礦用水位傳感器示值誤差的測量不確定度評(píng)定

晉城煤炭高新技術(shù)服務(wù)有限公司計(jì)量檢測站 山西 晉城 048000

0 引言

礦用水位傳感器廣泛應(yīng)用于煤礦井下水倉以及其它需要測量水位的場所。礦用水位傳感器通常由差壓敏感元件、轉(zhuǎn)換器和輸出電路等構(gòu)成，利用差壓敏感元件取得壓力信號(hào)，經(jīng)智能處理后，由數(shù)碼管直接顯示水位值，同時(shí)通過信號(hào)線輸出相對應(yīng)的電流或頻率信號(hào)。礦用水位傳感器計(jì)量準(zhǔn)確度如何，與煤礦企業(yè)的安全保障息息相關(guān)。因此，對礦用水位傳感器的準(zhǔn)確計(jì)量就顯得尤為重要。本文就礦用水位傳感器校準(zhǔn)時(shí)示值誤差的測量不確定度進(jìn)行了詳細(xì)的分析與評(píng)定。

1 測量方法

依據(jù)JJF(晉)37-2020《礦用水位傳感器》校準(zhǔn)規(guī)范，在溫度為(20±5)℃，相對濕度≤75%的環(huán)境條件下，采用準(zhǔn)確度等級(jí)0.05級(jí)，測量范圍為(0～250)kPa的數(shù)字式壓力計(jì)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，采用測量范圍為(0～250)kPa的手動(dòng)壓力泵作為壓力源，對準(zhǔn)確度2.5級(jí)，測量范圍為(0～10)m的GUY10礦用水位傳感器進(jìn)行測量。

測量過程：校準(zhǔn)前用測量上限對應(yīng)的1.5倍壓力值輸入礦用水位傳感器做1～2次升壓及密封性試驗(yàn)，選取零點(diǎn)和測量上限的20%、40%、60%、90%5個(gè)點(diǎn)作為傳感器的校準(zhǔn)點(diǎn)，然后由測量范圍下限到測量范圍上限讀取正行程各校準(zhǔn)點(diǎn)的顯示值，當(dāng)達(dá)到滿量程時(shí)，保持1min，而后逐步減至測量下限，并讀取反行程各校準(zhǔn)點(diǎn)的顯示值。傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)示值與標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的水位值之差即為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差。

2 測量模型

2.1 測量模型

式中：△Li為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，m；Li為傳感器各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值，m；ps為校準(zhǔn)設(shè)備各校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；ρ為水的密度，通常取1.0×103kg/m3；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋琺/s2。

2.2 靈敏度系數(shù)

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的來源

1)輸入量Li的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源有兩個(gè)方面：傳感器的測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(Li)；傳感器的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(Li)。

2)輸入量ps的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ps)。

3)輸入量ρ

引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ρ)和輸入量g引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(g)都較小，因此這兩個(gè)分量可以不作考慮。

4 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.1 輸入量Li的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Li)的評(píng)定

4.1.1 傳感器的測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(Li)，采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。重復(fù)性試驗(yàn)條件下，分別在零點(diǎn)和測量上限的20%、40%、60%、90%5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上各做10次重復(fù)測量，求出各點(diǎn)重復(fù)測量平均值為，示值誤差單次測得值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差按式0.029進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際測量過程中，測量結(jié)果為單次測量的示值，所以其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：u1(Li)=s。各校準(zhǔn)點(diǎn)重復(fù)性試驗(yàn)測量結(jié)果見表1。

表1 重復(fù)性試驗(yàn)測量結(jié)果 單位：m

4.1.2 傳感器的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(Li)，采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。由傳感器說明書可知，儀器分辨力為0.01m，即區(qū)間半寬度為0.005m，假設(shè)為均勻分布，即k=，則u2(Li)=0.005/=0.003m。

一般在重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量和分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量兩個(gè)中取其中一個(gè)較大者作為輸入量Li的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，所以選取u1(Li)。

4.2 輸入量ps的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ps)的評(píng)定 示值誤差測量時(shí)，ps的不確定度來源主要由數(shù)字式壓力計(jì)的最大允許誤差引入，采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。由數(shù)字式壓力計(jì)檢定證書可知，其準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，則數(shù)字式壓力計(jì)的最大允許誤差區(qū)間半寬度a=0.05%×滿量程=0.125 kPa，區(qū)間內(nèi)誤差服從均勻分布，取包含因子k=，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：u(ps)

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

5.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表見表2

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表

表3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表 單位：m

6 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

示值誤差測量時(shí)，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：U =k×uc，各測量點(diǎn)擴(kuò)展不確定度見表4。

表4 擴(kuò)展不確定度一覽表 單位：m

7 測量不確定度報(bào)告

在零點(diǎn)校準(zhǔn)點(diǎn)上：U =0.03m，k=2。

在測量上限的20%校準(zhǔn)點(diǎn)上：U =0.05m，k=2。

在測量上限的40%校準(zhǔn)點(diǎn)上：U=0.06m，k=2。

在測量上限的60%校準(zhǔn)點(diǎn)上：U=0.07m，k=2。

在測量上限的90%校準(zhǔn)點(diǎn)上：U=0.08m，k=2。

8 結(jié)束語

通過對礦用水位傳感器示值誤差的測量不確定度評(píng)定可以看出，對測量不確定度影響大的是測量重復(fù)性和測量標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的不確定分量，而由傳感器的分辨力引入得不確定度分量很小可忽略不計(jì)，水的密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣纫氲臉?biāo)準(zhǔn)不確定度分量都較小，兩個(gè)分量可以不作考慮。這對計(jì)量技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)開展礦用水位傳感器的校準(zhǔn)工作具有重要的指導(dǎo)意義。