煤礦用差壓傳感器校準(zhǔn)方法的研究和實現(xiàn)①

王曉明

摘 ? 要：煤礦井下測量儀器設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中起重要作用，計量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。加強(qiáng)煤礦安全測量儀器的計量檢定和校準(zhǔn)是實現(xiàn)煤炭工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要保障，也是加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)工作的迫切要求。煤礦用差壓傳感器具有檢測精度高、性能穩(wěn)定、壽命長等特點(diǎn)，目前逐漸成為煤礦井下檢測甲烷的測量儀器，數(shù)量逐年增多。煤礦用差壓傳感器廣泛用于煤礦井下的壓差監(jiān)測，是煤礦安全生產(chǎn)和計量管理重要的計量器具，目前還沒有相應(yīng)的計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，使用單位和檢測機(jī)構(gòu)在傳感器量值溯源和傳遞上沒有依據(jù)?，F(xiàn)將傳感器校準(zhǔn)方法研究提供給大家參考、討論。

關(guān)鍵詞：煤礦用差壓傳感器 ?校準(zhǔn)方法 ?研究 ?實現(xiàn)

中圖分類號：TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0012-02

1 ?引言

煤礦用差壓傳感器（以下簡稱傳感器）是主要用于礦井風(fēng)機(jī)、風(fēng)門密閉、通風(fēng)巷道等地的差壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測、并實時顯示被測點(diǎn)的差壓值和報警監(jiān)控的功能。目前還沒有相應(yīng)的計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，使用單位和檢測機(jī)構(gòu)在傳感器量值溯源和傳遞上沒有依據(jù)?，F(xiàn)將傳感器檢定研究提供給大家參考、討論。

2 ?傳感器的工作原理

傳感器通過采集頭取得差壓后，由壓力傳感器元件進(jìn)行電信號的轉(zhuǎn)換，放大后，經(jīng)過單片機(jī)處理，再分配給各單元，最終在顯示屏顯示壓力值和輸出數(shù)字量或模擬量信號傳輸?shù)疥P(guān)聯(lián)設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

3 ?傳感器校準(zhǔn)項目及基本誤差校準(zhǔn)方法

3.1 傳感器標(biāo)準(zhǔn)

接通電源，待傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定后，用標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器對傳感器量程的50%的校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，在以后的校準(zhǔn)中不得再次標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 傳感器的基本誤差校準(zhǔn)方法

3.2.1 校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇

校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇應(yīng)按量程基本均布，一般應(yīng)包括上限值、下限值在內(nèi)不少于5個點(diǎn)。

3.2.2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)從下限開始平穩(wěn)地輸入壓力信號到各校準(zhǔn)點(diǎn)，讀取并記錄傳感器的顯示值或輸出信號值（換算為壓力值）至上限;保持1min，然后反方向平穩(wěn)改變壓力信號到各檢測點(diǎn)，讀取并記錄傳感器的顯示值或輸出信號值（換算為壓力值）至下限，這為一次循環(huán)。如此進(jìn)行3個循環(huán)的校準(zhǔn)，取其算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)器示值的差值與滿量程之比，為示值誤差。傳感器的示值誤差按公式（1）計算。

（1）

式中：

——傳感器的示值誤差，%;

——傳感器的測量平均值，kPa;

——標(biāo)準(zhǔn)器的示值，kPa;

——傳感器的滿量程（即上限值與下限值之差），kPa。

3.2.3 信號傳輸誤差

按3.3.2方法重復(fù)測定3次，取其算術(shù)平均值與傳感器顯示值或傳感器輸出信號值（換算為壓力值）的差值，即傳感器的信號傳輸誤差。

（2）

式中：

Gm——輸出電信號上限對應(yīng)的壓力值，kPa;

G0——輸出電信號下限對應(yīng)的壓力值，kPa;

Pm——輸出電信號上限標(biāo)稱值，Hz;

P0——輸出電信號下限標(biāo)稱值，Hz;

——各點(diǎn)的輸出信號的算術(shù)平均值，Hz;

——各點(diǎn)的輸出信號的算術(shù)平均值換算的壓力值，kPa。

再按式（3）計算傳感器各點(diǎn)的信號傳輸誤差。取最大的為傳感器的信號傳輸誤差。

（3）

式中：

——各點(diǎn)的信號傳輸誤差;

——各點(diǎn)的輸出信號的算術(shù)平均值換算的壓力值，kPa;

——各點(diǎn)的顯示值算術(shù)平均值，kPa。

4 ?示值誤差的測量不確定度分析

4.1 測量對象

量程為（-15kPa～5kPa）的煤礦用差壓傳感器 ，最大允許誤差為2.0%FS。

4.2 測量時環(huán)境條件

溫度：21℃;濕度：（50～53）%RH。

4.3 測量模型

（4）

式中：

δ——儀器的示值誤差，%;

——儀器的測量平均值，kPa;

x0——標(biāo)準(zhǔn)器的示值，kPa;

xm——儀器的滿量程（即上限值與下限值之差），kPa。

靈敏系數(shù)可通過對公式（1）求導(dǎo)得出：

4.4 不確定度分量的計算

4.4.1 重復(fù)性引入的不確定度

被檢儀器測量重復(fù)性，可以通過重復(fù)性條件下的用標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器連續(xù)多次測量煤礦用差壓傳感器得到測量數(shù)列，采用A類評定方法評定。

4.4.2 標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器引入的不確定度分量u（p）

采用B類評定方法。根據(jù)MT 393-1995《煤礦用差壓傳感器通用技術(shù)條件》要求，標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器準(zhǔn)確度級別不低于0.05級，這里取最大值0.05%FS， 即0.05kPa，設(shè)服從均勻分布，則其引入不確定度分量為：

4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各輸入分量互不相關(guān)，按不確定度傳播律進(jìn)行合成：

根據(jù)公式（2）、（3）、（4），將各不確定度分量值帶入，計算各校準(zhǔn)點(diǎn)的靈敏系數(shù)、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總?cè)绫?。

4.6 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則各校準(zhǔn)點(diǎn)擴(kuò)展不確定度如表3所示。

5 ?結(jié)果分析

通過分析各校準(zhǔn)點(diǎn)的合成不確定度與本規(guī)程擬定的示值誤差指標(biāo)，煤礦用差壓傳感器最大允許誤差為±2.0%FS，即±0.4kPa，與表3數(shù)據(jù)比較，結(jié)果表明各個校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差測得值的不確定度與規(guī)程擬定的最大允許誤差限之比均滿足小于或等于1：3，符合JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》、MT 393-1995《煤礦用差壓傳感器通用技術(shù)條件》和JJF1033-2016《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》的相關(guān)要求，說明規(guī)程制定的技術(shù)指標(biāo)合理，校準(zhǔn)方案可行可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] JJF1059.1-2012，測量不確定度的評定與表示[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] MT 393-1995，礦用差壓傳感器通用技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[3] JJF1094-2002，測量儀器特性評定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.