壓力變送器示值誤差的測量不確定度評定

      壓力變送器具有遠傳信號等功能，具有智能化程度高、便于調(diào)節(jié)等特征，在多樣化工業(yè)自控環(huán)境中得到廣泛應用。在本文的研究中，以壓力變送器檢定規(guī)程為依據(jù)，構(gòu)建對應的數(shù)學模型,對其測量中的不確定度影響因素進行分析，并進行有效合成，為變送器檢定的順利進行提供切實保障。
壓力變送器與示值誤差測量
壓力變送器
      一般意義上講，壓力變送器屬于一種測量儀表，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用，該儀表能夠?qū)毫ψ兞哭D(zhuǎn)變成多種可傳送的輸出信號，而信號將直接體現(xiàn)出反應壓力的改變情況,并與壓力標量之間存在一定的函數(shù)聯(lián)系。變送器兩側(cè)的壓力不一致，但工作原理相同，能夠?qū)⑿盘杺魉偷街锌厥耶斨?對壓力進行記錄、指示與控制，可見變送器在工業(yè)領(lǐng)域占有十分關(guān)鍵的地位。目前，變送器與信息技術(shù)的結(jié)合日進.緊密，已經(jīng)研制出了智能變送器，使性能得到進一步優(yōu)化。
示值誤差
      示值誤差主要是指工業(yè)計算器中的測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)間的差別。在壓力變送器使用中，示值誤差是指變送器示值與真實數(shù)值之間的差距，同時也是主要計量特征之一。在測量中，不可避免會存在誤差情況，無法保障100%的準確度,壓力變送器中允許存在的最大誤差值便是測量不確定度，通常情況下，在尚未修正時示值便可代表最終結(jié)果，而不確定度只是一種與測量結(jié)果間的聯(lián)系，與其他概念不相關(guān)。測量.不確定度受多種因素影響，包括溫度、濕度、壓力電磁干擾等等，在測量過程中應選擇恰當?shù)臅r間與地點，考慮到被測對象的誤差大小、測量范圍、儀器精度、輸出電流條件、測量數(shù)據(jù)等多個方面。
測量條件與方法
      以壓力變送器檢定規(guī)程為依據(jù)，在溫度為20.5°C，濕度為48%RH的條件下，針對0.02級壓力器的示值不確定度進行驗證，其量程為0~40MPa，允許的最大誤差范圍在士0.02%FS，電流模塊為0~25Ma,最大誤差區(qū)間為士0.02%，壓力器的精度為05級。偶遇被測儀器的量程不同，因此測量過程也不盡相同，采用對被測儀器相對應的壓力校驗設備進行檢測。在檢定之前，將檢定設備與被測儀器連接完畢后，對檢定系統(tǒng)進行一定時間的預熱，并對被測設備預加測量壓力3次。對于0.5級壓力變送器來說，應在測量面積中選取6個檢定點，進行反復三次檢定，然后以檢測規(guī)程為依據(jù)，對被測儀器的各項誤差進行評定。
數(shù)學模型與靈敏系數(shù)
數(shù)學模型的構(gòu)建
      本次檢測實驗中構(gòu)建的壓力變送器模型為:

      式中，△1代表的是變送器中的輸出誤差;單位為mA;Im代表的是變送器輸出量程，單位為mA;1代表的是變送器輸出電流數(shù)值，單位為mA;Pm代表的是變送器輸入量程數(shù)值，單位為MPa;P代表的是變送器輸入壓力大小，單位為MPa;10代表的是變送器輸出起始，單位為mA。
靈敏系數(shù)
      在檢測實驗中，被測對象的變送器測量區(qū)間在0~32MPa之間，輸出電流為4~20mA。因此，對于變送器.來說，輸入壓力靈敏系數(shù)的計算公式為:

