淺析數(shù)顯電接點壓力表的校準(zhǔn)方法以及不確定度

曹文普，曹 玲，楊 玲，劉玉兵，楊令方

（1.阿米檢測技術(shù)有限公司，重慶 400025；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076）

電接點壓力表作為一種常用的儀器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、機(jī)械等工業(yè)部門，在企業(yè)的自動控制和發(fā)信（報警）方面起著重要作用。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展，對其性能提出了更高要求，如必須滿足抗震性好、控制精度高且使用周期長等特點，而傳統(tǒng)的指針式電接點壓力表已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的使用需求。對此，設(shè)備廠家開發(fā)出了電子化、智能化的新產(chǎn)品，而針對這些新式產(chǎn)品現(xiàn)有檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范暫時無法對其性能特性做出有效的判斷，故本文針對一種新型的數(shù)顯電接點壓力表提出了一種新的校準(zhǔn)方法，供大家參考。

1 電接點壓力表校準(zhǔn)

1）環(huán)境條件及要求

環(huán)境溫度：（20±5）℃，相對濕度：不大于85%RH，測量時不應(yīng)有影響校準(zhǔn)結(jié)果的振動。數(shù)顯電接點壓力表是數(shù)字壓力計與電接點壓力表的結(jié)合，目前國家沒有關(guān)于它的檢定規(guī)程或者校準(zhǔn)規(guī)范[1]。下面以上海銘控（0～25）MPa，0.5級數(shù)顯電接點壓力表為例來介紹其校準(zhǔn)方法。

2）校準(zhǔn)設(shè)備采用（0～25）MPa，0.05級數(shù)字壓力表及配套的液壓源。由于上海銘控這款數(shù)顯電接點壓力表自帶設(shè)定點提示燈如圖1，故省去用萬用表或者其他輔助校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)設(shè)定點偏差的步驟。在實際校準(zhǔn)工作中可根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)設(shè)備，條件允許最好選擇可自動記錄壓力值且有數(shù)據(jù)儲存功能的校準(zhǔn)設(shè)備。這種校準(zhǔn)設(shè)備能在數(shù)顯電接點壓力表發(fā)生動作時，自動記錄動作時標(biāo)準(zhǔn)器上的壓力值，可減少人為因素引入的誤差；又因具備存儲數(shù)據(jù)的功能，在方便后期數(shù)據(jù)查閱和分析的同時，又能充分利用校準(zhǔn)人員的時間，如ConST811A智能數(shù)字壓力校驗儀就具備這種功能[2]。

圖1 數(shù)顯電接點壓力表示意圖Fig.1 Diagram of digital-display pressure gauge with electric contact

2 校準(zhǔn)方法

對數(shù)顯電接點壓力表的校準(zhǔn)主要分為3個方面：一是基本誤差校準(zhǔn)，即對零點漂移、示值誤差、回程誤差等項目的校準(zhǔn)；二是對外觀性能的檢查，包括對數(shù)顯電接點壓力表絕緣電阻的檢查；三是對控制區(qū)間的校準(zhǔn)，即對數(shù)顯電接點壓力表設(shè)定點偏差及切換差的校準(zhǔn)[3]。

1）外觀及工作性能觀察

目力觀察，手動及通電檢查。其中應(yīng)在校準(zhǔn)壓力的過程中，觀察其數(shù)字顯示筆畫是否齊全，不應(yīng)有缺筆畫的現(xiàn)象；顯示部分不得漏液、花屏現(xiàn)象[4]。

2）絕緣電阻的校準(zhǔn)

采用絕緣電阻表進(jìn)行。先短接數(shù)顯電接點壓力表正負(fù)，再接上電阻表，待穩(wěn)定5s后讀數(shù)。

3）零位漂移

預(yù)熱30min后，在通大氣壓力時記錄數(shù)顯電接點壓力表的初始示值，然后每隔15min記錄1次顯示值，連續(xù)記錄4次，取每次顯示值與初始值的差值中絕對值最大值為零位漂移[4]。

4）示值誤差

校準(zhǔn)之前，調(diào)整0.05級數(shù)字壓力表和電接點壓力表安裝位置，盡可能使兩者在同一水平面；先預(yù)壓1～2次，之后在全量程范圍內(nèi)均勻地選取5個點（含零點）升壓、降壓，同時記錄好數(shù)顯電接點壓力表和數(shù)字壓力表的顯示值，根據(jù)以下公式計算示值誤差：

