螺紋掃描儀測量石油螺紋單項參數的不確定度討論

衡哲

【摘 要】螺紋全參數掃描技術的最新發展成果對石油螺紋的檢測有著重大的意義；本文從石油螺紋單一中徑的測量方案和數據精度兩個方面闡述了螺紋掃描儀測量石油螺紋參數的方法；第一部分建立相關數學模型，分析影響測量結果的各個參量；第二部分合成各個參量的不確定度數值，整合計算出儀器最終測量的擴展不確定度數值。該方法同樣適用于使用螺紋掃描儀測量其他種類的螺紋參數的不確定評估。

【關鍵詞】螺紋；單項參數；石油

0 引言

傳統的緊密距測量已經不能滿足石油行業的發展要求，而更加全面的石油螺紋單項參數檢測一直是石油計量行業的難題，現在隨著螺紋掃描技術的不斷發展，這一難題已經逐步可以解決。本文介紹通過使用螺紋量規掃描儀測量獲得的螺紋單項參數的結果，對其不確定度進行分析。

1 數學模型

由于API螺紋塞規的的單一中徑D值可以在IAC螺紋量規掃描儀上直接讀得，故有：Y=d

式中：Y～API螺紋塞規的單一中徑

d～測量時在儀器上讀取的單一中徑值

2 標準不確定度的評定

單一中徑的變化利用下式計算：

u2（Y）=u2（s）+u2（m）+u2（d）+u2（ds）+u2（q）+d2Δt2u2（δα）+d2α■■u2（δt）

測量不確定度的構成因素：測量讀數重復性引入的標準不確定度u（s）；儀器分辨率引入的標準不確定度u（m）；儀器示值誤差引起的標準不確定度u（d）；中間標準器引入的標準不確定度u（ds）；氣源壓力變化引起的標準不確定度u（q）；被測量規與中間標準器膨脹系數差引入的標準不確定度u（δα）；被測量規與中間標準器溫度差引入的標準不確定度u（δt）

2.1 測量重復性帶來的不確定度分量u1

在同一測量截面上的同一牙型位置重復測量10次，得到單一中徑測量列如下：352.3924、352.3925、352.3926、352.3924、352.3921、352.3924、352.3925、

352.3929、352.3921、352.3927

單次實驗標準差s=■=0.25μm

單點測量重復性引入的標準不確定度

u（s）=0.25μm，靈敏度系數c1=1

則u1=u（s）×c1=0.25μm

2.2 儀器分辨率引入的不確定度分量u2

由使用說明書知，儀器的分辨率為0.1μm，儀器為數字顯示，則由儀器分辨率引入的標準不確定度為：

u（m）=0.1/2■=0.029μm，靈敏度系數c2=1

則u2=u（m）×c2=0.03μm

儀器分辨率引入的不確定度和重復性引起的不確定度取其中較大者。則儀器分辨率引入的不確定度不再考慮。

2.3 螺紋綜合測量機引入的不確定度分量u3

由校準證書可知，儀器測量不確定度為3.0μm（k=2），包括主標準器和參照面標準器的影響，因此由螺紋綜合測量機引入的標準不確定度為：

u（d）=0.3/2=1.5μm，靈敏度系數c3=1

則u3=u（d）×c3=1.5μm

2.4 中間標準器示值誤差引入的不確定度分量u4

由使用說明書知，儀器通過中間標準器來修正儀器測量坐標軸，而其中間標準器的測量不確定度為0.5μm（k=2），則由中間標準器引入的標準不確定度為：

u（ds）=0.5/2=0.25μm，靈敏度系數c4=1

則u4=u（ds）×c4=0.25μm

2.5 氣源壓力變化引起的不確定度分量

由使用說明書可知，檢定時供氣變化對示值影響不大于0.01μm，估計為均勻分布，k=■，則氣源壓力變化引起的標準不確定度分為：

u（q）=0.01/■=0.006μm，靈敏度系數c5=1

則u5=u（ds）×c5=0.01μm

2.6 被測量規與中間標準器膨脹系數差引入的不確定度分量u6

兩者熱膨脹系數均為（11.5±1）×10-6℃-1，考慮到測量溫度與20℃之差可為正或負，且最大偏差為0.1℃，膨脹系數差在半寬為2×10-6℃-1的區間呈均勻分布，則被測量規與中間標準器膨脹系數差引入的標準不確定度為：

u（δα）=2×10-6/■=1.15×10-6℃-1，

靈敏度系數c6=dΔt=352.392×0.1=35.239μm·℃

則u6=u（δα）×c6=1.15×10-6×35.239×103=0.04μm

2.7 被測量規與中間標準器溫度差引入的不確定度分量u7

兩者的溫度差估計不超過±0.1℃，其在半寬t為0.1℃范圍內服從均勻分布，則被測量規與中間標準器溫度差引入的標準不確定度為：

u（δt）=0.1/■=0.058℃，

靈敏度系數c6=daS=352.392×11.5×10-6=4.053×10-3μm·℃-1（下轉第139頁）

（上接第102頁）

則u7=u（δα）×c6=0.058×4.053×10-3×103=0.24μm

2.8 合成不確定度

表1

由各分量的標準不確定度，可以計算得合成標準不確定度為

uc=■=1.6μm

2.9 擴展不確定度

取k=2，則U=kuc=3.2μm