溫度對壓力變送器計(jì)量數(shù)據(jù)可靠性的影響

于賀君

唐山市計(jì)量測試所 河北唐山 063000

伴隨油田智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的快速發(fā)展，智能計(jì)量設(shè)備已大范圍應(yīng)用于油氣生產(chǎn)現(xiàn)場，并具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制、報(bào)警、監(jiān)控等能力。要想確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，就應(yīng)根據(jù)國家驗(yàn)證法規(guī)或校準(zhǔn)方法的要求對計(jì)量設(shè)備進(jìn)行定期檢查。然而，由于生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行而無法拆卸的計(jì)量設(shè)備、計(jì)量設(shè)備的連接部件由于腐蝕而難以拆卸、在運(yùn)輸和安裝過程中容易損壞計(jì)量設(shè)備、在檢查期間需要許多備用儀表等問題，使得無法按計(jì)劃進(jìn)行檢測，也有可能導(dǎo)致檢測延遲，并且無法確保計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 溫度對標(biāo)準(zhǔn)器的影響

JJG 882-2004《壓力變送器》驗(yàn)證規(guī)則規(guī)定：在現(xiàn)場條件中，在了解了標(biāo)準(zhǔn)器和配套設(shè)備引進(jìn)的擴(kuò)大不確定度U95 在不越過被檢壓力變送器公差絕對值的1/3 ～1/4 情況下才可以進(jìn)行現(xiàn)場檢查。在檢測之前需要這樣做，以對標(biāo)準(zhǔn)器能不能符合檢測要求進(jìn)行評估或測量不確定度探討時(shí)，評估標(biāo)準(zhǔn)器輸入的B 型測量不確定度。

例如，用作標(biāo)準(zhǔn)器的智能數(shù)字壓力校準(zhǔn)器的測量范圍為0-0.5 MPa，精度等級為0.05，最大公差為±0.001 25 MPa；輸出電流為-30 至30 mA，最大公差為±O.02%讀數(shù)、1μA；溫度補(bǔ)償范圍：-10 至50°C。被測壓力變送器的量程為0-2.5MPa，精度等級為0.5。

成立數(shù)學(xué)模型：

其中：△Ⅰ是壓力變送器的輸出誤差，mA；I 是壓力變送器的輸出電流，mA；，Im 是壓力變送器的輸出范圍，mA；P 是壓力變送器輸入壓力值，MPa；Pm 是壓力變送器輸入范圍，MPa；Ⅰ0 是壓力變送器的初始輸出值，mA。

輸入壓力對壓力變送器輸出誤差的敏感系數(shù)為：

輸出電流對變送器輸出誤差的敏感系數(shù)為：

1.1 評估輸入量P 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

P 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度一般是來自智能數(shù)字壓力校準(zhǔn)器。在此范圍內(nèi)的最大允許誤差不超過±0.001 25 MPa。

根據(jù)均勻分布估算，則：

（2）環(huán)境溫度不確定度。溫度改變會(huì)在兩個(gè)點(diǎn)影響輸出：一個(gè)是零漂移，另一個(gè)是滿量程輸出。當(dāng)環(huán)境溫度超過指定的5℃時(shí)，溫度產(chǎn)生的誤差為：

根據(jù)均勻分布估算，則：

u（P1）和υu（P2)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)為95%，自由度為υ=200

因?yàn)閡(P1)和u(P2)相互獨(dú)立，所以：

有效自由度為：

1.2 評估輸入量Ⅰ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

Ⅰ中標(biāo)準(zhǔn)不確定度的一般來源是輸出直流電流的示值誤差。

輸出直流電流示值誤差不超過±5μA.根據(jù)均勻分布估算：

u（Ⅰ）的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)為95%，然后是自由度u21=200

上面列出的不確定度分量如表1 所示。其中：i 是不確定度來源序列號；Xi 是不確定度來源；ai 是Xi 誤差分散區(qū)間半寬或誤差限；ki 是包含元素；[u（Xi）]作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

表1 不確定度分量

1.3 評估合成標(biāo)準(zhǔn)中的不確定度

由于u（P）和u（Ⅰ）彼此獨(dú)立，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc（Δ Ⅰ）和有效自由度V eff 為：

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)器導(dǎo)致的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc（Δ Ⅰ）是5.44μA.合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc（Δ Ⅰ）靠近正態(tài)分布，因此能夠查t 分布得出k95=1.96。所以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)器引入的擴(kuò)展不確定度為：

被檢壓力變送器的公差為80μA。該規(guī)范要求校準(zhǔn)用校準(zhǔn)和配套設(shè)備在校準(zhǔn)中帶來的擴(kuò)展不確定度U95 應(yīng)不超越被校準(zhǔn)的壓力變送器的公差絕對值的1/4，即20μA，所以，用于此評估的標(biāo)準(zhǔn)器選擇滿足規(guī)范要求。一旦選擇的標(biāo)準(zhǔn)器不符合要求，則測量結(jié)果的不確定度將會(huì)大大增加。