式（1）中：

Δp——數(shù)顯電接點壓力表校準(zhǔn)點示值誤差，Pa，kPa或MPa。

pR——數(shù)顯電接點壓力表校準(zhǔn)點正、反行程示值，Pa，kPa或 MPa。

ps——標(biāo)準(zhǔn)器各校準(zhǔn)點的標(biāo)準(zhǔn)示值，Pa，kPa或MPa。

在升壓和降壓過程中應(yīng)平穩(wěn)，避免有沖擊和過壓現(xiàn)象。

5）回程誤差

以同一校準(zhǔn)點正、反行程最大示值之差的絕對值作為數(shù)顯電接點壓力表的回程誤差[4]。

6）設(shè)定點偏差的校準(zhǔn)

①設(shè)定點的選取：三位調(diào)節(jié)數(shù)顯電接點壓力表帶上、下限設(shè)定，其設(shè)定點偏差校準(zhǔn)時上限應(yīng)在數(shù)顯電接點壓力表量程50%、75%兩點進(jìn)行，下限應(yīng)在數(shù)顯電接點壓力表量程的25%、50%兩點進(jìn)行。

②上、下限切換值的確定：根據(jù)儀器說明書，操作數(shù)顯電接點壓力表，分別設(shè)置好上、下限設(shè)定點，對于切換差可調(diào)的數(shù)顯電接點壓力表需同時將切換差調(diào)至最小，再均勻緩慢升壓或降壓。當(dāng)壓力接近設(shè)定值時，升壓或降壓的速度緩慢均勻；當(dāng)電接點壓力表上限或者下限提示燈亮起或熄滅的瞬間，停止加減壓力并在標(biāo)準(zhǔn)器上讀取壓力值，此值為上切換值或下切換值。

③上切換值與設(shè)定點壓力值的差值為升壓設(shè)定點偏差，下切換值與設(shè)定點壓力值的差值為降壓設(shè)定點偏差[5]。

具體操作如下：先將下限設(shè)定點設(shè)為6.25MPa、上限設(shè)定點設(shè)為12.50MPa，此時下限提示燈常亮，之后緩慢加壓。當(dāng)提示燈由常亮變不亮?xí)r，記下此時數(shù)字壓力表上壓力值，再繼續(xù)加壓。當(dāng)上限提示燈由不亮變?yōu)槌Ａ習(xí)r，記錄此時數(shù)字壓力表上的壓力值，再加壓之后，緩慢降壓至12.50MPa。當(dāng)提示燈由常亮變?yōu)椴涣習(xí)r，記錄此時數(shù)字壓力表上壓力值，繼續(xù)緩慢降壓；當(dāng)提示燈由不亮變?yōu)槌Ａ習(xí)r，記錄此時數(shù)字壓力表上壓力值。同理將下限設(shè)定點設(shè)為12.50 MPa、上限設(shè)定點設(shè)為18.75MPa，然后再重復(fù)上述校準(zhǔn)步驟，完成數(shù)據(jù)的采集。

7）切換差校準(zhǔn)

切換差校準(zhǔn)與設(shè)定點偏差校準(zhǔn)同時進(jìn)行，同一設(shè)定點的上、下切換值之差為切換差[5]。

對于切換差可調(diào)的數(shù)顯電接點壓力表，應(yīng)分別在最小和最大切換差下測量其切換差。當(dāng)切換差調(diào)至最小時測得的切換差為最小切換差，切換差調(diào)至最大時測得的切換差為最大切換差[6]。

8）計量特性

由于該數(shù)顯電接點壓力表采用高精度的壓力傳感器作為感壓元件，其對壓力的控制精度得到了很大提升。傳統(tǒng)的機(jī)械式電接點壓力表大多數(shù)為1.6級、2.5級，而數(shù)顯電接點壓力表常見為0.25%FS、0.5%FS、1%FS即0.25級、0.5級、1.0級，其對應(yīng)的數(shù)顯電接點壓力表示值誤差的最大允許誤差應(yīng)滿足相應(yīng)的等級要求，回程誤差應(yīng)不大于最大允許誤差的絕對值。又由于此類數(shù)顯電接點壓力表的作用方式的不同導(dǎo)致無法參考JJG52-2013表2中對設(shè)定點偏差的要求，故定義其設(shè)定點偏差應(yīng)不大于最大允許誤差。根據(jù)切換差是否可調(diào)，又把數(shù)顯電接點壓力表的切換差的允許誤差分為了兩類：

