壓力無線數(shù)據(jù)記錄器校準(zhǔn)方法的研究

陳　玲，王孔祥，林景星

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

壓力無線數(shù)據(jù)記錄器校準(zhǔn)方法的研究

陳玲，王孔祥，林景星

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

文中針對壓力無線數(shù)據(jù)記錄器特殊技術(shù)性能進(jìn)行了深入探討，特別是對校準(zhǔn)記錄器的密封性、耐壓及常溫和高溫下的壓力示值誤差、溫度影響系數(shù)的研究，為實(shí)施壓力無線數(shù)據(jù)記錄器的量值溯源，規(guī)定了校準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)方法，并對校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行了評定，為企事業(yè)單位大量使用的壓力無線數(shù)據(jù)記錄器技術(shù)性能的校準(zhǔn)提供有效的技術(shù)依據(jù)。

壓力；無線數(shù)據(jù)記錄器；滅菌溫度

1　概述

壓力無線數(shù)據(jù)記錄器主要用于密閉容器的壓力測量，是一種采用無線傳輸原理對壓力量值進(jìn)行采集、記錄和測量的計(jì)量儀器。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)、疾病預(yù)防控制中心、檢疫機(jī)構(gòu)、食品加工、科研等領(lǐng)域的熱力滅菌效果驗(yàn)證以及法定計(jì)量機(jī)構(gòu)對熱力滅菌設(shè)備上所配壓力表進(jìn)行壓力量值檢定或校準(zhǔn)時(shí)用作參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。國內(nèi)尚無針對壓力無線數(shù)據(jù)記錄器計(jì)量性能進(jìn)行評定的相關(guān)國家計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范。壓力無線數(shù)據(jù)記錄器量值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到量值溯源的準(zhǔn)確性以及安全生產(chǎn)工作，為確保壓力無線數(shù)據(jù)記錄器測量量值的準(zhǔn)確可靠，文中參考相關(guān)技術(shù)材料，并結(jié)合在用的壓力無線數(shù)據(jù)記錄器以及當(dāng)前國內(nèi)外壓力無線數(shù)據(jù)記錄器產(chǎn)品，通過大量試驗(yàn)與研究工作，確定主要技術(shù)性能和參數(shù)，以供企事業(yè)單位大量使用的壓力無線數(shù)據(jù)記錄器技術(shù)性能的校準(zhǔn)提供統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)。

2　記錄器的校準(zhǔn)方法

2.1測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備

根據(jù)壓力無線數(shù)據(jù)記錄器計(jì)量特性要求，標(biāo)準(zhǔn)器及其它設(shè)備見表1。

表1　測量標(biāo)準(zhǔn)及其他配套設(shè)備

2.2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)前應(yīng)對電池供電的記錄器，按其操作說明檢查其電池的供電電壓是否在正常工作范圍內(nèi)，如低于正常值應(yīng)及時(shí)更換電池。并對記錄器的通訊功能或存儲功能以及記錄間隔、發(fā)送間隔、啟停方式等項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)滿足其操作說明書的要求。

2.2.1密封性檢查

將記錄器放置于可產(chǎn)生模擬熱力滅菌溫度的壓力試驗(yàn)裝置，工作介質(zhì)為水蒸汽，試驗(yàn)溫度一般為（135±0.5）℃，維持時(shí)間不少于5min，取出記錄器檢查其各部件及內(nèi)部不得出現(xiàn)滲液現(xiàn)象。

2.2.2耐壓檢查

按照記錄器的使用說明，將記錄器置入壓力試驗(yàn)裝置，加壓至最大工作壓力，保持3min能正常工作，檢查記錄器外殼應(yīng)無明顯變形或損壞。

2.2.3示值誤差校準(zhǔn)

2.2.3.1時(shí)鐘調(diào)整

（1）對于時(shí)鐘可調(diào)的記錄器，調(diào)整其時(shí)間與計(jì)時(shí)器的時(shí)間值一致；

（2）對于時(shí)鐘不可調(diào)的記錄器，應(yīng)分別同時(shí)記錄記錄器和計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間值；

