動態(tài)直接比較法在校準(zhǔn)絕對壓力變送器中應(yīng)用

摘要:隨著絕對壓力變送器制造技術(shù)的進(jìn)步和其測量范圍的擴(kuò)大，按照J(rèn)JIG882--2004《壓力變送器》規(guī)程中要求的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)器已經(jīng)不能滿足其在中真空下的校準(zhǔn)要求，文章介紹了通過采用動態(tài)直接比較法對絕對壓力變送器在30Pa~1.2kPa范圍進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。
　　RH爐精煉工藝所要求的真空壓力通常在低真空10²~10²Pa和中真空10²~10^-1Pa范圍，在此工藝要求下，通常選用皮拉尼規(guī)或電容薄膜真空計或者絕對壓力變送器作為中、低真空過程檢測儀表。但在實際應(yīng)用中，真空計不僅價格昂貴、互換性差，且諸如MKS系列真空計可能還會受到非商業(yè)因素的影響而無法采購。從計量校準(zhǔn)角度來講，除國防計量系統(tǒng)和國家級計量測試研究院外，省市級地方法定計量檢定機構(gòu)基本不具備該類儀表的檢定和校準(zhǔn)條件，而外送檢定從經(jīng)濟(jì)性和可操作性.上都有著較大的困難。
　　相較以上的不便，絕對壓力變送器無疑有著先天優(yōu)勢。由于此類設(shè)備已標(biāo)準(zhǔn)化，通用性強，技術(shù)成熟，所以在工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用，但是能否將絕對壓力變送器應(yīng)用到中真空的檢測需要解決如下2個要求。
(1)要有適合的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和校準(zhǔn)裝置
　　根據(jù)JJG882--2004《壓力變送器》檢定規(guī)程，同時參考主流標(biāo)準(zhǔn)器供應(yīng)商的產(chǎn)品說明，檢定絕對壓力變送器可選的標(biāo)準(zhǔn)器通常為0.05級、測量范圍為0~-100kPa的數(shù)字壓力計，即使是FLUKEPPC4EX-100K的數(shù)字壓力計，在搭配不同精度高傳感器下，其承諾的校準(zhǔn)范圍也僅僅為絕對壓力1kPa~10MPa，二者測量范圍均未覆蓋中真空，其配套設(shè)備的性能同樣無法滿足中真空下的校準(zhǔn)要求。
(2)要有適合的校準(zhǔn)方法
　　根據(jù)與多個變送器制造商溝通了解，由于傳感器制造技術(shù)的進(jìn)步，多數(shù)絕對壓力變送器的測量范圍可以覆蓋中真空，如E+H隨機出廠的校準(zhǔn)報告中已經(jīng)體現(xiàn)其已采用電容薄膜真空計作為真空標(biāo)準(zhǔn)，但出于商業(yè)和技術(shù)原因，在絕大多數(shù)絕對壓力變送器的供應(yīng)商提供的選型手冊中，仍未對1kPa以下直至中真空測量范圍內(nèi)的計量性能進(jìn).行承諾，如擬將絕對壓力變送器應(yīng)用在30Pa~1.2kPa范圍，需要對其在該范圍的計量性能進(jìn)行校準(zhǔn)，而JJG882-2004《壓力變送器》檢定規(guī)程中提供的方法不能滿足需求。
　　綜上所述，只要解決上述矛盾，將通過校準(zhǔn)的絕對壓力變送器應(yīng)用在30Pa~1.2kPa是可以實現(xiàn)的。
1標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成
　　參照了JJG729--1991《二等標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)相對法真空檢定裝置》檢定規(guī)程的要求并根據(jù)實際需求適當(dāng)簡化，設(shè)計建造了該動態(tài)直接比對法校準(zhǔn)裝置，用于滿足測量范圍為30Pa~1.2kPa絕對壓力變送器的校準(zhǔn)，原理圖如圖1所示。
 
