溫度對壓力變送器計量數(shù)據(jù)可靠性的影響

李璇，武士振，章云云，雷曉紅，郭紅衛(wèi)

中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （河南 濮陽 457001）

隨著油田智能化、數(shù)字化改造的深入開展，智能化計量器具在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用，起到了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制、報警、監(jiān)控等功能。為了保證計量數(shù)據(jù)準確、可靠，需要按照國家檢定規(guī)程或校準方法的要求開展計量器具定期檢測工作。但是，部分計量器具存在因生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)運行不能拆卸、計量器具連接部分銹蝕不易拆卸、運輸和安裝過程易造成計量器具損壞、送檢期間需要配備大量備用表等問題，使計量器具無法按期開展檢測或造成檢測延遲，不能保證計量數(shù)據(jù)的準確可靠。因此，計量檢測工作需要走出實驗室，深入現(xiàn)場開展檢測或比對，保證計量器具量值溯源或傳遞的可靠性。但是現(xiàn)場檢測環(huán)境條件比較復(fù)雜，影響檢測結(jié)果的不確定因素較多，如溫度、高度、振動、電磁等，難以滿足檢定規(guī)程的要求。以壓力變送器為例，探討溫度對其檢測結(jié)果準確性的影響。

在JJG 882—2004《壓力變送器》[1]檢定規(guī)程中明確規(guī)定，檢定時環(huán)境溫度要求控制在（20±5）℃，而現(xiàn)場環(huán)境難以控制在這個范圍。溫度變化對檢測結(jié)果的影響，主要來源于標準器及被檢壓力變送器兩方面。

1 溫度對標準器的影響

JJG 882—2004《壓力變送器》[1]檢定規(guī)程規(guī)定：“在現(xiàn)場條件下，經(jīng)分析因標準器及配套設(shè)備引入的擴展不確定度U95仍不超過被檢壓力變送器允許誤差絕對值的1/3～1/4時，方可進行現(xiàn)場檢測。”這就需要在檢測前，對標準器是否滿足檢測條件進行評價，也就是在進行測量不確定度分析時，對標準器輸入的B類測量不確定度進行評定。

例如，一塊作為標準器的智能數(shù)字壓力校驗儀，測量范圍0～2.5 MPa，準確度等級0.05級，最大允許誤差為±0.001 25 MPa；輸出電流-30～30 mA，最大允許誤差為±0.02%讀數(shù)、1μA；溫度補償范圍：-10～50℃。被測壓力變送器測量范圍為0～2.5 MPa，準確度等級為0.5級。

建立數(shù)學(xué)模型：

其中：ΔI為壓力變送器的輸出誤差，mA；I為壓力變送器的輸出電流，mA；Im為壓力變送器輸出量程，mA；P為壓力變送器輸入壓力值，MPa；Pm為壓力變送器輸入量程，MPa；I0為壓力變送器輸出起始值，mA。

輸入壓力對壓力變送器輸出誤差的靈敏度系數(shù)為：

輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為：

1.1 輸入量P的標準不確定度的評定

1）P的標準不確定度的主要來源是智能數(shù)字壓力校驗儀。在該量程的最大允許誤差不超過±0.001 25 MPa。

按均勻分布估計，則：

2）環(huán)境溫度的不確定度。溫度變化從2個方面影響其輸出：一是零點漂移，二是影響滿量程輸出。環(huán)境溫度超過規(guī)定5℃時，溫度影響引入的誤差為：

按均勻分布估計，則：

u(P1)和u(P2)的相對標準不確定度估計95%，則自由度：

v=200

由于u(P1)和u(P2)相互獨立，因此：

其有效自由度為：

1.2 輸入量I的標準不確定度的評定

I的標準不確定度的主要來源是輸出的直流電流的示值誤差。

輸出直流電流的示值誤差不超過±5μA，按均勻分布估計，則：

u（I）的相對標準不確定度估計95%，則自由度

v21=200

將上述不確定度分量列于表1。其中：i為不確定度來源序號；xi為不確定度來源；ai為xi的誤差分散區(qū)間半寬或誤差限；ki為包含因子；[u(xi)]為標準不確定度； ||ci為靈敏系數(shù)；ui(y)為變送器輸出的標準不確定度分量；vi為自由度。

