影響壓力測量審核結果的因素分析

張賢

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

測量審核是將一個性能穩定且具有參考值的樣品寄送給實驗室，將實驗室校準結果與參考值進行比較，從而判斷該實驗室的校準結果是否為滿意結果，要想得到一個客觀準確的校準結果，實驗室的標準裝置性能是否良好，校準方法是否正確，影響量分析的是否全面，數據處理是否合理都會對校準結果產生影響，以下從幾個常見的壓力測量審核問題進行分析總結，提出一些有針對性的解決方法。

1 專用砝碼質量超差問題

選用活塞式壓力計作為標準器進行測量審核，有些實驗室的測量結果誤差呈線性趨勢變化，原因主要是專用砝碼存在以下幾個問題:

1)有的實驗室只送檢活塞，不對活塞的配套專用砝碼進行量值溯源。

2)有的實驗室雖然送檢專用砝碼，得到了實際的砝碼質量值，但由于砝碼本身沒有調整腔 (一些國外活塞)，上級計量機構無法對砝碼質量值進行調整，只出具了校準證書，申請實驗室沒有對校準證書確認是否滿足使用要求，誤認為計量沒有問題了。

3)有些實驗室使用雙活塞式壓力計，共有一套專用砝碼，專用砝碼質量允差無法兼顧到兩個活塞，造成輸出值有問題。

4)沒有區分折算質量和真空質量，質量專業按照砝碼檢定規程一般給出折算質量。折算質量的定義［1］:一物體在約定溫度和約定密度的空氣中，與一約定密度的標準器達到平衡，則標準器的質量即為該物體的折算質量。約定溫度tr為20℃，約定的空氣密度ρ0為1.2 kg/cm3，砝碼折算質量的約定密度為 ρref為8000 kg/cm3;壓力專業按照活塞式壓力計檢定規程給出的是真空質量，兩者之間存在差距，砝碼的真空質量值與折算質量值的換算關系為

假設空氣密度變化不大，均采用標準空氣密度ρ0，折算質量值為1 kg，計算不同的砝碼材料真空質量值和折算質量偏離值見表1。

表1 不同的砝碼材料真空質量值和折算質量值偏離值

由以上數據可以看出，砝碼的折算質量值，已不再是該砝碼的真空質量值，兩者之間存在著一個偏離量值。偏離量值的大小，取決于該砝碼的實際密度與統一約定密度之間的差。差值越大，偏離量值也越大，在砝碼不是不銹鋼的情況下 (砝碼密度偏離8000 kg/m3越大)，真空質量值和折算質量值的偏差越大，所以實際工作中一定要將折算質量值換算為真空質量值再進行比較才有意義。

針對以上4種問題，解決辦法如下:

1)活塞式壓力計作為標準時，專用砝碼作為主要設備必須溯源，有砝碼計量能力的單位可以自己計量，但要有證書。

2)砝碼計量后，將得到砝碼折算質量值，通過公式換算為真空質量值，將此值與活塞式壓力計證書里給出的砝碼真空質量值進行比較，看是否在質量允差內，要進行確認，不滿足要調整砝碼。我所對于計算值與實際值不一致的情況，一般活塞證書出具校準證書。

3)針對砝碼不可調整或雙活塞壓力計共用一套砝碼情況，首先要確認，如不滿足要求，應采取措施:①利用計算軟件進行修正 (工作量比較大，且不易控制);②調整砝碼在允差內;③雙活塞時，最好另加工一套砝碼。

4)由計算公式將質量專業給出的折算質量值換算為真空質量值，再與壓力專業給出的真空質量值進行比較，由質量差值調整砝碼或進行修正。

2 “反校法”存在問題

一些單位用數字壓力計做標準時采用的“反校法”，該方法在計量技術2002No2有一篇精密壓力儀表儀器半自動化檢定系統的文章中詳細介紹，即通過手動操作壓力校驗器，將被檢壓力表的指針固定在整數檢定點，這時讀取標準數字壓力計的示值，通過公式被檢表讀數=2×檢定點實際值－標準數字表讀數反算出被檢精密壓力表數值。這種檢定方法不符合JJG 49-2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規程［2］中對檢定條件的要求，表2列舉了使用規程檢定方法和反校法檢定同一塊精密壓力表得到的對比數據。

