李海明 沙 峰 朱保安

(91388部隊(duì)96分隊(duì)，湛江 524022)

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壓力變送器檢定標(biāo)準(zhǔn)器選定的誤區(qū)分析

李海明 沙 峰 朱保安

(91388部隊(duì)96分隊(duì)，湛江 524022)

壓力變送器的檢定不同于壓力表的檢定，影響測(cè)量不確定度的因素包括標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器和輸出電信號(hào)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面，所以對(duì)其檢定標(biāo)準(zhǔn)器的選定要利用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的不確定度的方法進(jìn)行。如果沒(méi)有按照規(guī)程要求的方法進(jìn)行選定，就有可能造成利用準(zhǔn)確度等級(jí)選擇標(biāo)準(zhǔn)器、選定的標(biāo)準(zhǔn)器可以覆蓋其量程范圍兩個(gè)誤區(qū)。對(duì)誤區(qū)的產(chǎn)生進(jìn)行了詳細(xì)分析，并使用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

壓力變送器；檢定；標(biāo)準(zhǔn)器；不確定度

0 引言

壓力變送器是工業(yè)實(shí)踐中最常用的一種傳感儀表，在自動(dòng)化工業(yè)控制系統(tǒng)中占有重要地位，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。準(zhǔn)確地對(duì)壓力變送器進(jìn)行檢定是保證壓力測(cè)量準(zhǔn)確可靠的重要手段[1]。

1 壓力變送器檢定標(biāo)準(zhǔn)器選定的誤區(qū)

為了對(duì)壓力變送器進(jìn)行檢定必須建立相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)器的選擇是順利開(kāi)展檢定工作的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)JJG 882—2004《壓力變送器檢定規(guī)程》6.2.1.1中的描述，檢定時(shí)所需的標(biāo)準(zhǔn)儀器及配套設(shè)備可按被檢壓力變送器的規(guī)格進(jìn)行選擇并組合成套。成套后的標(biāo)準(zhǔn)器，包括整個(gè)檢定設(shè)備在內(nèi)檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度U95應(yīng)不超過(guò)被檢壓力變送器最大允許誤差絕對(duì)值的1/4；對(duì)0.1級(jí)和0.05級(jí)被檢壓力變送器，由此引入的U95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[2]。

1.1 誤區(qū)一：利用準(zhǔn)確度等級(jí)選擇標(biāo)準(zhǔn)器

實(shí)際工作中，有的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)并沒(méi)有按照不確定度評(píng)定的方法選擇標(biāo)準(zhǔn)器、驗(yàn)證其符合性，而是按照壓力變送器的準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行選擇。實(shí)例1：需檢定0.2級(jí)及以下壓力變送器，按照1/4原則選擇0.05級(jí)的壓力標(biāo)準(zhǔn)器；或者配備了0.05級(jí)的壓力標(biāo)準(zhǔn)器，建標(biāo)時(shí)按照1/4原則評(píng)定可以開(kāi)展0.2級(jí)及以下壓力變送器的檢定。利用準(zhǔn)確度等級(jí)選擇標(biāo)準(zhǔn)器的方法是壓力變送器檢定的誤區(qū)，此時(shí)選定的標(biāo)準(zhǔn)器可能無(wú)法滿足規(guī)程的要求。

1.2 誤區(qū)二：選定的標(biāo)準(zhǔn)器可以覆蓋其量程范圍

利用不確定度評(píng)定的方法選擇了合適的標(biāo)準(zhǔn)器后，認(rèn)為檢定工作可以覆蓋其量程范圍內(nèi)的所有被檢壓力變送器。實(shí)例2：0.02級(jí)滿量程精度0～3MPa的壓力標(biāo)準(zhǔn)器、0.01級(jí)的直流電流表檢定0.2級(jí)，輸出電流4～20mA的壓力變送器，量程上限在1.5MPa以上的壓力變送器符合規(guī)程要求，而量程上限在1MPa以下的壓力變送器卻無(wú)法檢定，無(wú)法覆蓋該壓力標(biāo)準(zhǔn)器量程范圍0～3MPa內(nèi)所有同一分辨率的被檢壓力變送器。

2 對(duì)誤區(qū)的分析

壓力變送器是一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，分為電動(dòng)和氣動(dòng)兩大類。電動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)主要為0～10mA、4～20mA或1～5V的直流電信號(hào)。氣動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)主要為20～100kPa的氣體壓力。壓力變送器的輸出信號(hào)與壓力變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系，通常為線性函數(shù)[3]。

2.1 壓力變送器測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型和靈敏系數(shù)

當(dāng)輸出信號(hào)為直流電流(mA)時(shí)其測(cè)量誤差的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：ΔI為壓力變送器的輸出誤差，mA；I為壓力變送器輸出電流值，mA；Im為壓力變送器的輸出量程，mA；p為壓力變送器輸入壓力值，MPa；pm為壓力變送器的輸入量程，MPa；I0為壓力變送器輸出起始值，mA。

輸入壓力對(duì)壓力變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為：

(2)

輸出電流對(duì)變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為：

(3)

2.2 由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的不確定度評(píng)定

設(shè)被測(cè)壓力變送器測(cè)量范圍為0～pm1，準(zhǔn)確度等級(jí)為D1，輸出電流為I0～(Im+I0)。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

1)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量up

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的輸出范圍為0～pm0，準(zhǔn)確度等級(jí)為D0。

(4)

