提高壓力變送器測(cè)量能力的方法改進(jìn)與分析

摘要:通過(guò)對(duì)壓力變送器的測(cè)得值進(jìn)行不確定度分析，得出電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器是相對(duì)于壓力標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)測(cè)得值更重要的影響因素，在實(shí)際工作中設(shè)法改善電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器的性能對(duì)于提高壓力變送器測(cè)量能力有顯著作用;通過(guò)在測(cè)量系統(tǒng)中串接標(biāo)準(zhǔn)電阻，將電流測(cè)量方式轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量方式可以有效提高壓力變送器的測(cè)量能力。
0引言
       壓力變送器是一種將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電測(cè)信號(hào)輸出的壓力儀表，智能型、高準(zhǔn)確度壓力變送器在工程中被廣泛應(yīng)用。［1］在壓力變送器的測(cè)量過(guò)程中，需要配備的主要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為壓力標(biāo)準(zhǔn)器和電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器。實(shí)驗(yàn)室條件下，為滿足對(duì)高準(zhǔn)確度壓力變送器的測(cè)量要求，壓力標(biāo)準(zhǔn)器一般選擇性能穩(wěn)定的活塞式壓力計(jì)，電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器可以選用經(jīng)濟(jì)適用的多功能校準(zhǔn)器。因此，在測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度應(yīng)包括壓力標(biāo)準(zhǔn)器和電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器兩部分。［2］下面以檢定壓力變送器為案例對(duì)測(cè)得值進(jìn)行不確定度分析，進(jìn)而評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)器選擇的符合性。
1不確定度分析［3］
1.1概述
1.1.1被測(cè)壓力變送器信息
測(cè)量范圍:(0～6)MPa;
準(zhǔn)確度等級(jí):0.1級(jí);
輸出電流:(4～20)mA。
1.1.2選用的標(biāo)準(zhǔn)器信息
       活塞式壓力計(jì):測(cè)量范圍(0.1～6)MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)0.01級(jí)多功能校準(zhǔn)器:直流電流測(cè)量范圍(－25～25)mA，最大允許誤差±(1μA+0.01%FS)。
1.1.3測(cè)量的環(huán)境條件
環(huán)境溫度:(20.0～20.2)℃;
相對(duì)濕度:(55～56)%。
1.2測(cè)量模型
       壓力變送器測(cè)量誤差的測(cè)量模型:

       式中:ΔI—變送器的輸出電流誤差，mA;I—多功能校準(zhǔn)器的讀數(shù)值，mA;Im—變送器電流輸出量程，mA;P—標(biāo)準(zhǔn)器輸入壓力值，Pa;Pm—變送器壓力量程，Pa;I0—變送器輸出電流起始值，mA。
1.3不確定度分量分析
       輸入壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù):

輸出電流對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù):
cI=ΔI/I=1
1.3.1輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
       輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于活塞式壓力計(jì)，環(huán)境溫度的影響可忽略不計(jì)。測(cè)量范圍為(0.1～6)MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)的活塞式壓力計(jì)最大允許誤差不超過(guò)±0.6kPa，服從均勻分布，則:

1.3.2輸入量I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
       輸入量I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于多功能校準(zhǔn)器的示值誤差，環(huán)境溫度的影響可忽略不計(jì)，此處只分析標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度，不考慮測(cè)量重復(fù)性的影響。
多功能校準(zhǔn)器直流電流測(cè)量范圍為(－25～25)mA，最大允許誤差不超過(guò)±6μA，服從均勻分布，則:

1.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
       由于u(P)、u(I)相互獨(dú)立，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

1.6擴(kuò)展不確定度
取k=2，擴(kuò)展不確定度U=2uc=7.2μA
2標(biāo)準(zhǔn)器選擇的符合性分析
       根據(jù)JJG882－2004《壓力變送器檢定規(guī)程》要求，檢定0.1級(jí)壓力變送器，標(biāo)準(zhǔn)器引入的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不超過(guò)被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，由于7.2μA＞(±0.1%)×16mA|×1/3=5.3μA，即選取的標(biāo)準(zhǔn)器引入的擴(kuò)展不確定度超過(guò)了被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，所以采取上述測(cè)量方法不能滿足檢定規(guī)程對(duì)0.1級(jí)變送器開(kāi)展檢定的要求。為了開(kāi)展工作的需要，通常的做法是花費(fèi)高昂的價(jià)格更換準(zhǔn)確度更高的標(biāo)準(zhǔn)器。
3方法改進(jìn)
       由表1可以看出，其中電流輸入量引入的不確定度分量達(dá)到壓力輸入量引入的不確定度分量近4倍，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)法減小電流輸入量對(duì)整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的影響。［4－5］在不更換原有標(biāo)準(zhǔn)器的情況下，我們?cè)跍y(cè)量系統(tǒng)中串接一個(gè)250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，利用多功能校準(zhǔn)器的電壓測(cè)量模式對(duì)壓力變送器進(jìn)行測(cè)量。連接圖如圖1所示。

       由于多功能校準(zhǔn)器的電壓測(cè)量準(zhǔn)確度比電流測(cè)量準(zhǔn)確度要高，如這臺(tái)MC6多功能校準(zhǔn)器，電壓測(cè)量功能的最大允差為±(0.25mV+0.006%rdg)，串接一只二等250的標(biāo)準(zhǔn)電阻后，壓力變送器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?1～5)V。下面我們?cè)賮?lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。電壓測(cè)量的最大允許誤差為:

       由于3.2μA＜(±0.1%)×16mA×1/3=5.3μA，即標(biāo)準(zhǔn)器引入的擴(kuò)展不確定度不超過(guò)被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，所以滿足規(guī)程對(duì)0.1級(jí)變送器開(kāi)展檢定的要求。
4總結(jié)
       通過(guò)對(duì)壓力變送器的測(cè)得值進(jìn)行不確定度分析，可以看出在壓力變送器的檢定過(guò)程中，相對(duì)于壓力標(biāo)準(zhǔn)器，電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器是對(duì)測(cè)得值更顯著的影響因素，因此在實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)首先設(shè)法改善電測(cè)標(biāo)準(zhǔn)器的性能以提高壓力變送器測(cè)量能力。案例中僅僅在原有測(cè)量系統(tǒng)中加入一只標(biāo)準(zhǔn)電阻，充分利用多功能校準(zhǔn)器技術(shù)指標(biāo)更優(yōu)的電壓測(cè)量功能，將壓力變送器改變?yōu)殡妷狠敵龅臏y(cè)量方式，改進(jìn)方法后標(biāo)準(zhǔn)器引入的的擴(kuò)展不確定度僅為原測(cè)量方式的49，大大提高了壓力變送器的測(cè)量能力。本案例沒(méi)有采用更換標(biāo)準(zhǔn)器的傳統(tǒng)做法，只是對(duì)測(cè)量方式加以改進(jìn)，既節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，又滿足了規(guī)程的技術(shù)要求，對(duì)實(shí)際檢定工作有著重要的參考意義和現(xiàn)實(shí)可行性。