表2 規程檢定方法和反校法檢定精密壓力表數據對比 MPa

由表2可以看出，兩種方法得到的數據有差異，經過分析使用反校法存在以下問題:

1)讀取標準示值時，示值往往不穩定，這是由于系統內壓力沒有穩定造成的，被檢指針表分辨力低，反映不出系統壓力實際情況，因此誤差將不可控。

2)數據處理即使采用反算法也不合適，數據是按標準的分辨力讀取的，不符合規程要求，另外不確定度分析時，引用標準的分辨力作為分量顯然也不合理。

3 “高度差”存在問題

在壓力測量審核中，無論使用氣體和液體，高度差對測量結果都有或大或小的影響。下面我們就分析一下如何考慮高度差問題。

1)氣注高度差的計算公式

根據氣體密度與壓力值之間呈正比關系，在絕壓測量模式表壓測量模式時，可分別用公式 (2)、公式(3)表示。

式中:ρ為氣體密度，kg/m3;p為壓力值，MPa。

假設高度差為5 cm，根據公式P=ρgh計算在表壓測量模式時不同的壓力點氣柱高度差產生的壓力誤差影響量見表3。其中:ρ為檢定時使用介質的密度 (隨壓力變化的氣體密度值);g為檢定地點的重力加速度(北京為9.8015 m/s2)。

表3 表壓測量模式時不同壓力點氣柱高度差產生的壓力誤差影響量

由表3可以看出，壓力值小于1 MPa時，氣柱高度差的影響比較大，所以在校準準確度等級優于0.05級的儀器時需要進行高度差的修正;壓力值大于1 MPa時，氣柱高度差的影響較小，此時可以不進行高度差修正。

2)液柱高度差

假設液柱高度差為5 cm，高度測量誤差為±0.5 cm，檢定使用介質為癸二酸 (密度值916 kg/m3)，計算在不同的壓力點液柱高度差產生的壓力誤差影響量見表4。

表4 不同壓力點液柱高度差產生的壓力誤差影響量

由表4可以看出，壓力值小于2 MPa時，即使對液柱高度差進行了修正，但由于高度差測量不準代入的影響量也是非常大的，所以建議檢定準確度等級優于0.05級的儀器時，應采用氣體作為工作介質，避免高度差對校準結果產生過大的影響;壓力值小于6 MPa時，應考慮液柱高度差對測量結果帶來的影響。

4 平均值修約與不確定度關系問題

測量審核中是以多次重復測量的平均值作為校準結果，如何對平均值進行數據修約，使其保留適當的有效數據，這點對評判結果很重要。例如一臺0.1級測量范圍為0～25 MPa的數字壓力計，在20 MPa點進行了6次重復測量，測量數據為 19.995，19.995，20.000，19.995，20.000，20.000 MPa，測量結果的擴展不確定度為0.0063 MPa，正確的平均值應該修約為多少，有的認為多保留一位安全數字應該是19.9975 MPa，其實測量結果的修約與不確定度有很大的關系，我們應該根據不確定度對測量結果進行修約，修約原則［3］為:U的第一個有效數字為1，2時，U取兩位有效數字;第一位有效數字為3或3以上時，U只取一位有效數字，對舍棄數據按照1/3原則進行取舍;測量結果的修約區間應等于U的修約區間。

根據修約原則0.0063的第一位有效數字大于3，所以U只保留1位數字，對第2位數字按照1/3原則進行修約，得到，再按照不確定度的修約區間對測量結果進行修約，得到

5 結束語

通過對以上問題的梳理和分析，提示我們在進行壓力測量審核工作中，一定要認真分析實際工作情況，消除類似砝碼質量超差及高度差等影響因素，確保標準器量值傳遞正確，被檢器校準結果修正合理，只有這樣，最終才能得到客觀合理的能反映實驗室能力水平的結果。

［1］國防科工委科技與質量司.力學計量 ［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 49－2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規程.北京:中國質檢出版社，2013.

［3］國防科工委科技與質量司.計量技術基礎 ［M］.北京:原子能出版社，2002.