安监系统压力参数现场校准测量结果不确定度评定探讨

寇琼月 周建童 周 睿

(1.中国人民解放军92228 部队,北京 100072;2.中国人民解放军91656 部队,上海 200439)

1 引言

安监系统压力参数通过远端压力变送器测量被测对象压力信号,将其转换成直流电流,经信号转化单元A／D 转换为数字信号,传输给控制单元集控台,将电流信号换算成对应的压力量值显示在集控台,为集控中心操控人员执行不同的控制命令提供判定依据。基于压力变送器现场压力测量、信号转换传输和换算显示及控制,建立的压力在线测量系统常应用于船舶、燃气输送等工业过程控制及安监系统中,以某安监系统压力参数现场校准为研究对象,探讨安监系统压力参数现场校准测量结果不确定度的评定方法。

2 安监系统压力参数现场校准方法

2.1 安监系统压力参数传递途径

安监系统由测量单元、信号转换单元和控制单元组成,其压力参数传递过程如图1 所示。安监系统通过测量单元（压力变送器）将被测压力值转换成4 mA～20 mA 的直流电流,传输给信号转化单元（A／D 转换板）,A／D 转换板将模拟信号转化为数字信号后传输给控制单元（集控台）,集控台中的软件将数字信号换算成对应的压力量值,显示在集控台屏幕中。同时,集控台根据所采集的压力值对其他系统（加压、调压系统等）发出相应的操作指令。因此,在进行安监系统压力参数校准时,输入端为压力变送器,终端为集控台输出的压力参数示值（以下简称集控台压力示值）,是对整个安监系统压力参数进行校准[1],以确保在远端输入标准压力值时,集控台压力示值在要求的准确度范围内。

图1 安监系统的压力参数传递示意图Fig.1 Pressure parameter transfer diagram of security monitoring system

2.2 安监系统压力参数校准方法

安监系统压力参数的测量连接如图2 所示,将数字压力校验装置标准压力输出接口与安监系统压力参数校准入口（压力变送器接口）相连,压力变送器电流输出连接到数字压力校准装置电流测量端,压力变送器、A／D 转换板和集控台通过传输线相连。

图2 安监系统压力参数测量连接图Fig.2 Pressure parameter measurement connection diagram of security supervision system

校准过程为:测量前打开泄气阀,确保被测压力管路系统中无剩余压力后,将压力变送器与压力管路系统分离,并清除接口处杂质[2]。其中,压力连接端口连接螺母反复缠绕软性胶带,增加软性垫片,连接数字压力校准装置和压力变送器的导压管尽可能短（导压管具体长度结合现场环境确定）,校准过程要求压力变送器校准入口的参考平面与数字压力校验装置打压泵的输出压力面在同一水平面上。测量时,根据被测压力参数的量程选择适当的压力点,通过数字压力校验装置的加压模块对安监系统压力测量单元输入设定的压力PL;用数字压力校验装置测量压力变送器输出电流值I,同时信号转换单元将I转换成数字信号传送至集控台,经换算输出安监系统压力参数量值PJ;比较集控台压力示值与标准压力量值,计算集控台压力参数示值误差。

3 校准条件

3.1 安监系统压力参数计量特性

压力参数量程:0 MPa～0.5 MPa;准确度:0.5级;分辨力:1×10-3MPa。

3.2 现场环境条件

安监系统工作环境温度为13℃～29℃,测量时选择最大温度偏差13℃作为现场校准环境温度,考察最大温度差对测量结果的影响,具体现场环境条件:现场环境温度为13℃;环境相对湿度为70%。

3.3 校准设备

测量选用FLUKE 718／300 G 型压力校验器和压力模块组成的数字压力校验装置,对安监系统压力参数进行现场校准,技术指标为:

压力输出范围:0 MPa～0.7 MPa,最大允许误差:±0.05% FS;电流测量范围:0 mA～20 mA,最大允许误差:±（0.015%读数+2 μA）。

4 测量不确定度评定

4.1 测量模型

安监系统压力参数示值误差的测量模型为

式中:ΔP——安监系统各压力校准点的示值误差,Pa;δP——集控台显示分辨力对压力参数示值的影响,Pa。

压力变送器输出电流的测量模型为[3]

式中:Im——压力变送器电流输出量程,16 mA（测量范围4 mA～20 mA）;P——标准器输入压力值,Pa;ΔPh——标准器与压力变送器的受压点在不同高度产生的压力差,Pa;I0——压力变送器输出电流起始值,mA;Pm——压力变送器压力量程,0.5 MPa（与安监系统压力参数量程一致）。

根据安监系统压力参数传递途径,PJ可按公式（3）计算。

由于校准过程要求压力变送器校准入口的参考平面与数字压力校验装置打压泵的输出压力面在同一水平面上[4],因此,ΔPh=0。将公式（3）及ΔPh=0 代入公式（1）,得到安监系统压力参数（集控台）示值误差的测量模型为

输出电流对安监系统压力参数示值误差的灵敏系数为[5]

标准输入压力及集控台显示分辨力对压力参数示值误差的灵敏系数:c2=c3=1。

4.2 不确定度来源分析

由公式（4）分析不确定度主要来源有:

（1）集控台压力示值重复性测量引入的标准不确定度分量uA为A 类不确定度,主要由所用测量设备及信号传输链路的稳定性和随机因素造成的。

（2）压力变送器输入标准压力PL引入的标准不确定度分量u（PL）为B 类不确定度,包括数字压力校验装置（FLUKE 718 型压力校验器）压力输入准确度引入的不确定度分量u（PL1）及其压力输入端温度系数引入的不确定度分量u（PL2）。其中,u（PL2）是在环境温度超过（23 ±5）℃时,环境温度对标准压力示值的影响。