（3）對于時(shí)鐘可置零的記錄器，應(yīng)與計(jì)時(shí)器同時(shí)置零、啟動。

2.2.3.2壓力示值校準(zhǔn)［1］［2］

將設(shè)置好參數(shù)的記錄器放置于壓力試驗(yàn)裝置，連接標(biāo)準(zhǔn)器及壓力源，確認(rèn)并同步記錄標(biāo)準(zhǔn)器與被校記錄器的時(shí)間間隔。工作介質(zhì)采用清潔的空氣或無毒、無害和化學(xué)性能穩(wěn)定的氣體。

選擇包括上限值、下限值在內(nèi)的不少于5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，且均勻分布在整個(gè)測量范圍內(nèi)。對低于大氣壓力的校準(zhǔn)點(diǎn)可選大氣壓力值作為下限值起始點(diǎn)，200 kPa（絕壓）為必校點(diǎn)，也可按用戶要求選擇其他校準(zhǔn)點(diǎn)。

平穩(wěn)輸入壓力達(dá)到校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)點(diǎn)可由低到高直至上限，每一校準(zhǔn)點(diǎn)停留時(shí)間不少于2min，壓力變化量不應(yīng)大于壓力標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)值的1%/min，按同步的時(shí)間和間隔分別讀取標(biāo)準(zhǔn)器和被檢記錄器的壓力示值（無線通訊記錄器為數(shù)據(jù)接收端顯示的壓力值，無接收端的記錄器為取出記錄器后讀取的壓力值）。直至所有校準(zhǔn)點(diǎn)，每一校準(zhǔn)點(diǎn)的讀數(shù)值不少于5次。

記錄器的壓力示值誤差按式（1）或式（2）計(jì)算：

式中：

Δp——壓力示值誤差，kPa；

Δ——壓力示值誤差，%；

pm——被校記錄器的壓力量程，kPa。

2.2.4滅菌溫度下壓力示值校準(zhǔn)［2］

試驗(yàn)溫度選取常規(guī)滅菌溫度121℃，維持時(shí)間不少于5min，溫度波動不超過±0.5℃/min，水蒸汽產(chǎn)生的壓力（絕壓）在（200±10）kPa范圍，使用其他氣體工作介質(zhì)時(shí)應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)器壓力（絕壓）維持在200kPa，分別讀取壓力標(biāo)準(zhǔn)器和被檢記錄器的壓力示值，每次校準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)不少于5次。

記錄器的壓力示值誤差按式（1）或式（2）計(jì)算。

記錄器在其他溫度下壓力示值校準(zhǔn)，可按用戶要求選擇。

2.2.5溫度影響系數(shù)校準(zhǔn)［2］

20℃、121℃溫度下200kPa壓力示值校準(zhǔn)分別按2.2.3.2、2.2.4進(jìn)行。記錄壓力試驗(yàn)裝置在200k Pa時(shí)的溫度值t1、t2。記錄器的溫度影響系數(shù)按式（3）計(jì)算：

式中：

kt——Δp溫2度-影響因子，kPa/℃；

Δp1——溫度t1時(shí)，200 kPa（絕壓）校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢記錄器的壓力示值之差，kPa；

Δp2——溫度t2時(shí)，（200±10）kPa（絕壓）

校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢記錄器的壓力示值之差，kPa；

t1、t2—-—壓力試驗(yàn)裝置的溫度值，℃。

在121℃溫度下，實(shí)際壓力值按式（4）計(jì)算：

式中：

pt——滅菌溫度下的實(shí)際壓力值，kPa；

pi——滅菌溫度下記錄器的壓力示值，kPa；

Δ pi——記錄器在pi點(diǎn)時(shí)的壓力示值誤差，kPa；

Δt——滅菌溫度與壓力示值誤差校準(zhǔn)時(shí)溫度（取20℃）之差，℃。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)本方法對編號為112000828的無線數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，其型號與測量范圍分別為DK-2610、（0～500）kPa，準(zhǔn)確度等級為0.5級進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.1壓力示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果如下：

