工業(yè)生產(chǎn)中壓力測量系統(tǒng)測量結(jié)果不確定度研究

鄭顯鋒，鄧鵬波，張 巖

（1.西安工業(yè)大學 光電工程學院，西安 710032；2.西安航天計量測試研究所，西安 710100；3.西北國家計量測試中心辦公室，西安 710100）

在傳統(tǒng)計量中，保證計量器具的周期檢定是計量工作的關(guān)鍵。壓力計量器具的計量主要依據(jù)JJG 52 彈性元件式壓力表、壓力真空表和真空表、JJG 49 彈性元件式精密壓力表和真空表、JJG 860 壓力傳感器（靜態(tài)）、JJG 882 壓力變送器、JJG 875 數(shù)字壓力計等規(guī)程規(guī)范開展量值傳遞工作。但是在實際工作中卻存在一系列的問題和影響，如安裝在復雜壓力測量系統(tǒng)（如配氣臺）中的壓力計量器具，每個周期的計量檢定工作對于使用人員非常困難；在復雜管路中拆裝困難和拆裝后造成的氣密性問題，造成計量檢定完成后整個系統(tǒng)不能使用；由于復雜的管路連接造成輸出結(jié)果偏差，出現(xiàn)壓力計量器具檢定合格但是最終輸出卻明顯偏離壓力計量器具顯示值等問題。

為了優(yōu)化計量工作流程，保證最終輸出結(jié)果準確可靠，解決困擾工業(yè)生產(chǎn)的這一難題。在大量探索和試驗積累的條件下，引入產(chǎn)業(yè)計量的理念研究了一套行之有效的現(xiàn)場/在線校準方法，形成了JJF（陜）025-2020《配氣臺壓力測量系統(tǒng)校準規(guī)范》[1]。

1 測量對象

針對工業(yè)生產(chǎn)中壓力輸出結(jié)果進行了大量的試驗研究，為了保證測量結(jié)果的可靠性，對測量結(jié)果進行不確定度分析，以測得值和不確定度的形式給出最終測量結(jié)果[2]。

配氣臺作為一種在工業(yè)生產(chǎn)中常見的對目標氣體進行調(diào)節(jié)、控制和分配的專用設(shè)備，其壓力測量通道測量結(jié)果準確與否關(guān)系下一個工作流程是否可以順利進行。所以將配氣臺壓力測量系統(tǒng)作為典型測量對象進行研究[3-5]。

配氣臺工作原理示意圖如圖1所示，通過對總氣源和各通道氣體壓力的控制和調(diào)節(jié)實現(xiàn)各通道氣體按要求配送輸出?？倸庠?、各氣體通道及與其相連通的氣體壓力測量儀表組成各壓力測量通道，各壓力測量通道一起組成配氣臺的壓力測量系統(tǒng)。

圖1 配氣臺工作原理示意圖Fig.1 Working principle diagram of gas distribution table

以配氣臺其中一個壓力測量通道為例，配氣臺壓力測量通道工作原理示意圖如圖2所示，一般由氣體輸入控制單元、排氣控制單元、氣體輸出控制單元和壓力測量單元組成。

2 校準過程測量結(jié)果不確定度分析

首先依據(jù)JJF（陜）025-2020《配氣臺壓力測量系統(tǒng)校準規(guī)范》對該個測量通道進行校準，標準器連接示意圖如圖3所示。

圖3 標準器連接示意圖Fig.3 Standard connection diagram

2.1 測量條件

環(huán)境條件：溫度：22.0 ℃，濕度：75%RH。

測量標準：數(shù)字壓力計，測量范圍：0～6 MPa，準確度等級：0.05 級。

被測對象：配置機械式氣體壓力測量儀表的配氣臺[1]，測量通道配置氣體壓力測量儀表為1.6 級0～6 MPa 壓力表，該通道額定工作壓力4 MPa。

2.2 數(shù)學模型

按照JJF（陜）025-2020《配氣臺壓力測量系統(tǒng)校準規(guī)范》規(guī)定方法進行校準，其示值誤差的數(shù)學模型[6-7]如公式（1）所示：

式中：Δi為各校準點的示值誤差，MPa；xi為各校準點被校準儀表示值，MPa；xsi為各校準點標準器示值或理論電量值，MPa。

2.3 標準不確定度來源分析

標準不確定度分量來源[8]如表1所示。

表1 標準不確定度來源分析Tab.1 Standard uncertainty source analysis

2.4 標準不確定度分量評定

2.4.1 標準不確定度A 類評定

校準結(jié)果如表2所示，采用極差法計算重復性[9]。

表2 校準結(jié)果重復性Tab.2 Repeatability of calibration results

以1 MPa 壓力校準點為例，進行重復性測量，測量次數(shù)為3 次，所得的示值誤差分別為：Δ1=0.020 MPa，Δ2=0.022 MPa，Δ3=-0.002 MPa，最大示值誤差和最小示值誤差之差為0.024 MPa，極差系數(shù)取dn=1.69，采用極差法計算示值誤差的重復性如公式（2）所示：

