PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定電流輸出壓力變送器能力分析

經(jīng)驗(yàn)人：高 穎 謝 靜 趙雅欣 馬永利

PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定電流輸出壓力變送器能力分析

經(jīng)驗(yàn)人：高 穎 謝 靜 趙雅欣 馬永利

本文詳細(xì)分析了PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置（-15～15）kPa范圍檢定電流信號(hào)輸出壓力變送器的量傳能力，通過分析，確定了PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置（-15～15）kPa范圍實(shí)際能夠檢定的電流輸出壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)及有效量程范圍。

JJG882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》中對(duì)檢定壓力變送器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備作了明確的要求：成套后的標(biāo)準(zhǔn)器，包括整個(gè)檢定設(shè)備在內(nèi)，檢定變送器時(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)于0.1級(jí)和0.05級(jí)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。

由此可見，在進(jìn)行壓力變送器的檢定時(shí)，首先需要評(píng)估成套之后的標(biāo)準(zhǔn)裝置的量傳能力，只有當(dāng)成套后的標(biāo)準(zhǔn)裝置與被檢壓力變送器滿足規(guī)程規(guī)定的量傳關(guān)系比時(shí)，才能有效確保數(shù)據(jù)和結(jié)論的準(zhǔn)確可靠。這一點(diǎn)，對(duì)微差壓壓力變送器而言，顯得尤為重要，否則，不合理的量傳關(guān)系比，將會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)論失去意義。

本文詳細(xì)分析了利用PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置主標(biāo)準(zhǔn)器中一只±15kPa壓力模塊檢定電流輸出壓力變送器的量傳能力，通過分析，確定了PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置該量程范圍實(shí)際能夠檢定的電流輸出壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)及有效量程范圍。

標(biāo)準(zhǔn)裝置簡介

本套標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由美國DHI公司生產(chǎn)的PPC3數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器、美國KEITHLEY公司生產(chǎn)的2001型數(shù)字多用表及Agilent公司生產(chǎn)的E3649A直流穩(wěn)壓電源組成。

其中，主標(biāo)準(zhǔn)器PPC3數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器是美國DHI公司生產(chǎn)的第三代數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器，其采用了石英諧振參考?jí)毫鞲衅鳎≦-RPT）模塊，它具有控制精度高、性能穩(wěn)定、界面簡潔、操作方面等特點(diǎn)。

每一臺(tái)PPC3數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器設(shè)備中，內(nèi)置兩個(gè)石英參考?jí)毫δK。在autorange 模式下，其可以任意設(shè)置量程，并通過量程設(shè)定無限細(xì)分石英諧振參考?jí)毫δK，從而更好的保證測(cè)量精度。

PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定電流輸出壓力變送器能力分析

壓力變送器測(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：

式中：ΔI —壓力變送器的輸出誤差，mA；

I —壓力變送器輸出電流值，mA；

Im—壓力變送器輸出量程，mA；

P —壓力變送器輸入壓力值，Pa；

Pm—壓力變送器輸入量程，Pa；

I0—壓力變送器輸出起始值，mA。

輸入壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為：

輸出電流對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為：

標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的測(cè)量不確定度分析

輸入量P引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（P）

輸入量P引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器。PPC3數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器差壓±15kPa量程的準(zhǔn)確度等級(jí)為±0.01％FS，其最大示值允許誤差△=±3Pa，區(qū)間半寬α=3Pa，按均勻分布估計(jì)，

估計(jì)u（P）的可靠程度為95％，計(jì)算其自由度ν1：

表1　不確定度匯總及對(duì)照分析表

直流電流表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（I）

電流輸出壓力變送器的理論輸出電流為（4～20）mA，使用2001型數(shù)字多用表測(cè)量變送器的輸出電流時(shí)，數(shù)字多用表20 mA檔的示值誤差△=±（0.04％ of rdg+0.002％ of range）。在壓力變送器輸出20mA時(shí)，數(shù)字多用表引入的示值誤差為最大值，即最大示值誤差△=±8.4μA，區(qū)間半寬α=8.4μA，按均勻分布估計(jì)，包含因子則u（I）為：

估計(jì)u（I）的可靠程度為95％，計(jì)算其自由度ν2：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

由于u（P）和u（I）彼此相互獨(dú)立，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc及有效自由度νeff分別為：

能力評(píng)估實(shí)例分析

假設(shè)計(jì)劃用該套標(biāo)準(zhǔn)裝置±15kPa壓力模塊對(duì)兩只準(zhǔn)確度等級(jí)均為0.5級(jí)、測(cè)量范圍分別為（0～3）kPa和（0～4）kPa的壓力變送器進(jìn)行檢定，計(jì)算量傳關(guān)系比是否滿足檢定規(guī)程要求。計(jì)算過程及結(jié)果見表1。

由表1可以看出，這兩只壓力變送器的有效自由度νeff均大于100，取整為100，查t 分布表可知，因此：

對(duì)于0.5級(jí)（0～3）kPa壓力變送器：

對(duì)于0.5級(jí)（0～4）kPa壓力變送器：

從表1可以看出，uc隨著壓力變送器量程范圍的增大而減小，因此該套標(biāo)準(zhǔn)裝置±15kPa壓力模塊可以檢定準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)且量程范圍不小于4 kPa的壓力變送器。

結(jié)論及問題的解決方案

通過以上分析，我們確定出了該套PPC3數(shù)字壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置（-15～15）kPa范圍可以檢定的電流輸出壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)及與之對(duì)應(yīng)的有效范圍，從確定的結(jié)果可以看出，對(duì)于準(zhǔn)確度為0.5級(jí)且量程低于4 kPa的壓力變送器和準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)且量程在（-15～15）kPa范圍內(nèi)的壓力變送器，該套標(biāo)準(zhǔn)裝置都不能滿足檢定量傳關(guān)系比，為了解決該問題，建議：

（1）可以采用提高標(biāo)準(zhǔn)裝置（包括數(shù)字壓力控制/校準(zhǔn)器及數(shù)字多用表）的準(zhǔn)確度等級(jí)來解決該問題，但該方案的費(fèi)用較高。

（2）可以采用在線路里串聯(lián)高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻，并選用合適的數(shù)字多用表的電壓檔測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓，再通過計(jì)算得到變送器的輸出電流。該方法比較經(jīng)濟(jì)，但同樣需要重新評(píng)估所搭建的新系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度U95。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.048