壓力變送器校準(zhǔn)及不確定度評(píng)定淺析

摘要:壓力變送器在不同測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，壓力變送器在測量壓力、流量、液位信號(hào)等方面需求突出，在實(shí)際的測量中為了保證壓力變送器的測量準(zhǔn)確性，需要研究校準(zhǔn)的不確定度。文章對(duì)壓力變送器工作原理進(jìn)行介紹，分析測量方法，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度的評(píng)定，并簡要分析不確定度評(píng)定中一些被省略的不確定度分量。
壓力變送器校準(zhǔn)結(jié)果容易受到實(shí)驗(yàn)中諸多因素的影響，如溫度、電壓、電流、壓力等因素，因此在實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)中需要對(duì)這些因素進(jìn)行不確定度評(píng)定。為了提升校準(zhǔn)結(jié)果，需要明晰不確定度評(píng)定結(jié)果的影響因素，研究壓力變送器的工作原理。因此，在本文中對(duì)壓力變送器的工作原理進(jìn)行分析，舉例評(píng)定壓力變送器的不確定度，并分析了不確定度評(píng)定中需要注意的問題。
1壓力變送器的工作原理及校驗(yàn)準(zhǔn)備條件
1.1工作原理
       壓力變送器主要由3部分組成，分別是壓力傳感器、測量電路和過程連接件。其中傳感器是其中的重要部分，基于傳感器的特性，能接受到氣體、液體等物理壓力參數(shù)，并且在測量電路的轉(zhuǎn)換下變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。最終將電信號(hào)傳遞給二次儀表進(jìn)行測量、顯示以及示數(shù)的調(diào)節(jié)。常見的壓力變送器主要有電動(dòng)和電氣兩大類組成，電動(dòng)類的變送器，其標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號(hào)為0~10V、4~20mA等。而氣動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)則不同，主要以壓力為主，氣體壓力為20~100kPa。
1.2壓力變送器不確定度評(píng)定幾點(diǎn)注意事項(xiàng)
       為了提升壓力變送器校準(zhǔn)精確度，便于結(jié)果評(píng)定，在壓力變送器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中需要注意很多問題。具體的事項(xiàng)如下:
(1)實(shí)驗(yàn)中所選擇不同的壓力計(jì)，其誤差計(jì)算方式不同。當(dāng)選用的是活塞式壓力計(jì)，需要按照每一-校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)選用的是數(shù)字壓力計(jì)，則每一校準(zhǔn)點(diǎn)允許誤差需要按照引用誤差來計(jì)算。在這2種不同的計(jì)算模式中，誤差計(jì)算混淆的話，將會(huì)嚴(yán)重影響不確定度評(píng)定結(jié)果早。
(2)根據(jù)壓力變送器參數(shù)計(jì)算相關(guān)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出值。當(dāng)壓力變送器的計(jì)算參數(shù)測量的范圍為0~5MPa時(shí)，那么其輸出范圍為4~20mA，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度為0.2級(jí)，那么0、1、2、3、4、5MPa所對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出值為4.000、7.200、10.400、13.600、16.800、20.000mA。
(3)測量時(shí)需要平滑升壓降壓，盡量避免壓力值的過大波動(dòng)，同時(shí)在每一個(gè)壓力點(diǎn)的重復(fù)測量中，根據(jù)不確定評(píng)定要求，測量次數(shù)至少需要6次。
1.3校驗(yàn)設(shè)備和校驗(yàn)環(huán)境條件
       在壓力變送器校準(zhǔn)環(huán)節(jié)中，以JIG882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，采用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。本文主要的設(shè)備有智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀，該設(shè)備在實(shí)際校驗(yàn)中的壓力值最大誤差為+0.05%FS，分辨率為0.001mA，最大的電流參數(shù)測量誤差為士(0.02%RD+1μA)。接下來確定校驗(yàn)環(huán)境，不同的校驗(yàn)環(huán)境所出現(xiàn)的效果不同，在本實(shí)驗(yàn)中采用的是專業(yè)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)條件。在環(huán)境條件因素中對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生直接影響的就是溫度和濕度，本次實(shí)驗(yàn)將相對(duì)溫度控制在22℃，濕度控制為(50%+2%)RH。最后確定壓力變送器樣品等級(jí)，此次樣品壓力變送器量程為0~5MPa，輸出范圍為4~20mA，準(zhǔn)確度為0.2級(jí)。
1.4測量方法
       具體實(shí)驗(yàn)中，選取0.02級(jí)的智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器，使用手動(dòng)泵氣源連接壓力變送器和壓力標(biāo)準(zhǔn)器，選擇的校驗(yàn)點(diǎn)分別為0、1、2、3、4、5MPa。連接壓力變送器電信號(hào)輸出端子和電信號(hào)測量標(biāo)準(zhǔn)器。在每一個(gè)測點(diǎn)處記錄所測量的電流數(shù)值，并且在完成測量之后，需要緩慢的升壓或降壓，按順序進(jìn)行下一次的測量。以此類推，按照這樣的測量方式重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)用。
2壓力變送器不確定度評(píng)定
2.1數(shù)學(xué)模型的建立
       對(duì)壓力變送器的校準(zhǔn)結(jié)果的不確度進(jìn)行評(píng)定，在記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)據(jù)偏差以及數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系。考慮到誤差修正值，建立的模型如下:

