溫度對(duì)壓力變送器計(jì)量數(shù)據(jù)可靠性的影響

摘要：隨著智能化計(jì)量器具在現(xiàn)場(chǎng)的大量應(yīng)用,計(jì)量器具的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成為大勢(shì)所趨,然而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不能滿足檢定規(guī)程中對(duì)溫度的控制,這對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響,無(wú)法保證計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠。以壓力變送器為例,分析溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,并提出溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的解決方法。
       隨著油田智能化、數(shù)字化改造的深人開(kāi)展,智能化計(jì)量器具在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用,起到了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制報(bào)警、監(jiān)控等功能。為了保證計(jì)量數(shù)據(jù)正確、可靠，需要按照檢定規(guī)程或校準(zhǔn)方法的要求開(kāi)展計(jì)量器具定期檢測(cè)工作。但是,部分計(jì)量器具存在因生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行不能拆卸、計(jì)量器具連接部分銹蝕不易拆卸、運(yùn)輸和安裝過(guò)程易造成計(jì)量器具損壞、送檢期間需要配備大量備用表等問(wèn)題,使計(jì)量器具無(wú)法按期開(kāi)展檢測(cè)或造成檢測(cè)延遲,不能保證計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠。因此,計(jì)量檢測(cè)工作需要走出實(shí)驗(yàn)室,深人現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展檢測(cè)或比對(duì),保證計(jì)量器具量值溯源或傳遞的可靠性。但是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境條件比較復(fù)雜,影響檢測(cè)結(jié)果的不確定因素較多,如溫度、高度、振動(dòng)、電磁等，難以滿足檢定規(guī)程的要求。以壓力變送器為例,探討溫度對(duì)其檢測(cè)結(jié)果正確率的影響。
        在JJG882--2004《壓力變送器》"檢定規(guī)程中明確規(guī)定,檢定時(shí)環(huán)境溫度要求控制在(20+5)C,而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境難以控制在這個(gè)范圍。溫度變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)器及被檢壓力變送器兩方面。“在現(xiàn)場(chǎng)條件下，經(jīng)分析因標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備引人的擴(kuò)展不確定度Ugs仍不超過(guò)被檢壓力變送器允許誤差絕對(duì)值的1/3~1/4時(shí),方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。”這就需要在檢測(cè)前，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器是否滿足檢測(cè)條件進(jìn)行評(píng)價(jià),也就是在進(jìn)行測(cè)量不確定度分析時(shí),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器輸人的B類測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。
       例如,一-塊作為標(biāo)準(zhǔn)器的智能數(shù)字壓力校驗(yàn)儀,測(cè)量范圍0~2.5MPa,精度等級(jí)0.05級(jí),最大允許誤差為+0.00125MPa;輸出電流-30~30mA,最大允許誤差為+0.02%讀數(shù)、1μA;溫度補(bǔ)償范圍:-10~50C。被測(cè)壓力變送器測(cè)量范圍為0~2.5MPa,精度等級(jí)為0.5級(jí)。
建立數(shù)學(xué)模型:

        其中:△I為壓力變送器的輸出誤差,mA;I為壓力變送器的輸出電流,mA;L為壓力變送器輸出量程,mA;P為壓力變送器輸人壓力值,MPa;P為壓力變送器輸人量程,MPa;l。為壓力變送器輸出起始值,mA。輸人壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏度系數(shù)為:

        輸出電流對(duì)變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為:

1.1輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
1)P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來(lái)源是智能數(shù)字壓.力校驗(yàn)儀。在該量程的最大允許誤差不超過(guò)±0.00125MPa。
按均勻分布估計(jì),則:

2)環(huán)境溫度的不確定度。溫度變化從2個(gè)方面影響其輸出:一是零點(diǎn)漂移,二是影響滿量程輸出。環(huán)境溫度超過(guò)規(guī)定5C時(shí),溫度影響引入的誤差為:

1.2輸入量1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
      i 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來(lái)源是輸出的直流電流的示值誤差。
輸出直流電流的示值誤差不超過(guò)+5μA,按均勻分布估計(jì)，則:

u(I)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計(jì)95%,則自由度U21=200
       將上述不確定度分量列于表1。其中:i為不確定度來(lái)源序號(hào);xi為不確定度來(lái)源;ai為xi的誤差分散區(qū)間半寬或誤差限;ki為包含因子;[u(xi)]為標(biāo)準(zhǔn)不確定度;|ci|為靈敏系數(shù);ui(y)為變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量;?i為自由度。

1.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定
       由于u(P)和u(I)彼此間相互獨(dú)立,因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I及有效自由度Veft分別為:

