杨 斌
(兰州城市学院 培黎石油工程学院,兰州 730070)
压力变送器是工业生产过程中的重要检测设备,广泛应用于工业过程中压力、流量、液位等工艺参数的检测,是自动化控制的主要数据来源。对于压力变送器,由于现场检定/校准耗时短,检定过程采用在线检测,无需拆卸,安装位置带来的零点偏移误差不用考虑,所以多数情况下压力变送器的检定都在现场进行。这就需要对现场检定条件进行不确定度的分析,只有符合要求才可进行检定。
现场检定(校准)压力变送器,对于标准器的选择非常重要,依据压力变送器的检定规程JJG887-2005的要求,压力标准一般选用活塞式压力计和数字压力计,检定时引入的扩展不确定度U95应不超过被检压力变送器最大允许误差绝对值的1/4;对0.1级和0.05级的被检压力变送器由此引入的U95应不超过被检压力变送器最大允许误差绝对值的1/3[1]。因此合理的选择标准器可控制系统误差,使测量结果更加可靠。
对于压力变送器,校验时要求环境温度(20℃±5℃,每 10 min变化不大于1℃)、相对湿度(45%RH~75%RH)、机械振动(压力变送器所处环境应无影响输出稳定的机械振动)、外磁场(压力变送器周围除地磁场外,应无影响其正常工作的外磁场)应满足一定的要求。由于现场环境条件比较复杂,难以达到要求,测量时必然要带来一定的误差,从而使测量不确定度增加。
在实验室条件下对压力变送器进行校验时,应至少进行2次循环,强制检定压力的压力变送器应至少进行3次循环。如果进行现场校验,由于环境条件比较复杂,为了保证测量精度,应增加测量次数,从而带来重复性误差引起的测量不确定度。
传压介质为液体时,介质应考虑制造厂推荐或送检者指定的液体,并应使变送器取压口的参考平面与标准器的取压口的参考平面在同一水平面上。当高度不大于JJG887-2005规程要求的计算结果时,引起的误差可忽略不计,否则应予以修正。
规程中要求检定用标准器,包括整个检定设备在检定过程中引入的扩展不确定度U95应不超过被检压力变送器最大允许误差绝对值的1/4。现以某CNG加气站向某法定计量技术机构提出压力变送器的检定计划为例,若拆卸停气会造成CNG车辆大规模停运,综合考虑后双方协商该机构到CNG加气站现场进行压力变送器的检定(校验)工作,清单如表1所示。
表1 压力变送器检定统计表Tab.1 Statistics of the pressure transmitter measurement
首先进行测量不确定度的分析,并由此进一步确认不确定度的合理性。
测量范围:(0~0.6)MPa
准确度等级:0.5 级
输出电流:(4~20)mA
压力变送器测量误差的数学模型为
输出压力对压力变送器输出误差的灵敏系数[2]为
输出电流对变送器输出误差的灵敏系数为
现场环境温度:30℃
相对湿度:50%RH
目前,在现场对压力变送器进行检验,使用的标准器为Const273系列,接线方式为二线制。根据被检压力变送器的精度和量程,可以选用的标准器为数字压力计。
测量范围:(0~0.6)MPa
准确度等级:0.05 级
输出电流:(-30~30)mA
(1)p的标准不确定度的主要来源是标准压力发生器。
标准压力发生器的最大允许误差Δp1=±0.05%FS=±0.30 kPa
按均匀分布估计[3],则:
(2)环境温度的不确定度
温度变化从2方面影响其输出:一是零点漂移,二是影响满量程输出。环境温度超过要求时,温度影响造成的误差为
按均匀分布估计,则:
u(p1),u(p2)的相对标准不确定度估计 95%,则自由度为 200,由于 u(p1),u(p2)相互独立[4],因此:
其有效自由度为
由计算可以发现,对于温度偏差不大的情况下,温度影响造成的不确定度可忽略不计。
I的标准不确定度的主要来源是Const273作为直流电流表的示值误差、测量重复性和环境温度变化所造成的。
(1)直流电流表的示值误差
对于Const273而言,其分辨力1 μA,所以其示值误差不超过±0.5 μA。
按均匀分布估计,则:
若u(I1)的相对标准不确定度估计95%,则自由度为200。
(2)测量重复性
现对现场一块(0~0.6)MPa 的压力变送器进行现场检测,具体数据如表2所示。
表2 现场检定压力变送器原始数据记录表Tab.2 Raw data of on-site pressure transmitter measurement
按规程要求,测量点不少于5个。由于对压力变送器进行3次循环检测,所以每个测量点均有6个读数。
从表中数据可以看出,最大示值差为-0.026 mA,回差为-0.017 mA。最大标准不确定度(A类评定)可以用实验标准偏差来评估[5]。
自由度为5
(3)环境温度引起的不确定度
Const273作为直流电流表使用,当环境温度超过要求时,温度影响造成的误差为
按均匀分布估计,则:
u(I3)的相对标准不确定度估计95%,则自由度为200。
由于 u(I1),u(I2),u(I3)相互独立,因此:
其有效自由度为
将上述不确定度项如表3所示。
表3 现场检定压力变送器不确定度汇总表Tab.3 Summary of uncertainty of on-site pressure transmitter measurement
由于 u(p)和 u(I)彼此间相互独立,所以合成不确定度和有效自由度为
由于合成不确定度接近正态分布。按置信概率95%估计,包含因子可以查t分布得到:
被检压力变送器的允许误差为±80 μA,经计算标准器组成测量系统所带来的不确定度小于被检设备最大允许误差绝对值的1/3~1/4,符合规程现场要求。总之在现场检测前需要做好充分的准备,了解被检压力变送器基本信息(量程、准确度等级等)根据经验预先分析检定中可能遇到的问题,对预知可能发生的突发情况要有充分的应对措施。这样就可以避免到了工作现场由于标准器、配套设备、配件、工具、天气等原因造成无法检定的情况。
[1]JJF875-2005数字式压力计检定规程[S].北京:中国计量出版社,2005.
[2]刘丽军.压力变送器测量结果的不确定度评定[J].中国计量,2011(11):91-92.
[3]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京:机械工业出版社,2005.
[4]吴石林,张玘.误差分析与数据处理[M].北京:清华大学出版社,2010.
[5]吴隆建.压力变送器型式评价试验操作方法[J].计量与测试技术,2010(12):88-90.