壓力變送器校準及不確定度評定淺析

摘要:壓力變送器在不同測控領域中廣泛應用，壓力變送器在測量壓力、流量、液位信號等方面需求突出，在實際的測量中為了保證壓力變送器的測量準確性，需要研究校準的不確定度。文章對壓力變送器工作原理進行介紹，分析測量方法，對校準結果進行不確定度的評定，并簡要分析不確定度評定中一些被省略的不確定度分量。
壓力變送器校準結果容易受到實驗中諸多因素的影響，如溫度、電壓、電流、壓力等因素，因此在實驗校準中需要對這些因素進行不確定度評定。為了提升校準結果，需要明晰不確定度評定結果的影響因素，研究壓力變送器的工作原理。因此，在本文中對壓力變送器的工作原理進行分析，舉例評定壓力變送器的不確定度，并分析了不確定度評定中需要注意的問題。
1壓力變送器的工作原理及校驗準備條件
1.1工作原理
       壓力變送器主要由3部分組成，分別是壓力傳感器、測量電路和過程連接件。其中傳感器是其中的重要部分，基于傳感器的特性，能接受到氣體、液體等物理壓力參數，并且在測量電路的轉換下變為標準的電信號。最終將電信號傳遞給二次儀表進行測量、顯示以及示數的調節。常見的壓力變送器主要有電動和電氣兩大類組成，電動類的變送器，其標準化的輸出信號為0~10V、4~20mA等。而氣動的標準化輸出信號則不同，主要以壓力為主，氣體壓力為20~100kPa。
1.2壓力變送器不確定度評定幾點注意事項
       為了提升壓力變送器校準精確度，便于結果評定，在壓力變送器校準實驗中需要注意很多問題。具體的事項如下:
(1)實驗中所選擇不同的壓力計，其誤差計算方式不同。當選用的是活塞式壓力計，需要按照每一-校準點的相對誤差進行計算。當選用的是數字壓力計，則每一校準點允許誤差需要按照引用誤差來計算。在這2種不同的計算模式中，誤差計算混淆的話，將會嚴重影響不確定度評定結果早。
(2)根據壓力變送器參數計算相關校準點的標準信號輸出值。當壓力變送器的計算參數測量的范圍為0~5MPa時，那么其輸出范圍為4~20mA，測量結果的準確度為0.2級，那么0、1、2、3、4、5MPa所對應標準信號輸出值為4.000、7.200、10.400、13.600、16.800、20.000mA。
(3)測量時需要平滑升壓降壓，盡量避免壓力值的過大波動，同時在每一個壓力點的重復測量中，根據不確定評定要求，測量次數至少需要6次。
1.3校驗設備和校驗環境條件
       在壓力變送器校準環節中，以JIG882-2004《壓力變送器檢定規程》為實驗依據，采用專業的實驗設備進行校準。本文主要的設備有智能數字壓力校驗儀，該設備在實際校驗中的壓力值最大誤差為+0.05%FS，分辨率為0.001mA，最大的電流參數測量誤差為士(0.02%RD+1μA)。接下來確定校驗環境，不同的校驗環境所出現的效果不同，在本實驗中采用的是專業實驗室標準化的校準條件。在環境條件因素中對于實驗結果產生直接影響的就是溫度和濕度，本次實驗將相對溫度控制在22℃，濕度控制為(50%+2%)RH。最后確定壓力變送器樣品等級，此次樣品壓力變送器量程為0~5MPa，輸出范圍為4~20mA，準確度為0.2級。
1.4測量方法
       具體實驗中，選取0.02級的智能數字壓力校驗儀作為壓力標準器，使用手動泵氣源連接壓力變送器和壓力標準器，選擇的校驗點分別為0、1、2、3、4、5MPa。連接壓力變送器電信號輸出端子和電信號測量標準器。在每一個測點處記錄所測量的電流數值，并且在完成測量之后，需要緩慢的升壓或降壓，按順序進行下一次的測量。以此類推，按照這樣的測量方式重復進行試驗用。
2壓力變送器不確定度評定
2.1數學模型的建立
       對壓力變送器的校準結果的不確度進行評定，在記錄試驗數據之后，需要建立相應的數學模型，分析數據偏差以及數據與實驗的關系。考慮到誤差修正值，建立的模型如下:

