自動標準壓力發生器動態控制準確度分析

李海兵，麻銳，卓華，陳武卿

(新疆維吾爾自治區計量測試研究院，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

進入二十一世紀以來，計算機技術和微電子技術得到了空前的發展，以微電子技術為基礎的壓力傳感器技術得到了長足的發展。高分辨力的A/D 轉換技術和低漂移運算放大技術很好地保證了壓力傳感器的應用。數字壓力計就是壓力傳感器技術的一種應用，石英傳感器數字壓力計的壓力測量已經達到了0.01 等級。

壓力發生器常用于校準壓力測量儀器。壓力發生器一般具有控制軟件和壓力傳感器，向被檢儀表提供一個設定的持續受控制的壓力，并將該壓力下壓力傳感器與被測儀器的測量值進行比較的作用。

1 壓力控制的類型

在使用壓力發生器時，通常有兩種控制類型可選擇。一種為靜態控制，該模式利用壓力發生器將測試系統壓力調整至接近相應的測試點，直至達到目標壓力的極限范圍。當壓力快速變化引起的瞬態效應達到正常水平，且壓力足夠穩定時讀取數據。另一種為動態控制或主動控制模式，發生器將測試系統內的壓力調整到所需要的壓力，并且在記錄參考或被測器的測量值時繼續主動將壓力控制在目標壓力值附近，其在短時間內形成穩定的壓力能夠使校準更快捷。兩種控制類型下壓力值隨時間的變化如圖1所示。

靜態控制引起的不確定度僅與壓力管道的泄漏情況、瞬態效應和環境變化有關。靜態模式能夠消除控制模式下引起的不穩定因素，然而在動態控制模式下，控制穩定度被認為是隨機的，壓力平均值的標準偏差將除以測量次數(n)的平方根。在靜態控制模式下壓力值將向一個方向變化，穩定度就不是隨機的，所以標準偏差須除以。動態控制模式具有不確定度較小、控制速度快、壓力輸出穩定等優點。

圖1 靜態壓力控制(上)和動態壓力控制(下)

控制準確度是指發生器能夠將系統壓力保持在目標值附近最小范圍的指標。在控制模式下發生器僅顯示標稱壓力值，壓力實際在控制范圍的什么位置并不知道。自動壓力發生器的動態壓力準確度等級為靜態壓力(靜壓)模塊準確度等級和控制準確度的迭加。文獻調研可知，類似的如DHI 公司的PPC2 型數字壓力發生器，其壓力控制最大允差為±0.002%讀數［1］。Mensor 公司的數字壓力發生器的控制最大允差為±0.002%讀數。而德魯克公司(Druck)的PACE6000系列沒有類似的研究。下面將論述PACE6000 壓力發生器(內置壓力傳感器，準確度等級為0.01 級)的控制準確度等級。

2 控制準確度分析

壓力發生器的控制準確度等級測量方法如下:以DHI 公司生產的PG7601 氣體活塞式壓力計為參比標準器，其測量范圍為14 ～700 kPa 及100 ～7000 kPa。被考核對象為數字壓力發生器。以同量程、準確度等級為0.02 級的數字壓力計(型號為PM620)為參考對象。研究按照壓力測量的范圍進行，即低壓(200 kPa編號為3430663 和3256121)、中壓(700 kPa 和2000 kPa)、高壓(7000 kPa)。其中有兩臺測量上限為2000 kPa 的發生器，一臺為FLUKE 生產，另一臺為Druck生產。第一步以PG7601 活塞式壓力計同時對考核對象和參考對象進行測量，此時壓力發生器處于測量狀態。標準活塞式壓力計的壓力標稱值為xri，數字壓力發生器的讀數為xti，參考數字壓力計的讀數為pti。第二步數字壓力發生器處于動態控制狀態對數字壓力計進行測量，壓力發生器的輸入值為xti，數字壓力表的讀數為p'ti，比較數字壓力計兩次讀數pti和p'ti的差值。利用數字壓力計較好的短期穩定性，若兩個值大小不同，則控制準確度等級為兩個量值的差值與量程的比值。

典型的操作過程為:將活塞式壓力計、數字壓力發生器的“output”端和參考數字表通過管道連接起來，通過連接活塞式壓力計的氣源提供壓力，在平衡狀態時讀取數值。這里采用了一個新的方法，首先將壓力發生器接通氣源，輸入一個壓力值，當其穩定輸出時迅速切換至測量界面，微調活塞壓力計使其輸出標準壓力即可。根據JJG 875-2005《數字壓力計檢定規程》5.3.1.5:準確度等級為0.05 級及以上的壓力計，升壓、降壓(或疏空、增壓)檢定循環次數為兩次。除了第一循環的上行程外，其他測量下限均不做清零操作［2］。