1.1裝置的原理
　　準(zhǔn)裝置的原理是將被校準(zhǔn)的真空計與主標(biāo)準(zhǔn)器連接到裝置的真空室上，通過微調(diào)閥調(diào)節(jié)真空室中的氣體壓力，當(dāng)真空室達(dá)到所需穩(wěn)定均勻的平衡壓，力時，被校絕對壓力變送器和主標(biāo)準(zhǔn)器同時測量真空室中的壓力，并將測量結(jié)果直接比較，并給出示值誤差或校準(zhǔn)曲線。
1.2裝置的組成
　　裝置選用了INFICON型號為CDG025D的量程為10Torr(1.33kPa)的電容薄膜真空計連同VGC401真空顯示控制單元作為該絕對壓力變送器校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)器，用于校準(zhǔn)測量1kPa以下的絕對壓力變送器，同時該裝置預(yù)留了未來100Torr(13.3kPa)，1000Torr(133kPa)的擴(kuò)展接口，裝置中的主要配套設(shè)備包括，旋片式真空泵、真空室、主標(biāo)準(zhǔn)器(電容薄膜真空計)、壓力微調(diào)閥、管路等。
1.2.1真空泵選擇
　　假設(shè)系統(tǒng)極限壓強P極限為1Pa，需要先計算空載時的總放氣和漏氣率。
　　漏放率的計算:管道直徑DB=6mm，L=1500mm，圓柱形真空室體積V=0.02m³(預(yù)估)，內(nèi)表面積S=0.48m²
設(shè):(1)系統(tǒng)Q涵=0.0007Pa·L/s
(2)系統(tǒng)沖入干燥氮氣
(3)容器壁放氣量
　　已知:材料302不銹鋼(1Cr18Ni9)出氣率ρ10h=4x10^-7Pa·L/(s·cm²).
　　所以容器壁Q出=ρ10h·S=0.00192Pa·L/s
　　經(jīng)估算，總充氣和漏氣量Q為1.83Pa·L/s.真空泵的有效抽速Se=Q/P極限=109.8L/min，取20%的設(shè)計余量和管道流導(dǎo)的影響，真空泵實際抽速應(yīng)達(dá)到SL=1.2xSe=131.8L/min。根據(jù)泵的抽速即可為本系統(tǒng)選配適宜的真空泵。
1.2.2真空室的計算
　　真空室是比對法真空校準(zhǔn)裝置設(shè)計的關(guān)鍵部分，根據(jù)JJG729-1991的要求，選用圓筒型容器作為真空室的主要形式，要求筒長與筒徑之比不大于3，在設(shè)計真空室的容積時，要大于連接到該容積被檢真空規(guī)總?cè)莘e的20倍，該裝置的真空室的容積設(shè)計為20L，整套裝置備有3個標(biāo)準(zhǔn)ISO/KF接口和ISO/KF轉(zhuǎn)M20x1.5mm接口，同時可接3個標(biāo)準(zhǔn)的真空計和1個被校絕壓變送器，通過查說明書和經(jīng)過計算標(biāo)準(zhǔn)真空計和被校變送器的總?cè)莘e為0.015L，遠(yuǎn)小于真空室的容積，真空室的尺寸符合要求。
2校準(zhǔn)程序和基本計算
2.1校準(zhǔn)程序
　　校準(zhǔn)前必須確保標(biāo)準(zhǔn)器和被校變送器加電預(yù)熱2h以上，同時需確認(rèn)管道密封良好，被校變送器過程接口清潔、無雜物。
　　首先將被校變送器正確安裝，位置如圖1所示。關(guān)閉微調(diào)閥和放氣閥后，打開真空泵及其連接管路.上的真空閥，對傳感器安裝接口及真空氣室進(jìn)行抽氣，當(dāng)真空顯示控制單元顯示的壓力值達(dá)到1Pa左右時，逐步打開微調(diào)閥，使氣瓶內(nèi)的氣體通過微調(diào)閥進(jìn)入真空氣室，通過平衡抽氣和氣瓶補氣達(dá)到動態(tài)的平衡后，真空顯示控制器的顯示值達(dá)到預(yù)定的校準(zhǔn)壓力值時，讀取被校變送器示值，完成校準(zhǔn)后，關(guān)閉真空泵及真空泵后的真空閥，關(guān)閉氣瓶和同時關(guān)閉真空氣室的微調(diào)閥后，打開放氣閥，待壓力達(dá)到大氣壓時，卸下變送器，校準(zhǔn)結(jié)束。操作流程如圖2所示。
 
2.2基本計算
　　通過手動調(diào)節(jié)，將標(biāo)準(zhǔn)器的設(shè)定點誤差控制在±5Pa以內(nèi)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)示值穩(wěn)定后，連續(xù)記錄5次被校表示值然后取平均值，并進(jìn)行誤差計算。
△A=`Ad-As
　　式中:△A為絕對壓力變送器示值誤差，Pa;`Ad為被校變送器示值算術(shù)平均值，Pa;As為標(biāo)準(zhǔn)器示值，Pa。
3絕對壓力變送器的計量性能驗證
　　根據(jù)校準(zhǔn)操作程序和計算方法，隨機抽取2臺在使用的不同廠商的絕對壓力變送器進(jìn)行校準(zhǔn)，測量范圍設(shè)定為0~1200Pa，為驗證變送器實際計量性能，根據(jù)JJG882--2004的要求，選擇的校準(zhǔn)范圍為24~1200Pa。
　　先分別將變送器按24Pa進(jìn)行零點調(diào)整后，進(jìn)行兩組校準(zhǔn)，在此過程中變送器不做其他調(diào)整，兩臺絕對壓力變送器的測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。
 
