制造廠推薦或送檢者指定的液體，并應(yīng)使變送器取壓口的參考平面與標(biāo)準(zhǔn)器的取壓口的參考平面在同一水平面上。當(dāng)高度不大于JJG887-2005規(guī)程要求的計(jì)算結(jié)果時(shí)，引起的誤差可忽略不計(jì)，否則應(yīng)予以修正。

2 不確定度分析

規(guī)程中要求檢定用標(biāo)準(zhǔn)器，包括整個(gè)檢定設(shè)備在檢定過程中引入的擴(kuò)展不確定度U95應(yīng)不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/4?，F(xiàn)以某CNG加氣站向某法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)提出壓力變送器的檢定計(jì)劃為例，若拆卸停氣會(huì)造成CNG車輛大規(guī)模停運(yùn)，綜合考慮后雙方協(xié)商該機(jī)構(gòu)到CNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓力變送器的檢定（校驗(yàn)）工作，清單如表1所示。

表1 壓力變送器檢定統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of the pressure transmitter measurement

首先進(jìn)行測(cè)量不確定度的分析，并由此進(jìn)一步確認(rèn)不確定度的合理性。

2.1 被檢壓力變送器的規(guī)格

測(cè)量范圍：（0～0.6）MPa

準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5 級(jí)

輸出電流：（4～20）mA

2.2 測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型和靈敏系數(shù)

壓力變送器測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型為

輸出壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)[2]為

輸出電流對(duì)變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為

2.3 測(cè)量的環(huán)境

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度：30℃

相對(duì)濕度：50%RH

2.4 選用的標(biāo)準(zhǔn)器

目前，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓力變送器進(jìn)行檢驗(yàn)，使用的標(biāo)準(zhǔn)器為Const273系列，接線方式為二線制。根據(jù)被檢壓力變送器的精度和量程，可以選用的標(biāo)準(zhǔn)器為數(shù)字壓力計(jì)。

測(cè)量范圍：（0～0.6）MPa

準(zhǔn)確度等級(jí)：0.05 級(jí)

輸出電流：（-30～30）mA

2.5 測(cè)量不確定度來源

2.5.1 輸入量p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（1）p的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源是標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器。

標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的最大允許誤差Δp1＝±0.05%FS＝±0.30 kPa

按均勻分布估計(jì)[3]，則：

（2）環(huán)境溫度的不確定度

溫度變化從2方面影響其輸出：一是零點(diǎn)漂移，二是影響滿量程輸出。環(huán)境溫度超過要求時(shí)，溫度影響造成的誤差為

按均勻分布估計(jì)，則：

u（p1），u（p2）的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì) 95%，則自由度為 200，由于 u（p1），u（p2）相互獨(dú)立[4]，因此：

其有效自由度為

由計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于溫度偏差不大的情況下，溫度影響造成的不確定度可忽略不計(jì)。

2.5.2 輸入量I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源是Const273作為直流電流表的示值誤差、測(cè)量重復(fù)性和環(huán)境溫度變化所造成的。

（1）直流電流表的示值誤差

對(duì)于Const273而言，其分辨力1 μA，所以其示值誤差不超過±0.5 μA。

按均勻分布估計(jì)，則：

若u（I1）的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)95%，則自由度為200。

（2）測(cè)量重復(fù)性

現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一塊（0～0.6）MPa 的壓力變送器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)檢定壓力變送器原始數(shù)據(jù)記錄表Tab.2 Raw data of on-site pressure transmitter measurement

按規(guī)程要求，測(cè)量點(diǎn)不少于5個(gè)。由于對(duì)壓力變送器進(jìn)行3次循環(huán)檢測(cè)，所以每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均有6個(gè)讀數(shù)。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，最大示值差為-0.026 mA，回差為-0.017 mA。最大標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類評(píng)定）可以用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差來評(píng)估[5]。

自由度為5

（3）環(huán)境溫度引起的不確定度

Const273作為直流電流表使用，當(dāng)環(huán)境溫度超過要求時(shí)，溫度影響造成的誤差為

按均勻分布估計(jì)，則：

u（I3）的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)95%，則自由度為200。

由于 u（I1），u（I2），u（I3）相互獨(dú)立，因此：

其有效自由度為

將上述不確定度項(xiàng)如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)檢定壓力變送器不確定度匯總表Tab.3 Summary of uncertainty of on-site pressure transmitter measurement

2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于 u（p）和 u（I）彼此間相互獨(dú)立，所以合成不確定度和有效自由度為

2.7 擴(kuò)展不確定度

由于合成不確定度接近正態(tài)分布。按置信概率95%估計(jì)，包含因子可以查t分布得到：

3 結(jié)語(yǔ)

被檢壓力變送器的允許誤差為±80 μA，經(jīng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)器組成測(cè)量系統(tǒng)所帶來的不確定度小于被檢設(shè)備最大允許誤差絕對(duì)值的1/3～1/4，符合規(guī)程現(xiàn)場(chǎng)要求。總之在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前需要做好充分的準(zhǔn)備，了解被檢壓力變送器基本信息（量程、準(zhǔn)確度等級(jí)等）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先分析檢定中可能遇到的問題，對(duì)預(yù)知可能發(fā)生的突發(fā)情況要有充分的應(yīng)對(duì)措施。這樣就可以避免到了工作現(xiàn)場(chǎng)由于標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備、配件、工具、天氣等原因造成無法檢定的情況。

[1]JJF875-2005數(shù)字式壓力計(jì)檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005.

[2]劉麗軍.壓力變送器測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].中國(guó)計(jì)量，2011（11）：91-92.

[3]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]吳石林，張玘.誤差分析與數(shù)據(jù)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]吳隆建.壓力變送器型式評(píng)價(jià)試驗(yàn)操作方法[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2010（12）：88-90.