由于環境溫度、濕度和大氣壓力的變化，加載在參比標準活塞式壓力計上的一定質量的砝碼其產生的壓力值會隨著時間發生微變，同時壓力發生器存在零點漂移，對以上兩個影響量進行修正。如示值xti下行程(標稱值為20 kPa)的修正過程為:(19.98881-19.98879 +19.9958)-0.0050，依次對各個測量點進行修正。同理對pti和p'ti進行修正，將修正后的值帶入到控制誤差進行計算。控制誤差的計算:(p'ti-pti)/量程，在量程的30%以下時，允許誤差為量程的30%的引用誤差。在量程30%以上時，允許誤差為讀數誤差。編號為3430663 的壓力發生器一個循環的測量原始數據見表1。為了驗證發生器控制的重復性，連續進行兩個循環的測量。為了更加直觀，將控制準確度等級平均值用函數曲線的形式表示，采用相同方法分別對低壓(上限200 kPa，編號為3256121，3430663)的發生器、中壓(上限700 kPa 和2000 kPa)、高壓(上限7000 kPa)的發生器控制準確度等級進行分析，結果如圖2，3所示。

由圖2，圖3 可以看出，上限為200 kPa 和700 kPa的壓力發生器控制誤差小于±0.0035%(內置傳感器最大允許誤差的1/3)。對比不同廠家生產的壓力發生器，Druck 公司上限為2000 kPa 其控制誤差達到了-0.005%。以DHI 公司生產的PPC4 壓力校準器(上限為2000 kPa)為比較對象，結果發現PPC4 的控制誤差在±0.0015%以內，原因可能是其采用了零點自動修正功能，避免了零點對測量結果的影響。圖3 上限為7000 kPa 的壓力發生器，其控制誤差達到了±0.01%，與壓力發生器的傳感器準確度等級相當，在測量結果的不確定度評定中必須考慮。

終上所述，對于PACE6000 系列而言，在中壓段(200，700 kPa)壓力發生器的控制準確度為其傳感器準確度的1/3 左右。當在中壓段(2000 kPa)和高壓段(7000 kPa)時壓力發生器的控制準確度與其傳感器準確度相當。對于PPC4 壓力發生器，其控制準確度對不確定度的貢獻較小。下面以0.01 級數字壓力發生器為標準器，對0.05 級數字壓力計示值誤差的測量不確定度進行分析。

表1 編號為3430663發生器第一個檢定循環原始數據

圖2 低壓(上限200 kPa)、中壓(上限2000 kPa，不同廠家)壓力發生器的控制誤差圖

3 測量不確定度評定

選定一臺由測量范圍0 ～2 MPa 的壓力模塊與FLUKE 744 組合而成的數字壓力計，其最大允許誤差為±0.05%FS。用一臺測量范圍為0 ～2 MPa、最大允差為±0.01%讀數的數字壓力發生器對FLUKE 744 數字壓力計進行校準。根據JJG 875-2005《數字壓力計檢定規程》以及JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，對數字壓力計示值誤差的測量不確定度進行分析評定［3］。輸入量的標準不確定度各分量匯總及擴展不確定度見表2所示。

圖3 中壓(上限700 kPa)、高壓(上限7000 kPa)量程的壓力發生器控制誤差圖

通過表2 可得，在壓力值大于1600 kPa 時，由標準器控制準確度引入的不確定度分量占據主導，而且示值誤差的測量不確定度U 與數字壓力計的最大允許誤差的絕對值MPEV 之比不滿足小于或等于1 ∶3的要求，這時必須考慮示值誤差的測量不確定度對符合性評價的影響。為了避免這種情況，經計算發生器的壓力傳感器準確度等級須滿足0.008 級，此時1800 kPa和2000 kPa 兩點的擴展不確定度為0.33 kPa，滿足符合性評價的要求。

表2 測量不確定度報告 kPa

4 總結

本文對低壓(上限200 kPa)、中壓(上限700 kPa和2000 kPa)、高壓(上限7000 kPa)的PACE6000 系列壓力發生器的控制準確度等級進行了定量的分析，提出了一種新的分析方法。對于上限為200 kPa 和700 kPa的壓力發生器，其控制允差在±0.0035%以內，上限為2000 kPa 和7000 kPa 的發生器的控制允差在±0.01%左右。通過對0.05 級數字壓力計示值誤差測量結果的不確定度分析，發現在中壓2000 kPa 和高壓端壓力發生器的傳感器準確度等級須為0.008 級。然而由于條件所限，無法對微壓量程的發生器進行分析，日后可以在相關方面進行研究。

［1］M Girard，R Haines.一種全自動微壓發生器/校準器［C］//2001年全國壓力計量測試技術年會論文集.蘇州:中國計量測試學會壓力專業委員會，2001.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 875-2005 數字壓力計檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2005.