2)直流電流表的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uI

按照檢定規(guī)程規(guī)定，應(yīng)選擇0.01級(jí)～0.05級(jí)直流電流表。為減小直流電流表對(duì)不確定度的影響，選擇0.01級(jí)直流電流表，設(shè)定其最大允許誤差為±(0.01%讀數(shù)+n個(gè)字)，忽略分辨率的影響，則最大允許誤差為±0.01%讀數(shù)。

(5)

2.2.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度不包括壓力變送器測(cè)量的重復(fù)性。由于up和uI彼此間相互獨(dú)立，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為：

(6)

(7)

(8)

則：

(9)

2.2.3 擴(kuò)展不確定度

取k=2，則由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的擴(kuò)展不確定度為：

(10)

以上評(píng)定是針對(duì)輸出信號(hào)是直流電流的情況，若輸出信號(hào)為直流電壓時(shí)，評(píng)定過(guò)程類似，只是需將直流電流表?yè)Q為直流電壓表，電流的符號(hào)I替換為電壓符號(hào)V。

2.3 壓力變送器檢定標(biāo)準(zhǔn)器的選定與符合性

在壓力表的檢定中，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)器的允許誤差絕對(duì)值應(yīng)不大于被檢壓力表允許誤差絕對(duì)值的1/4[4]。此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度U95只與標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的允許誤差有關(guān)，因此在選擇壓力表檢定的標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)可以利用準(zhǔn)確度等級(jí)來(lái)進(jìn)行，而且滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)器可以覆蓋標(biāo)準(zhǔn)器的量程范圍，即在壓力表檢定中不存在標(biāo)準(zhǔn)器選定的誤區(qū)。

而在壓力變送器檢定中，通過(guò)對(duì)由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的不確定度的評(píng)定，可以看出標(biāo)準(zhǔn)器檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度U95既與標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的u(p)有關(guān)，還和測(cè)量輸出電流(電壓)的標(biāo)準(zhǔn)器的u(I)有關(guān)，而且由式(7)可看出u(p)與被檢壓力變送器輸出量程Im、標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的量程pm0成正比，與被檢壓力變送器的量程pm1成反比。若按照壓力表檢定的方法選定壓力變送器檢定的標(biāo)準(zhǔn)器則產(chǎn)生了誤區(qū)。

被檢壓力變送器的允許誤差為Δ=±(ImD1×%)=±(1×10-2×ImD1)。

1)對(duì)誤區(qū)一的證明

(11)

由于pm0≥pm1，則：u(p)≥1.44×10-3×ImD1。由式(10)可看出U95≥2up，可以得出：

U95≥2.88×10-3×ImD1

(12)

2)對(duì)誤區(qū)二的證明

設(shè)被檢壓力變送器輸出直流為0～10mV，則由式(8)得：u(I)=5.77×10-4mA，這是直流電流表示值誤差引入的最小的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值。

(13)

=5×10-3(mA)

(14)

3 分析的實(shí)例

將前述的實(shí)例1和實(shí)例2合二為一，作為壓力變送器檢定標(biāo)準(zhǔn)器選定誤區(qū)分析的實(shí)例。

被檢壓力變送器測(cè)量范圍：0～3MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.2級(jí)，輸出電流：4～20mA。

標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器測(cè)量范圍：0～3MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.02級(jí)，最大允許誤差：±0.02%FS。

直流電流表的最大允許誤差：±0.01%讀數(shù)(忽略分辨率的影響)。

由式(7)得：

=1.85×10-3mA

(15)

由式(8)得：

u(I) =5.77×10-5×(Im+I0)

=5.77×10-5×(16+4)

=1.15×10-3mA

(16)

則由式(10)可得由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的擴(kuò)展不確定度：

=4.4×10-3mA (k=2)

(17)

實(shí)際應(yīng)用中，直流電流(壓)表的示值誤差會(huì)更大，對(duì)由標(biāo)準(zhǔn)器帶來(lái)的擴(kuò)展不確定度U95的影響更大，從而壓力變送器檢定標(biāo)準(zhǔn)器選定的誤區(qū)會(huì)更加明顯。

4 結(jié)論

計(jì)量是為了保證測(cè)量統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)[5]，在國(guó)家和國(guó)防建設(shè)中占有重要地位，計(jì)量工作需要科學(xué)準(zhǔn)確公正嚴(yán)謹(jǐn)，來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。本文總結(jié)的壓力變送器檢定中標(biāo)準(zhǔn)器選定的誤區(qū)發(fā)生在計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)實(shí)際工作中，造成失誤的原因可能是粗心大意、可能是經(jīng)驗(yàn)主義，只要細(xì)致地開(kāi)展工作，嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)量法規(guī)和檢定規(guī)程等相關(guān)技術(shù)資料，是完全可以避免的。

[1] 楊青.正確選擇檢定壓力變送器標(biāo)準(zhǔn)裝置的探討[J].浙江電力,2006(4):65-67

[2] JJG 82—2004壓力變送器檢定規(guī)程

[3] 程新選.力學(xué)計(jì)量[M].中國(guó)計(jì)量出版社,2007

[4] JJG 52—1999彈簧管式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程

[5] 葉德培.計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)[M].中國(guó)人民解放軍總裝電子信息部技術(shù)基礎(chǔ)局,1999

[6] 杜水友,等.壓力變送器示值誤差測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)量技術(shù),2005(7):53-55

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.20