壓力示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果見表2。

表2　示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果　單位：kPa

3.2滅菌溫度下壓力示值校準(zhǔn)

滅菌溫度下壓力示值校準(zhǔn)結(jié)果如表3。

表3　滅菌溫度下壓力示值校準(zhǔn)結(jié)果

121.0℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力值的平均值為208.45kPa，示值誤差為+1.54kPa。

20.0℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)壓力值的平均值為201.22kPa，示值誤差為-0.14kPa。

3.3溫度修正系數(shù)與溫度影響量計(jì)算

根據(jù)式（2）和式（3），可得 ：

無線壓力記錄器的量程為500kPa，則溫度影響量：0.0166/500=0.003%/℃，計(jì)算出該記錄器常溫下的示值誤差為量程的0.2%，滅菌溫度下的示值誤差為量程的0.5%，溫度修正系數(shù)為量程的0.003%。

4　記錄器壓力示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定

4.1概述

以校準(zhǔn)測量范圍為（0～500）kPa，0.5級的MPⅢ型記錄器為例，用測量范圍為（0～500）kPa，0.05級的數(shù)字壓力計(jì)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，采用直接比較法進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境溫度為21.5℃，相對濕度為65%。

4.2測量模型與靈敏系數(shù)

4.2.1測量模型

4.2.2

4.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

在200kPa壓力點(diǎn)作10次測量，所得數(shù)據(jù)如下：

表4　重復(fù)性測量結(jié)果　單位：kPa

計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

重復(fù)性分量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

被校記錄器分辨力為0.01kPa，則區(qū)間半寬= 0.005kPa，該分布服從均勻分布，故：

測量范圍為（0～500）kPa，0.05級的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計(jì)在200kPa點(diǎn)上的最大允許誤差為±0.25kPa， 則區(qū)間半寬a=0.25kPa，該分布服從均勻分布，故：

4.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

4.4.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表見表5

表5　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

4.4.2合成不確定度的計(jì)算

準(zhǔn)不確定度為：

4.5擴(kuò)展不確定度的評定

取k=2，則擴(kuò)展不確定度：

4.6測量不確定度的報(bào)告

記錄器在200kPa壓力校準(zhǔn)點(diǎn)，其示值誤差為+0.04kPa，擴(kuò)展不確定度為：

5　結(jié)束語

通過對壓力無線數(shù)據(jù)記錄器的校準(zhǔn)所采用的校準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定進(jìn)行分析探討，分別對記錄器的密封性和耐壓、常溫下和高溫（模擬熱力滅菌環(huán)境）下的壓力示值誤差、溫度影響系數(shù)等校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，并對記錄器壓力示值誤差測量結(jié)果不確定度分析評定，為企事業(yè)單位壓力無線數(shù)據(jù)記錄器量值溯源提供有效的校準(zhǔn)方法。

［1］ JJG 1084-2013.數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程［S］.

［2］ JJF 1366-2012.溫度數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)規(guī)范［S］.

Study on Calibration Method of Pressure W ireless Data Recorder

CHEN Ling， WANG Kong-Xiang， LIN Jing-Xing
（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

The thesis makes a deep discussion on the special technical performance of pressure w ireless data recorder， especially the research on calibration recorder ‘s sealing， pressure resistance， pressure value error and temperature influence coefficient under normal temperature and high temperature. That specifies the calibration standard equipment， calibration method and calibration project for implementing the quantity traceability of pressure w ireless data recorder. Meanwhile， the thesis makes an evaluation to the uncertainty of calibration results， provides an effective technical basis for calibration of pressure w ireless data recorder technical performance which is w idely used in the enterprises and institutions.

Pressure； Wireless data recorder； Sterilization temperature

2015-11-12

陳玲，女，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，業(yè)務(wù)拓展部，高級工程師

王孔祥，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，熱工室，高級工程師

林景星，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，網(wǎng)絡(luò)中心，教授級高級工程師