壓力變送器的現場檢定測量不確定度的評定

楊 斌

（蘭州城市學院 培黎石油工程學院，蘭州 730070）

壓力變送器是工業生產過程中的重要檢測設備，廣泛應用于工業過程中壓力、流量、液位等工藝參數的檢測，是自動化控制的主要數據來源。對于壓力變送器，由于現場檢定/校準耗時短，檢定過程采用在線檢測，無需拆卸，安裝位置帶來的零點偏移誤差不用考慮，所以多數情況下壓力變送器的檢定都在現場進行。這就需要對現場檢定條件進行不確定度的分析，只有符合要求才可進行檢定。

1 影響現場檢定（校驗）測量不確定度的因素

1.1 標準器引入的測量不確定度分量

現場檢定（校準）壓力變送器，對于標準器的選擇非常重要，依據壓力變送器的檢定規程JJG887-2005的要求，壓力標準一般選用活塞式壓力計和數字壓力計，檢定時引入的擴展不確定度U95應不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對值的1/4；對0.1級和0.05級的被檢壓力變送器由此引入的U95應不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對值的1/3[1]。因此合理的選擇標準器可控制系統誤差，使測量結果更加可靠。

1.2 環境條件引入的測量不確定度分量

對于壓力變送器，校驗時要求環境溫度（20℃±5℃，每 10 min變化不大于1℃）、相對濕度（45%RH～75%RH）、機械振動（壓力變送器所處環境應無影響輸出穩定的機械振動）、外磁場（壓力變送器周圍除地磁場外，應無影響其正常工作的外磁場）應滿足一定的要求。由于現場環境條件比較復雜，難以達到要求，測量時必然要帶來一定的誤差，從而使測量不確定度增加。

1.3 被檢表多次重復測量，重復性引入的測量不確定度分量

在實驗室條件下對壓力變送器進行校驗時，應至少進行2次循環，強制檢定壓力的壓力變送器應至少進行3次循環。如果進行現場校驗，由于環境條件比較復雜，為了保證測量精度，應增加測量次數，從而帶來重復性誤差引起的測量不確定度。

1.4 若使用液體作為工作介質，則有液柱差引入的測量不確定度分量

傳壓介質為液體時，介質應考慮制造廠推薦或送檢者指定的液體，并應使變送器取壓口的參考平面與標準器的取壓口的參考平面在同一水平面上。當高度不大于JJG887-2005規程要求的計算結果時，引起的誤差可忽略不計，否則應予以修正。

2 不確定度分析

規程中要求檢定用標準器，包括整個檢定設備在檢定過程中引入的擴展不確定度U95應不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對值的1/4。現以某CNG加氣站向某法定計量技術機構提出壓力變送器的檢定計劃為例，若拆卸停氣會造成CNG車輛大規模停運，綜合考慮后雙方協商該機構到CNG加氣站現場進行壓力變送器的檢定（校驗）工作，清單如表1所示。

表1 壓力變送器檢定統計表Tab.1 Statistics of the pressure transmitter measurement

首先進行測量不確定度的分析，并由此進一步確認不確定度的合理性。

2.1 被檢壓力變送器的規格

測量范圍：（0～0.6）MPa

準確度等級：0.5 級

輸出電流：（4～20）mA

2.2 測量誤差的數學模型和靈敏系數

壓力變送器測量誤差的數學模型為

輸出壓力對壓力變送器輸出誤差的靈敏系數[2]為

輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數為

2.3 測量的環境

現場環境溫度：30℃

相對濕度：50%RH

2.4 選用的標準器

目前，在現場對壓力變送器進行檢驗，使用的標準器為Const273系列，接線方式為二線制。根據被檢壓力變送器的精度和量程，可以選用的標準器為數字壓力計。

測量范圍：（0～0.6）MPa

準確度等級：0.05 級

輸出電流：（-30～30）mA

2.5 測量不確定度來源

2.5.1 輸入量p的標準不確定度

（1）p的標準不確定度的主要來源是標準壓力發生器。

標準壓力發生器的最大允許誤差Δp1＝±0.05%FS＝±0.30 kPa

按均勻分布估計[3]，則：

（2）環境溫度的不確定度

溫度變化從2方面影響其輸出：一是零點漂移，二是影響滿量程輸出。環境溫度超過要求時，溫度影響造成的誤差為

按均勻分布估計，則：

u（p1），u（p2）的相對標準不確定度估計 95%，則自由度為 200，由于 u（p1），u（p2）相互獨立[4]，因此：

其有效自由度為

由計算可以發現，對于溫度偏差不大的情況下，溫度影響造成的不確定度可忽略不計。

2.5.2 輸入量I的標準不確定度

I的標準不確定度的主要來源是Const273作為直流電流表的示值誤差、測量重復性和環境溫度變化所造成的。

（1）直流電流表的示值誤差

對于Const273而言，其分辨力1 μA，所以其示值誤差不超過±0.5 μA。

按均勻分布估計，則：

若u（I1）的相對標準不確定度估計95%，則自由度為200。

（2）測量重復性

現對現場一塊（0～0.6）MPa 的壓力變送器進行現場檢測，具體數據如表2所示。

表2 現場檢定壓力變送器原始數據記錄表Tab.2 Raw data of on-site pressure transmitter measurement

按規程要求，測量點不少于5個。由于對壓力變送器進行3次循環檢測，所以每個測量點均有6個讀數。

從表中數據可以看出，最大示值差為-0.026 mA，回差為-0.017 mA。最大標準不確定度（A類評定）可以用實驗標準偏差來評估[5]。

自由度為5

（3）環境溫度引起的不確定度

Const273作為直流電流表使用，當環境溫度超過要求時，溫度影響造成的誤差為

按均勻分布估計，則：

u（I3）的相對標準不確定度估計95%，則自由度為200。

由于 u（I1），u（I2），u（I3）相互獨立，因此：

其有效自由度為

將上述不確定度項如表3所示。

表3 現場檢定壓力變送器不確定度匯總表Tab.3 Summary of uncertainty of on-site pressure transmitter measurement

2.6 合成標準不確定度

由于 u（p）和 u（I）彼此間相互獨立，所以合成不確定度和有效自由度為

2.7 擴展不確定度

由于合成不確定度接近正態分布。按置信概率95%估計，包含因子可以查t分布得到：

3 結語

被檢壓力變送器的允許誤差為±80 μA，經計算標準器組成測量系統所帶來的不確定度小于被檢設備最大允許誤差絕對值的1/3～1/4，符合規程現場要求。總之在現場檢測前需要做好充分的準備，了解被檢壓力變送器基本信息（量程、準確度等級等）根據經驗預先分析檢定中可能遇到的問題，對預知可能發生的突發情況要有充分的應對措施。這樣就可以避免到了工作現場由于標準器、配套設備、配件、工具、天氣等原因造成無法檢定的情況。

[1]JJF875-2005數字式壓力計檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2005.

[2]劉麗軍.壓力變送器測量結果的不確定度評定[J].中國計量，2011（11）：91-92.

[3]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]吳石林，張玘.誤差分析與數據處理[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]吳隆建.壓力變送器型式評價試驗操作方法[J].計量與測試技術，2010（12）：88-90.