       式中:Id為被測的壓力變送器電流輸出值,mA;δI為被測壓力變送器電流輸出修正值;Im為被測樣品的電流輸出量程;Pm為被測樣品的輸入量程;Pd為被測樣品輸入時標準器顯示的壓力值;δP為輸入壓力值的修正值;Po、I。為被測樣品輸出起始值。
輸入壓力對壓力變送器輸出誤差靈敏系數為:

2.2輸入量壓力P的不確定度
       P的不確定度主要考慮標準壓力發生器的不確.定度分量，標準壓力發生器最大誤差不超過±2.5kPa,按照均勻分布估計，則:

2.3輸入量I的標準不確定度
       標準不確定度主要來源有直流電流表的示值誤差和測量重復性。在4MPa對應的16.8mA.上直流電流表的示值誤差為±3.36μA，按照均勻分布估計，則:

3其他可省略的不確定度分量的評定研究
      在壓力變送器校準中涉及到很多的因素，在不同環境條件下，其不確定度評定的結果不同，.因此不同環境條件下的壓力變送器校準不確定度評定需要具體分析。.
3.1電流讀數分辨率引入的不確定度
電流讀數分辨率為0.001mA，按照均勻分布估計，則:
u(1)=0.5/√3=0.29(μA)
       由于測量重復性誤差在測量時已經包含了電流讀數誤差的因素，比較測量重復性誤差不確定度分量和電流讀數誤差引起的不確定度分量,前者遠大于后者，因此此項因素可省略。
3.2壓力源波動所引入的不確定度
      壓力源是在校驗時必不可少的必須考慮的因素之一，以北京康斯特公司生產的某型號手動氣壓泵為例，壓力源控制壓力的泄漏范圍不超過0.003%FS,假設在實際校驗測定中,壓力波動在校驗中均勻分布,取包含因子k=2,則由泄漏量所引
入的不確定度為:upw=(0.003%×5MPa)/√3=0.08kPa,考慮到其分量與輸入壓力的不確定度分量數值相比較小，故省略。
3.3參考平面高度差所引入的不確度評定
       壓力變送器在進行校準實驗中,如果校驗壓力變送器使用活塞壓力計對壓力變送器進行校準，需要從參考平面高度差角度,分析在校準結果的不確定度評定。由于測量時活塞桿液面與被測壓力變送器參考平面不可能一直在同一平面上,活塞桿會.有液面高度的隨機誤差。假設高度差誤差屬于均勻分布，則由此引發的不確定度具體的計算方式如下:
Uh=ρgΔh/√3
       本文不采用活塞壓力計作為標準壓力源，而是采用氣壓介質作為校準介質，并以數字壓力校驗儀作為標準器，避免高度差引入壓力輸入誤差的不確定度分量，故省略。
3.4環境溫度所引入的不確定度評定
      壓力變送器校驗中，傳感器敏感度比較容易受到溫度因素的影響，因此需要對環境溫度所引入的不確定度進行評定。但是在實際測定中環境溫度為22℃，并且基本沒有變化，該溫度在環境溫度范圍內，因此，由環境溫度在校準中所引入的標準器示數變化不確定度分量可以忽略。

       估計其為正態分布，置信概率取95%，，包含因子可以查t分布得到K95=t95=1.98，則擴展不確定度為:
U95=k95uc(ΔI)=5.42(μA)
5結束語
       綜上所述，本文對壓力變送器的校準結果進行了不確定度評定。由標準器帶來的合成標準不確定度ud(OI)為4.39μA，擴展不確定度Us為8.78μA，由于被檢壓力變送器的允許誤差為32μA,規程要求輸入設備引入的擴展不確定度不超過被校壓力變送器允許誤差的1/4，即8μA，因此此次選用計量標準器對壓力變送器的校準符合規程的要求。
       在實際實驗中標準不確定度來源主要有:輸出電流、輸入壓力測量重復性、環境溫度影響、讀數分辨率、壓力源波動等，在不同試驗條件下，其不確定度評定的結果并不相同，需要分析各種因素下的壓力變送器工作條件，才能取得較為準確的不確定度評定結果。