       式中:Id為被測的壓力變送器電流輸出值,mA;δI為被測壓力變送器電流輸出修正值;Im為被測樣品的電流輸出量程;Pm為被測樣品的輸入量程;Pd為被測樣品輸入時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器顯示的壓力值;δP為輸入壓力值的修正值;Po、I。為被測樣品輸出起始值。
輸入壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差靈敏系數(shù)為:

2.2輸入量壓力P的不確定度
       P的不確定度主要考慮標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的不確.定度分量，標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器最大誤差不超過±2.5kPa,按照均勻分布估計(jì)，則:

2.3輸入量I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
       標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源有直流電流表的示值誤差和測量重復(fù)性。在4MPa對(duì)應(yīng)的16.8mA.上直流電流表的示值誤差為±3.36μA，按照均勻分布估計(jì)，則:

3其他可省略的不確定度分量的評(píng)定研究
      在壓力變送器校準(zhǔn)中涉及到很多的因素，在不同環(huán)境條件下，其不確定度評(píng)定的結(jié)果不同，.因此不同環(huán)境條件下的壓力變送器校準(zhǔn)不確定度評(píng)定需要具體分析。.
3.1電流讀數(shù)分辨率引入的不確定度
電流讀數(shù)分辨率為0.001mA，按照均勻分布估計(jì)，則:
u(1)=0.5/√3=0.29(μA)
       由于測量重復(fù)性誤差在測量時(shí)已經(jīng)包含了電流讀數(shù)誤差的因素，比較測量重復(fù)性誤差不確定度分量和電流讀數(shù)誤差引起的不確定度分量,前者遠(yuǎn)大于后者，因此此項(xiàng)因素可省略。
3.2壓力源波動(dòng)所引入的不確定度
      壓力源是在校驗(yàn)時(shí)必不可少的必須考慮的因素之一，以北京康斯特公司生產(chǎn)的某型號(hào)手動(dòng)氣壓泵為例，壓力源控制壓力的泄漏范圍不超過0.003%FS,假設(shè)在實(shí)際校驗(yàn)測定中,壓力波動(dòng)在校驗(yàn)中均勻分布,取包含因子k=2,則由泄漏量所引
入的不確定度為:upw=(0.003%×5MPa)/√3=0.08kPa,考慮到其分量與輸入壓力的不確定度分量數(shù)值相比較小，故省略。
3.3參考平面高度差所引入的不確度評(píng)定
       壓力變送器在進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中,如果校驗(yàn)壓力變送器使用活塞壓力計(jì)對(duì)壓力變送器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要從參考平面高度差角度,分析在校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定。由于測量時(shí)活塞桿液面與被測壓力變送器參考平面不可能一直在同一平面上,活塞桿會(huì).有液面高度的隨機(jī)誤差。假設(shè)高度差誤差屬于均勻分布，則由此引發(fā)的不確定度具體的計(jì)算方式如下:
Uh=ρgΔh/√3
       本文不采用活塞壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)壓力源，而是采用氣壓介質(zhì)作為校準(zhǔn)介質(zhì)，并以數(shù)字壓力校驗(yàn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，避免高度差引入壓力輸入誤差的不確定度分量，故省略。
3.4環(huán)境溫度所引入的不確定度評(píng)定
      壓力變送器校驗(yàn)中，傳感器敏感度比較容易受到溫度因素的影響，因此需要對(duì)環(huán)境溫度所引入的不確定度進(jìn)行評(píng)定。但是在實(shí)際測定中環(huán)境溫度為22℃，并且基本沒有變化，該溫度在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，因此，由環(huán)境溫度在校準(zhǔn)中所引入的標(biāo)準(zhǔn)器示數(shù)變化不確定度分量可以忽略。

       估計(jì)其為正態(tài)分布，置信概率取95%，，包含因子可以查t分布得到K95=t95=1.98，則擴(kuò)展不確定度為:
U95=k95uc(ΔI)=5.42(μA)
5結(jié)束語
       綜上所述，本文對(duì)壓力變送器的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度評(píng)定。由標(biāo)準(zhǔn)器帶來的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ud(OI)為4.39μA，擴(kuò)展不確定度Us為8.78μA，由于被檢壓力變送器的允許誤差為32μA,規(guī)程要求輸入設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度不超過被校壓力變送器允許誤差的1/4，即8μA，因此此次選用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)壓力變送器的校準(zhǔn)符合規(guī)程的要求。
       在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要有:輸出電流、輸入壓力測量重復(fù)性、環(huán)境溫度影響、讀數(shù)分辨率、壓力源波動(dòng)等，在不同試驗(yàn)條件下，其不確定度評(píng)定的結(jié)果并不相同，需要分析各種因素下的壓力變送器工作條件，才能取得較為準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定結(jié)果。