（3）压力变送器的输出电流I测量引入的标准不确定度分量u（I）为B 类不确定度,包括数字压力校验装置（FLUKE 718／300 G 型压力校验器）电流测量准确度引入的不确定度分量u（I1）和电流输入端温度系数引入的不确定度分量u（I2）。其中,u（I2）是在环境温度超过（23 ±5）℃时,环境温度对压力变送器输出电流测量的影响。

（4）集控台压力示值显示分辨力δP引入的标准不确定度分量u（δP）为B 类不确定度,由于压力参数传递过程中电流A／D 转换分辨力引入的不确定度分量很小,可以合并于集控台压力参数显示分辨力中考虑。

经以上分析,现场环境对测量结果的影响已计入PL,以及由I引入的不确定度分量中。考虑到集控台压力示值的重复性和分辨力存在重复,在合成标准不确定度时将二者中较小值舍去,其他各项不确定度分量彼此独立。

4.3 不确定度分量计算

4.3.1 集控台压力示值重复性测量引入的标准不确定度分量uA

在安监系统压力参数量程范围内均匀选取5 个测量点（0 kPa、125 kPa、250 kPa、375 kPa、500 kPa）进行上下两个回程的测量,记录PJ和数字压力校验装置测得的I值。以下取250 kPa 测量点进行测量结果不确定度评定,现场测量试验数据见表1。

表1 250 kPa 测量点现场测量数据Tab.1 Field measurement data of 250 kPa measuring point

由于同一个测量点进行了4 次测量,重复性采用极差法计算实验标准偏差。n=4,查极差系数表得到极差系数C=2.06,则s==0.485 kPa

4.3.2 压力变送器输入标准压力PL 引入的标准不确定度分量u（PL）

4.3.2.1 数字压力校验装置压力输入准确度引入的不确定度分量u（PL1）

数字压力校验装置（压力模块）压力输出范围为0 MPa～0.7 MPa,压力输入最大允许误差为Δ=±0.05% FS=±0.05%×0.7 MPa=±0.35 kPa,则最大允许误差绝对值a=0.35 kPa,服从均匀分布,取,则

4.3.2.2 数字压力校验准装置压力输入端温度系数引入的不确定度分量u（PL2）

数字压力校验准装置中FLUKE 718／300 G 型压力校验器,技术指标适用于18℃～28℃的环境温度,在-10℃～18℃和28℃～55℃范围内,压力输入端温度系数δt为每摄氏度为量程（0.7 MPa）的0.01%——即δt=700 kPa×0.01%。因此,当现场环境温度为13℃时,超出设备指定环境温度ΔT=5℃,服从均匀分布,取,则

u（PL1）和u（PL2）互相独立,则压力变送器输入标准压力PL引入的标准不确定度分量u（PL）的不确定度为

压力变送器输入标准压力PL对测量模型输出量的灵敏系数c2=1。

4.3.3 压力变送器的输出电流I 测量引入的标准不确定度分量u（I）

4.3.3.1 数字压力校验装置电流测量准确度引入的不确定度分量u（I1）

数字压力校验装置中FLUKE 718／300 G 型压力校验器,直流电流测量最大允许误差为:Δ=±0.015%读数+2 μA,读数取压力变送器输出电流4 次的平均值,则:Δ=±0.015%×12.0185 mA +2 μA=±3.80 μA,服从均匀分布,取,则

4.3.3.2 数字压力校验装置电流输入端温度系数引入的不确定度分量u（I2）

数字压力校验准装置中FLUKE 718／300 G 型压力校验器,技术指标适用于18℃～28℃的环境温度,在-10℃～18℃和28℃～55℃范围内,电流输入端温度系数为每摄氏度为量程（20 mA）的0.005%——即δt=20 mA×0.005%。因此,当现场环境温度为13℃时,ΔT=5℃,服从均匀分布,取k=则

压力变送器的输出电流I对测量模型输出量的灵敏系数:c1=0.031 kPa／μA

4.3.4 集控台压力参数显示分辨力δP 引入的标准不确定度分量u（δP）

集控台压力参数显示分辨力δP=1×10-3MPa,服从均匀分布,取则

集控台压力示值显示分辨力δP对测量模型输出量的灵敏系数:c3=1。

4.4 合成标准不确定度uc（ΔP）

由于集控台压力示值的重复性和分辨力引入的不确定度分量存在重复考虑,在合成标准不确定度时将二者中较小的重复性测量引入的标准不确定度分量uA舍去,其他不确定度分量彼此独立,则合成标准不确定度uc（ΔP）为[6]

4.5 扩展不确定度U

取k=2（置信概率P=95%）,则

4.6 结论

经实际工程试验验证,安监系统压力参数现场校准测量不确定度评定方法合理可行,已应用于集控台压力参数现场系统校准示值误差测量结果不确定度的分析评定。

5 结束语

安监系统压力参数测量系统,在船舶、燃气输送工业过程控制中普遍应用,结合实例,探讨了安监系统压力参数现场校准测量结果不确定评定全过程。从安监系统压力参数不确定度来源及分析可见,影响评价结果的因素,主要涉及压力变送器输入标准压力、压力变送器的输出电流测量和集控台压力参数显示分辨力引入的不确定度分量,而且校验装置技术指标及其对环境温度的响应是测量结果不确定度量值的主要贡献者。因此,对压力参数测量系统现场校准应根据校准现场环境,因地制宜,选择适宜的压力校验装置,并对环境温度影响进行有效分析或控制;对于现场环境与实验室环境变化较大的情况,校准时应考虑由于环境变化引入的附加误差,必要时进行现场修正。