不確定度分量的評定
輸入量P的不確定度
      在壓力校準過程中，對示值誤差引入不確定度進行分析，產(chǎn)生的主要原因在于標準壓力模塊，準確度為0.05級，通過B類方式進行評定，允許的最大誤差區(qū)間在士0.05%FS，最大輸出壓力為2.5MPa，在此范圍內(nèi)半寬度的數(shù)值為0.00125MPa,根據(jù)均勻分布原則，其中包括的因子K數(shù)值為5，不確定度u(p)的數(shù)值為0.00125與3的比值，即0.007MPa，不確定度為5%，自由度v的數(shù)值為200。
輸入量I的不確定度
電流示值誤差
      該不確定度產(chǎn)生的主要原因在于壓力校驗器中電流示值誤差，通過B類方式進行評定，誤差范圍在士0.02%，該校驗器的測量區(qū)間在0~2.5MPa之間，變送器中的最大電流量為20mA，區(qū)間的半寬度為0.0047mA,根據(jù)均勻分布原則，其中包含因子K,數(shù)值為后，不確定度為u,數(shù)值為0.0047與后的比值，即0.0027mA，不確定度為5%，自由度為200。
數(shù)值修約
      在對變動器的計量情況進行檢測過程中，對變動器自身的合格率判斷應以修約后的數(shù)值為依據(jù)。因此，數(shù)值修約也成為不確定度產(chǎn)生的主要原因之一，需要對該因素進行判定。以壓力變送器檢定規(guī)程為依據(jù)，通過四舍五入的方式對小數(shù)點后的位數(shù)進行保留，使其與變送器最大誤差相比較小，即1/10~1/20之間。在相關(guān)規(guī)程的指導下，需要對0.5級變動器的最大允許誤差進行檢驗，最大誤差區(qū)間為士0.08mA,在分散的半寬度的數(shù)值為0.00005mA，在此范圍內(nèi)包括的.因子K數(shù)值為后，不確定度u(p)的數(shù)值為0.00005與3的比值，即0.0003Pa，不確定度為5%，自由度v的數(shù)值為200。
輸出電流測量重復性
      通過反復測量的方式能夠?qū)υ摬淮_定度進行檢定，使用A類測量方式，在相關(guān)規(guī)程的指導下，將檢測溫度調(diào)至23°C，濕度調(diào)至50%RH，采用五臺性能較好的相同型號變送器，然后選擇五個測量點進行測量。在條件相同的情況下,對輸出電流進行反復十次測量，最后對測量的結(jié)果進行重復性實驗。單次實驗標準誤差為0.0007mA，由于利用上述公式對實驗標準差0MPa進行重復測量，只能說明該點的不確定度情況，無法展示出其他定點的情況。對此，為了對不同檢定點的實驗結(jié)果進行分析，可以采用A類測量的方式,通過將樣本標準差合并的方式，在條件不變的情況下，對不同的檢定點進行測量，這樣做測量結(jié)果將會變得更加科學、合理。根據(jù)其他檢定點的實際情況，對剩余點的實驗標準差進行就按，能夠得出五組計算結(jié)果，分別為0.0007mA、0.0007mA、0.0055mA、0.0011mA以及0.0008mA。對此,將樣本標準差進行合成后得出數(shù)值為0.0026mA。根據(jù)實際檢測情況，在條件不變的情況下進行二次測量，將兩次測量結(jié)果取平均值，為0.0018mA，自由度為45。
輸入量1不確定度
      由于各個不確定度在分量.上不盡相同，且屬于相互獨立的狀態(tài)，需要對輸入量1的不確定度進行單獨計算，公式為:

擴展不確定度
      上述合成不確定度已經(jīng)與正態(tài)分布十分相似，根據(jù)置信概率，其中包含因子k的數(shù)值可取1.96，此時擴展不確定度的計算公式為:
U=1.96uc(△|)=1.96X3.7μA=7.3μA
不確定度報告
      針對壓力變送器示值誤差進行檢測后，得出合成不確定uc的數(shù)值為3.7μA，拓展不確定度為7.3μA，自由度為300。在本文的研究中，變送器的允許誤差區(qū)間在土80μA之間，能夠與規(guī)程中所要求的檢定內(nèi)容相符合，并且將引入擴展的不確定與被檢測儀器的允許誤差進行對比，可小于其絕對值的1/4，也就是20μA。
結(jié)語
      綜上所述，測量不確定度作為一種重要概念，能夠?qū)z測質(zhì)量、效率產(chǎn)生直接影響。在本文的研究中，根據(jù)變送器.檢定規(guī)程，對各個變量的不確定度、誤差的產(chǎn)生原因進行了分析，并對合成不確定度、有效自由度等進行了計算，從而為相同類型不確定度的測量與評定提供有力的參考依據(jù)。