        由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I為5.44μA。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I接近正態(tài)分布,同樣可以查t分布得到k95=1.96。因此校準(zhǔn)時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的擴(kuò)展不確定度為:
U95=k95×u.(△I)=1.96x5.44=10.67μA
       被檢壓力變送器的允許誤差為80μA。規(guī)范中要求校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備在校準(zhǔn)中引人的擴(kuò)展不確定度U95應(yīng)不超過(guò)被校壓力變送器允許誤差絕對(duì)值的1/4,即20μA,因此本評(píng)定中標(biāo)準(zhǔn)器的選擇符合規(guī)范的要求。如果標(biāo)準(zhǔn)器選擇不能滿足要求,將會(huì)增大測(cè)量結(jié)果的不確定度。
2溫度對(duì)被檢壓力變送器的影響
       為了說(shuō)明環(huán)境溫度的變化對(duì)被檢壓力變送器的影響,需要通過(guò)大量的試驗(yàn)分析。
1)需要選擇試驗(yàn)的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度的影響應(yīng)在制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)測(cè)量,一般可參照使用說(shuō)明書;若未規(guī)定溫度值,根據(jù)GB/T17214.1-1998《工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制裝置工作條件第一部分:氣候條件》凹中各種場(chǎng)所等級(jí)的氣候條件參數(shù)和嚴(yán)酷度,選定溫度限制范圍。考慮各油氣田所在區(qū).域溫度情況,并參考17個(gè)壓力變送器廠家的使用說(shuō)明書,除去惡劣環(huán)境條件,選定在-20~50℃溫度限值范圍內(nèi)開(kāi)展試驗(yàn)。
2)選擇試驗(yàn)方法。在GB/T17614.1--1998《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用變送器第1部分:性能評(píng)定方法》“7試驗(yàn)程序和試驗(yàn)報(bào)告中規(guī)定:環(huán)境溫度試驗(yàn)方法詳細(xì)描述參照IEC61298-3”,而GB/T18271.3一2017《過(guò)程測(cè)量和控制裝置通用性能評(píng)定方法和程序第3部分:影響量影響的試驗(yàn)》4等同采用IEC61298-3。因此，試驗(yàn)方法主要參照GB/T18271.3--2017中“5環(huán)境溫度影響”開(kāi)展試驗(yàn)。
       利用允差為+2℃,環(huán)境溫度的變化速率小于1℃/min的高、低溫試驗(yàn)箱溫度。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力值以規(guī)程規(guī)定為主,按量程一般均勻選取5~6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(包括零點(diǎn)及滿量程)。將壓力變送器放入高、低溫試驗(yàn)箱中,以10℃為間隔,逐漸升溫(降溫)至溫.度范圍.上(下)限,待溫度穩(wěn)定且保持不少于3h后,進(jìn)行溫度影響示值誤差試驗(yàn)。
       對(duì)參與試驗(yàn)的26塊壓力變送器,分別讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算不同溫度下的壓力示值誤差,選出部分典型數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總(表2)。

       通過(guò)試驗(yàn)可以看出，壓力變送器的具有代表性的3種結(jié)果分別為:
1)除20℃合格,其他溫度點(diǎn)均不合格,如序號(hào)為1的壓力變送器。出現(xiàn)這類問(wèn)題主要的原因是溫度補(bǔ)償裝置出現(xiàn)問(wèn)題。傳感器是由金屬材料和半導(dǎo)體材料制作而成的敏感元件,它的靜特性與溫度有非常密切的關(guān)系,采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施對(duì)傳感器的溫度附加誤差進(jìn)行修正，可提高測(cè)量的正確率。
        傳感器的溫度補(bǔ)償一般可分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償2種。內(nèi)部補(bǔ)償是通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu),完善制造工藝,控制敏感材料特性等方式來(lái)減小溫度的影響;外部補(bǔ)償方式主要分為硬件補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償。任何一部分出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致溫度補(bǔ)償故障,使壓力變送器出現(xiàn)不合格,此種不合格的壓力變送器需返廠修理。因此,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),如果現(xiàn)場(chǎng)溫度無(wú)法控制,建議對(duì)于檢測(cè)不合格的壓力變送器送至實(shí)驗(yàn)室再次開(kāi)展檢測(cè)工作。
2)在所有的溫度下均合格,如序號(hào)為2的壓力變送器。該種壓力變送器性能穩(wěn)定、可靠,是系統(tǒng)計(jì)量中期望的情況。
3)在-20℃時(shí)不合格,其他點(diǎn)均合格的壓力變送器,如序號(hào)4的壓力變送器;在-10℃、-20℃不合格,其它點(diǎn)合格的壓力變送器,如序號(hào)3的壓力變送器。
3降低溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的方法
1)標(biāo)準(zhǔn)器出廠時(shí)都有使用溫度補(bǔ)償范圍,在規(guī)定的范圍內(nèi),溫度對(duì)其影響量較小，在進(jìn)行標(biāo)器的不確定度評(píng)定后,基本能夠滿足要求。如果溫度變化較大，標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)測(cè)量結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的影響,解決方法是:①可以選擇更高精度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器,以減小B類不確定度評(píng)定時(shí)引人的不確定度分量;②對(duì)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果給出測(cè)量不確定度。
2)在溫度對(duì)被檢壓力變送器影響的3種結(jié)果中，重點(diǎn)對(duì)第3種進(jìn)行分析。通過(guò)表2可以看出，-10℃和-20℃示值超差點(diǎn)均為壓力上限處。因此,可參照GB/T34073-2017《物聯(lián)網(wǎng)壓力變送器規(guī)范》“5.3有關(guān)影響量的影響”中規(guī)定(表3)。

       依據(jù)表3可以看出,環(huán)境溫度變化量影響量在.下限值溫度系數(shù)及量程溫度系數(shù)中可給予放寬。也就是說(shuō),如果只是在零位及滿量程時(shí)示值超差，可根據(jù)每10℃給出的放寬量判斷壓力變送器是否符合要求。因此,可看出超差的5塊壓力變送器的大示值誤差均在環(huán)境溫度影響量允許值范圍內(nèi)，而且現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器使用的壓力點(diǎn)一.般在量程的1/3~2/3處，即可以判斷該類壓力變送器可繼續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)使用,對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性影響較小。
       通過(guò)溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢壓力變送器影響的分析,建議現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),環(huán)境溫度在0~40℃的開(kāi)展檢測(cè)工作;在規(guī)程規(guī)定的15~25℃的按檢定規(guī)程開(kāi)展檢測(cè)工作;超出15~25℃時(shí),壓力變送器的零位及滿量程大允許誤差應(yīng)放寬并給出測(cè)量結(jié)果不.確定度。以此來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓力變送器的性能是否滿足生產(chǎn)需要,提高計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性。