式中：s 為試驗標準偏差，MPa；Δmax為最大示值誤差，MPa；Δmin為最小示值誤差，MPa；dn為極差系數(shù)。

則由重復性引入的不確定度分量如公式（3）所示：

采用相同的方法計算其他校準點上示值誤差的重復性，見表2。

2.4.2 標準不確定度B 類評定

（1）標準器引入不確定度分量[10]uB1

測量標準：數(shù)字壓力計，測量范圍：0～6 MPa，準確度等級：0.05 級，取k=2，引入的不確定度分量：

（2）儀表的分辨力引入不確定度分量uB2

測量通道配置氣體壓力測量儀表為1.6 級0～6 MPa 壓力表，分辨力為0.02 MPa，認為均勻分布，k=，引入的不確定度分量：

（3）環(huán)境溫度變化引入不確定度分量uB3

標準器可對溫度影響進行修正，溫度變化對標準器輸出的影響可忽略不計，被校準測量通道配置氣體壓力測量儀表為1.6 級0～6 MPa 壓力表，校準過程中環(huán)境溫度在其工作溫度范圍內(nèi)，可忽略不計，引入的不確定度分量：

uB3=0 MPa

（4）環(huán)境濕度變化引入不確定度分量uB4

校準過程中濕度變化上限約5%RH，對應的壓力變化量很小，可忽略不計，引入的不確定度分量：

uB4=0 MPa

（5）安裝位置高度差引入不確定度分量uB5

校準過程中，標準器與被校配氣臺對應的氣體壓力測量儀表處于同一水平位置，由安裝位置高度差引入的壓力變化量很小，可忽略不計，引入的不確定度分量：

uB5=0 MPa

（6）管路內(nèi)壓力波動引入不確定度分量uB6

測量過程中，是在關(guān)閉控制進氣閥門待壓力穩(wěn)定后進行讀數(shù)的，氣源自身的波動已經(jīng)被物理隔離，影響量可以忽略不計（如氣源直接供氣，無物理隔離的應考慮氣源壓力波動引入的管路內(nèi)壓力波動影響），引入的不確定度分量：

uB6=0 MPa

（7）輕敲指針位移引入不確定度分量uB7

被測量通道配置氣體壓力測量儀表為1.6 級0～6 MPa 壓力表，校準過程中產(chǎn)生的輕敲指針位移量最大為0.004 MPa，認為均勻分布，k=，引入的不確定度分量：

（8）人員讀數(shù)引入不確定度分量uB8

由于測量過程中，測量人員為熟練此項業(yè)務的檢定員，同時儀表的分辨力引入不確定度分量uB2，在儀表的分辨力引入不確定度分量中已包含人員讀數(shù)引入不確定度分量，所以人員讀數(shù)引入不確定度分量不再作單獨考慮。

2.5 合成標準不確定度

標準不確定度分量一覽表如表3所示。

表3 標準不確定度分量一覽表Tab.3 List of standard uncertainty components

上述不確定度分量各自相互獨立，互不相關(guān)（uA與uB2除外，uA與uB2取其大者作為不確定度分量進行合成標準不確定度計算），合成標準不確定度計算如公式（4）所示：

合成標準不確定度如表4所示。

表4 合成標準不確定度一覽表Tab.4 List of uncertainties of synthetic standards

2.6 擴展不確定度

取k=2，擴展不確定度如公式（5）所示：

擴展不確定度如表5所示。

表5 擴展不確定度一覽表Tab.5 List of expanded uncertainties

3 生產(chǎn)過程的測量結(jié)果不確定度分析

在校準過程中，通過對各個測量通道進行校準和不確定度分析，得到了校準結(jié)果并分析給出了測量結(jié)果不確定度，對生產(chǎn)過程該測量系統(tǒng)的壓力準確輸出意義重大[11]。

但是該校準結(jié)果僅為該測量通道在特定條件下（校準條件）作為一個整體的輸出結(jié)果分析，同時整個校準過程是對應測量通道在穩(wěn)態(tài)下完成測量比對（標準器和壓力計量器具輸出穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)采集），而在實際生產(chǎn)過程該測量通道不能達到校準過程的絕對穩(wěn)態(tài)狀態(tài)[12]。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中該壓力測量通道測量結(jié)果進行分析時，還需要進一步考慮環(huán)境影響、壓力波動影響等實際影響量，該校準結(jié)果的不確定度僅作為一個重要分量引入最終工業(yè)生產(chǎn)過程中測量結(jié)果的評價，這樣才能保證工業(yè)生產(chǎn)過程中最終壓力輸出結(jié)果準確可靠。

4 結(jié)語

通過對生產(chǎn)過程中壓力參數(shù)測量實際問題作出了綜合分析，為工業(yè)生產(chǎn)中壓力測量通道輸出結(jié)果準確提供了理論依據(jù)，指導不確定度理論研究成果在工業(yè)生產(chǎn)中應用。并通過對各分量的不確定度影響分析，明確了各影響因素對測量結(jié)果不確定度的影響，為工業(yè)生產(chǎn)中的壓力測量系統(tǒng)改進提升指出了方向。讓計量與生產(chǎn)相結(jié)合，讓不確定度的理論研究起到指導實際生產(chǎn)的作用。