① 對于切換差不可調(diào)的數(shù)顯電接點壓力表，其切換差不大于量程的10%[6]。

② 對于切換差可調(diào)的數(shù)顯電接點壓力表，其最小切換差應(yīng)不大于量程的10%，最大切換差應(yīng)不大于量程的30%[6]。

3 數(shù)顯電接點壓力表示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

1）數(shù)顯電接點壓力表的測量模型如下：

式（2）中：

Δp——數(shù)顯電接點壓力表校準(zhǔn)點示值誤差，Pa，kPa或MPa。

pR——數(shù)顯電接點壓力表校準(zhǔn)點正、反行程示值，Pa，kPa或 MPa。

ps——標(biāo)準(zhǔn)器各校準(zhǔn)點的標(biāo)準(zhǔn)示值，Pa，kPa或MPa。

2）不確定度來源分析

a）數(shù)顯電接點壓力表引入的不確定度分量u

① 測量重復(fù)性引入的不確定度分量u11。

② 數(shù)顯電接點壓力表分辨力引入的不確定度分量u12。

b）由標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量u2

① 由數(shù)字壓力表引入的不確定度分量u21。

② 數(shù)顯電接點壓力表與數(shù)字壓力表之間的高度差引入的不確定度分量u22。

③ 被檢數(shù)顯電接點壓力表溫度影響產(chǎn)生的不確定度分量u23。

3）靈敏系數(shù)

根據(jù)測量模型及不確定的傳播率，給出靈敏系數(shù)的計算方法。

4 不確定度分量的評定[7]

4.1 數(shù)顯電接點壓力表引入的不確定度分量

1）數(shù)顯電接點壓力表測量重復(fù)性引入的不確定度分量u11

在重復(fù)性條件下，對同一個被校點連續(xù)測量10次，得到1組數(shù)據(jù)。采用A類評定方法，得到單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差。測量結(jié)果見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data

用貝塞爾公式計算可得單次實驗標(biāo)準(zhǔn)差，按照公式（4）計算：

式（4）中：

s——實驗標(biāo)準(zhǔn)差。

Xi——第i次測量的測得值。

次測量所得一組測得值的算術(shù)平均值。

n——測量次數(shù)。

根據(jù)公式（4）計算可得標(biāo)準(zhǔn)差s=0.0057MPa，實際操作時為重復(fù)性條件下測量兩次，以正反兩次算術(shù)平均值為測量結(jié)果，則計算得u11：

2）數(shù)顯電接點壓力表分辨力引入的不確定度分量u12

數(shù)顯電接點壓力表的分辨力為0.01MPa，則示值分辨力引入的不確定度按均勻分布，計算可得：

重復(fù)性和分辨力數(shù)引入的不確定度分量取較大者。

4.2 由標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量u2

1）由數(shù)字壓力表引入的不確定度u21

本次測量所使用的是0.05級數(shù)字壓力表，允許誤差為±0.05%FS，分散區(qū)間半寬度為0.05%FS。在此區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為服從均勻分布，k=√3。由此引入的不確定度分量u21：

2）由液位差引入的不確定度u22

由于數(shù)字壓力表下端面與被校準(zhǔn)數(shù)顯電接點壓力表測壓點的高度在實測時最多存在0.5cm的誤差，即h=0.55cm，按兩點分布，則經(jīng)計算可得到u22。

3）被檢數(shù)顯電接點壓力表溫度影響產(chǎn)生的不確定度分量u23

在校準(zhǔn)數(shù)顯電接點壓力表時，實驗室環(huán)境溫度對數(shù)顯電接點壓力表的影響可忽略不計，估u23=0MPa。

5 計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上分量各不相關(guān)，合成不確定度按公式（5）計算：

6 確定擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度按公式（6）計算：

式（6）中：

k——包含因子。

7 結(jié)束語

電接點壓力表作為一種常見的儀器廣泛運用在企業(yè)生產(chǎn)中，其對企業(yè)的安全運行起著關(guān)鍵作用。在校準(zhǔn)過程中，遇到規(guī)程沒有明確規(guī)定的形式，切忌盲目校準(zhǔn)，應(yīng)多加思考、勤查文獻(xiàn)，借鑒其他人的經(jīng)驗。