 
4校準(zhǔn)過程測量不確定度評定
　　真空校準(zhǔn)過程中需要考慮的不確定度通常包括環(huán)境因素、標(biāo)準(zhǔn)器的分辨力、真空室內(nèi)的氣體均勻性、裝置的穩(wěn)定性和是否有吸放氣效應(yīng)等多種因素。經(jīng)過分析歸納，校準(zhǔn)過程中主要的不確定度來源包括標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度、重復(fù)性引入的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)裝置壓力穩(wěn)定性引入的不確定度。
4.1標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度
　　校準(zhǔn)絕對壓力變送器除包括電容薄膜真空計之外，還包括電測標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的不確定度。這里1#標(biāo)準(zhǔn)器采用的是inficon公司的電容薄膜真空計，經(jīng)過上級校準(zhǔn)機構(gòu)使用比較法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)后給出的不確定度Urel=0.6%，其引入的不確定度分量為ub1=0.3%。2#標(biāo)準(zhǔn)器采用的是FLUKE8808A，20mA檔的不確定度為Urel=0.02%，其引入的不確定度分量為ub2=0.01%。
4.2重復(fù)性引入的不確定度
　　以被校絕對壓力變送器設(shè)定測量范圍1.2kPa,在50Pa環(huán)境下進(jìn)行了10次重復(fù)性實驗，測試數(shù)據(jù)分別為:54.2、52、51.6、50.5、48.5、47.7、50.9、52、53.3、54Pa，平均值為51.47Pa,單次測量標(biāo)準(zhǔn)差為2.16Pa。
　　在重復(fù)性條件下測量10次，日常校準(zhǔn)中以5次測量算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，則:
 
4.3標(biāo)準(zhǔn)壓力穩(wěn)定性引入的不確定度
　　由于該裝置的結(jié)構(gòu)和性能限制，壓力的穩(wěn)定度最大能控制在±5Pa，此區(qū)間服從均勻分布，則有:
 
4.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
　　因各輸入量獨立，互不影響，則有:
 
4.5擴(kuò)展不確定度
　　取包含因子k=2，真空裝置校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為Urel=0.4%。
5注意事項
(1)絕對壓力變送器的動態(tài)校準(zhǔn)方法不同于普通壓力變送器的逐點造壓/疏空后的示值快速比對。真空校準(zhǔn)前抽氣至1Pa的目的在于確認(rèn)其連接的氣密性和穩(wěn)定性;逐點校準(zhǔn)過程中通入氮氣調(diào)整壓力的目的是最大限度降低空氣雜質(zhì)和消除不均勻性的影響。如真空室內(nèi)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其校準(zhǔn)結(jié)果將會嚴(yán)重失真，所以其達(dá)到穩(wěn)定校準(zhǔn)條件的耗時要遠(yuǎn)大于普通壓力檢定。
(2)使用比較法真空校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)絕對壓力變送器中的不確定度主要取決于主要標(biāo)準(zhǔn)器的不.確定度，如條件允許，應(yīng)盡可能選用更高一級的標(biāo)準(zhǔn)器。
(3)為將泄漏控制到最小，密封材料和連接件的密封性能至關(guān)重要。普通壓力變送器過程接口及其密封材料與真空系統(tǒng)中常用的規(guī)格有明顯區(qū)別。如常用規(guī)格為NPT等椎管螺紋纏繞四氟纏.繞帶以及M20x1.5直管螺紋墊四氟墊圈或橡膠墊圈組合，而中、低真空系統(tǒng)中常用KFHSO快速接頭和0型密封圈(通常為普通橡膠和丁基橡膠)，因此校準(zhǔn)前需要考慮不同接頭密封性能的區(qū)別和轉(zhuǎn)換需求。
(4)從計量性能驗證數(shù)據(jù)分析，絕對壓力變送器可以作為中真空壓力的測量設(shè)備，但受限于傳感器類型和廠商的制造水平，建議校準(zhǔn)后根據(jù)需求進(jìn)行遷移，或根據(jù)繪制的校準(zhǔn)曲線使用。(5)此校準(zhǔn)裝置為手動操作，為達(dá)到JJG729-1991中穩(wěn)定度的要求，建議在雙人配合下進(jìn)行操作。
(5)此校準(zhǔn)裝置為手動操作，為達(dá)到JJG729-1991中穩(wěn)定度的要求，建議在雙人配合下進(jìn)行操作。
(6)因現(xiàn)在絕大多數(shù)智能變送器均帶有表頭輸出，同時其變送輸出的帶來的不確定度基本可以忽略不計，因此，在本文中未提及絕對壓力變送器的輸出部分的計算，實際應(yīng)用中如有需要，應(yīng)參照J(rèn)JG882-2004進(jìn)行。
6結(jié)束語
　　根據(jù)實踐，在遵循真空設(shè)計規(guī)范的前提下，通過比較法真空校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)測量范圍在30Pa以.上絕對壓力變送器是經(jīng)濟(jì)、可行的。