2 溫度對被檢壓力變送器的影響

需要進(jìn)行大量測試和分析，以說明環(huán)境溫度變化對被測壓力變送器的影響。

（1）選擇測試的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度要在制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量。通常，參閱說明手冊；如果沒有指定溫度值，就根據(jù)氣候情況參數(shù)和類別，選擇溫度限制范圍?？紤]到每個(gè)油氣田所在區(qū)域的溫度條件，消除惡劣的環(huán)境條件，在-20-50°C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試。

（2）選擇測試方法。測試方法一般按照GB/T18271.3-2017“5 環(huán)境溫度影響”進(jìn)行測試。使用公差為±2°C，環(huán)境溫度變化程度小于1℃/min 的高、低溫試驗(yàn)箱溫度。試驗(yàn)基準(zhǔn)壓力值是根據(jù)規(guī)定值，通常根據(jù)該范圍均勻選擇5 至6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。將壓力變送器放置在高溫、低溫測試箱中，將溫度以10°C 的間隔逐漸升高（降低）到溫度范圍的上限（下限），穩(wěn)定3 小時(shí)或更長時(shí)間后，驗(yàn)證溫度效應(yīng)。

對于參與測試的26 個(gè)壓力變送器，各自讀取測試數(shù)據(jù)。依據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算各種溫度下的壓力讀數(shù)，選擇一些典型數(shù)據(jù)作為匯總。測試表明壓力變送器典型的三個(gè)結(jié)果是：

除20°C 合格外，其他溫度點(diǎn)均未合格。例如序號1 的壓力變送器。這些問題的主要原因是溫度補(bǔ)償裝置的問題。傳感器是由金屬和半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其靜態(tài)特性與溫度密切相關(guān)，可以采用合適的補(bǔ)償方法來補(bǔ)償傳感器的附加溫度誤差并增加測量精度。如果在現(xiàn)場測試期間無法控制現(xiàn)場溫度，建議將發(fā)生故障的測試壓力變送器發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步測試。

（2）通過所有溫度全部合格，如序列號2 壓力變送器。這種壓力變送器具有穩(wěn)定可靠的性能，是測量系統(tǒng)最期待的情況。

（3）在-20°C 的溫度下不合格，在其他點(diǎn)合格的壓力變送器，例如序列號4；-10°C、-20℃都不合格的壓力變送器，其余序列號壓力變送器合格，例如3 號壓力變送器。

3 如何減少溫度對檢測結(jié)果的影響

（1）標(biāo)準(zhǔn)器出廠時(shí)具有溫度補(bǔ)償值，在規(guī)定值里，溫度的影響就很小，基本可以符合要求。如果溫度發(fā)生顯著變化，則標(biāo)準(zhǔn)器就對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。解決方案如下：①應(yīng)該選擇更高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)器，以減少B 型不確定度評估中引進(jìn)的不確定度分量；②在每個(gè)檢測點(diǎn)的檢測結(jié)果中給出測量誤差。

（2）注意溫度對被測壓力變送器的三種影響中的第三種。從表2 中可以看出，-10°C 和-20°C 下的顯示值是差點(diǎn)達(dá)到壓力上限。從表3 能夠看出，下限溫度系數(shù)和范圍溫度系數(shù)可以減輕環(huán)境溫度變化的影響。也就是說，如果顯示值僅在零位置和滿量程時(shí)超出可接受的范圍，則可以根據(jù)每10°C 給出的松弛量來確定壓力變送器是否滿足要求。因此，超出公差范圍的五個(gè)壓力變送器的最大指示誤差在環(huán)境溫度影響的公差范圍內(nèi)，并且現(xiàn)場壓力變送器應(yīng)用時(shí)的壓力點(diǎn)通常為該范圍的1/3 至2/3，可以確定這種壓力變送器在現(xiàn)場仍可使用，并且對測量數(shù)據(jù)的可靠性影響很小。

表2 環(huán)境溫度變化影響量

4 結(jié)語

通過分析標(biāo)準(zhǔn)器和被檢壓力變送器的溫度影響，將在0-40°C的環(huán)境溫度下并按照法規(guī)規(guī)定的15-25℃的驗(yàn)證程序進(jìn)行現(xiàn)場檢查。在超過15-25°C 時(shí)，壓力變送器的零位和滿量程的最大容差被放寬，表明測量結(jié)果的不確定度。以此確定現(xiàn)場壓力變送器的性能能否符合生產(chǎn)需求，增加計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性。