壓力變送器測(cè)量不確定度評(píng)定

任聰

棗莊市標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究中心 山東棗莊 277100

壓力變送器用于測(cè)量壓力、差壓、流量、液位等信號(hào)，它具有信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、智能化程度高、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，是其他直讀式壓力表所不能比擬的。為了保證壓力變送器測(cè)量的準(zhǔn)確性及可靠性，保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)其進(jìn)行檢定和測(cè)量不確定度進(jìn)行分析。

1 壓力變送器的測(cè)量不確定度分析

在壓力變送器測(cè)量結(jié)果的不確定度分析中，用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出的不確定度分量稱(chēng)為不確定度A類(lèi)評(píng)定。

B類(lèi)不確定度分量評(píng)定是用非統(tǒng)計(jì)方法確定各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。通常，B類(lèi)不確定度分量較清晰，所產(chǎn)生的分量間無(wú)關(guān)聯(lián)，從檢定證書(shū)、技術(shù)資料、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中獲得。通過(guò)對(duì)壓力變送器測(cè)量誤差來(lái)源的分析，校準(zhǔn)壓力變送器B類(lèi)不確定度分量有：

（1）0.05級(jí)活塞壓力計(jì)精度引起的不確定度分量。

（2）數(shù)字多功能傳遞誤差引起的不確定度分量。

（3）膜盒測(cè)量膜片非線性誤差引起的不確定度分量。

（4）不確定度分量由變送器取壓口參考平面與活塞式壓力表活塞下端面高度差引起[1]。

2 測(cè)量方法及數(shù)學(xué)模型

（1）所用標(biāo)準(zhǔn)器：①數(shù)字壓力計(jì)，其準(zhǔn)確度等級(jí)：0.05級(jí)，測(cè)量范圍：0-100kPa；②數(shù)字多用表，最大允許誤差：（0.02%×讀數(shù)+3個(gè)字）。

（2）被測(cè)對(duì)象：壓力變送器，量程：0-80kPa，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5級(jí)。

（3）環(huán)境條件：溫度（20±5）℃，濕度≤45%-75%。

（4）所依據(jù)的計(jì)量檢定規(guī)程：JJG882壓力變送器檢定規(guī)程。

（5）測(cè)量方法：壓力變送器是輸出為4-20mA直流信號(hào)的兩線制變送器，壓力變送器的檢定框如圖1所示。

圖1 檢測(cè)框圖

檢定時(shí)，從下限壓力值開(kāi)始平穩(wěn)地輸入壓力信號(hào)到各個(gè)檢定點(diǎn)，讀取并記錄變送器的輸出值至上限壓力值，然后反方向改變壓力信號(hào)到各檢定點(diǎn)，讀取并記錄輸出值至下限壓力值，一般應(yīng)連續(xù)進(jìn)行3次循環(huán)檢定，取3次循環(huán)檢定結(jié)果的算術(shù)平均值，作為各檢定點(diǎn)實(shí)際輸出電流值。

（6）數(shù)學(xué)模型。以下測(cè)量模型可從JJG882《壓力變送器》檢定規(guī)程附錄D中獲得：

式中：ΔI-壓力變送器的測(cè)量誤差，mA；I-壓力變送器實(shí)際輸出電流，mA；Im-壓力變送器輸出量程，mA；I0-壓力變送器輸出起始，mA；；p-壓力變送器輸入壓力，Pa；pm-壓力變送器輸入量程，Pa[2]。

3 測(cè)量不確定度的來(lái)源

（1）輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（屬B類(lèi)）。輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源是精密數(shù)字壓力計(jì)的誤差，若忽略溫度影響，精密數(shù)字壓力計(jì)最大誤差不超過(guò)±（100×0.05%），即±0.05kPa，按正態(tài)分布估計(jì)，則：

若（P1）的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)95%，則自由度ν1=200。

（2）輸入量I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（屬B類(lèi)）。輸入量I的不確定度主要來(lái)源是數(shù)字電流表的示值誤差和測(cè)量重復(fù)性，環(huán)境溫度影響可忽略不計(jì)。

數(shù)字電流表引入的不確定度為：（0.02%×讀數(shù)+3個(gè)字）=（0.02%×20+0.003）=0.007Ma

若數(shù)字電流表的示值誤差不超過(guò)±7μA，按均勻分布估計(jì)，

若u（I1）的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)95%，則自由度ν21=200。

測(cè)量重復(fù)性。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，所得結(jié)果之間的一致程度。本文在相同條件下對(duì)壓力變送器進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的測(cè)量，輸出電流值不盡相同，取平均值作為測(cè)量結(jié)果，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類(lèi)）可用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)估。

按規(guī)程要求，測(cè)量點(diǎn)不少于6個(gè)。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均有6個(gè)讀數(shù)，由此計(jì)算出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，取最大值。本例中的重復(fù)性誤差取S=4μA。由于u（I1）和u（I2）相互獨(dú)立，因此：

自由度ν1=69。

i為不確定度來(lái)源序號(hào)；xi為不確定度來(lái)源；ki為包含因子；u（xi）為標(biāo)準(zhǔn)不確定度；Ci為靈敏系數(shù)；ui（y）為變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；vi為自由度。

（3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

（4）擴(kuò) 展 不 確 定 度 的 評(píng) 定。取 包 含 因 子k=2，U=2×0.008=0.016mA。

（5）測(cè)量不確定度的報(bào)告。

本次測(cè)量的MPEV=（20-4）×0.5%=0.08mA。

總之，壓力變送器是將壓力變量轉(zhuǎn)換成可傳送的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的儀表，其輸出信號(hào)和壓力變量間存在給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系（通常為線性函數(shù)），主要用于工業(yè)過(guò)程中壓力參數(shù)的測(cè)量及控制。測(cè)量精度關(guān)系到壓力源的穩(wěn)定性和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字繁用表的測(cè)量精度[3]。