表1 不確定度分量

1.3 合成標準不確定度的評定

由于u(P)和u(I)彼此間相互獨立，因此合成標準不確定度uc(ΔI)及有效自由度veff分別為：

veff取為∞。

由標準器帶來的合成標準不確定度uc(ΔI)為5.44μA。合成標準不確定度uc(ΔI)接近正態(tài)分布，同樣可以查t分布得到k95=1.96。因此校準時由標準器帶來的擴展不確定度為：

U95=k95×uc(ΔI)=1.96×5.44=10.67μA

被檢壓力變送器的允許誤差為80μA。規(guī)范中要求校準用標準及配套設(shè)備在校準中引入的擴展不確定度U95應(yīng)不超過被校壓力變送器允許誤差絕對值的1/4，即20μA，因此本評定中標準器的選擇符合規(guī)范的要求。如果標準器選擇不能滿足要求，將會增大測量結(jié)果的不確定度。

2 溫度對被檢壓力變送器的影響

為了說明環(huán)境溫度的變化對被檢壓力變送器的影響，需要通過大量的試驗分析。

1）需要選擇試驗的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度的影響應(yīng)在制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)測量，一般可參照使用說明書；若未規(guī)定溫度值，根據(jù)GB/T 17214.1—1998《工業(yè)過程測量和控制裝置工作條件第一部分：氣候條件》[2]中各種場所等級的氣候條件參數(shù)和嚴酷度，選定溫度限制范圍。考慮各油氣田所在區(qū)域溫度情況，并參考17個壓力變送器廠家的使用說明書，除去惡劣環(huán)境條件，選定在-20～50℃溫度限值范圍內(nèi)開展試驗。

2）選擇試驗方法。在GB/T 17614.1—1998《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用變送器第1部分：性能評定方法》[3]“7試驗程序和試驗報告中規(guī)定：環(huán)境溫度試驗方法詳細描述參照IEC 61298-3”，而GB/T 18271.3—2017《過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序第3部分：影響量影響的試驗》[4]等同采用IEC 61298-3。因此，試驗方法主要參照GB/T 18271.3—2017中“5環(huán)境溫度影響”開展試驗。

利用允差為±2℃，環(huán)境溫度的變化速率小于1℃/min的高、低溫試驗箱溫度。試驗標準壓力值以規(guī)程規(guī)定為主，按量程一般均勻選取5～6個試驗點（包括零點及滿量程）。將壓力變送器放入高、低溫試驗箱中，以10℃為間隔，逐漸升溫（降溫）至溫度范圍上（下）限，待溫度穩(wěn)定且保持不少于3 h后，進行溫度影響示值誤差試驗。

對參與試驗的26塊壓力變送器，分別讀取試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算不同溫度下的壓力示值誤差，選出部分典型數(shù)據(jù)進行匯總（表2）。

通過試驗可以看出，壓力變送器的具有代表性的3種結(jié)果分別為：

表2 壓力變送器各溫度點示值誤差匯總表

1）除20℃合格，其他溫度點均不合格，如序號為1的壓力變送器。出現(xiàn)這類問題最主要的原因是溫度補償裝置出現(xiàn)問題。傳感器是由金屬材料和半導(dǎo)體材料制作而成的敏感元件，它的靜特性與溫度有非常密切的關(guān)系，采取適當?shù)难a償措施對傳感器的溫度附加誤差進行修正，可提高測量的準確性。

傳感器的溫度補償一般可分為內(nèi)部補償和外部補償2種。內(nèi)部補償是通過設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu)，完善制造工藝，控制敏感材料特性等方式來減小溫度的影響；外部補償方式主要分為硬件補償方法和軟件補償。任何一部分出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致溫度補償故障，使壓力變送器出現(xiàn)不合格，此種不合格的壓力變送器需返廠修理。因此，在現(xiàn)場檢測時，如果現(xiàn)場溫度無法控制，建議對于檢測不合格的壓力變送器送至實驗室再次開展檢測工作。

2）在所有的溫度下均合格，如序號為2的壓力變送器。該種壓力變送器性能穩(wěn)定、可靠，是系統(tǒng)計量中最期望的情況。

3）在-20℃時不合格，其他點均合格的壓力變送器，如序號4的壓力變送器；在-10℃、-20℃不合格，其它點合格的壓力變送器，如序號3的壓力變送器。

3 降低溫度對檢測結(jié)果影響的方法

1）標準器出廠時都有使用溫度補償范圍，在規(guī)定的范圍內(nèi)，溫度對其影響量較小，在進行標準器的不確定度評定后，基本能夠滿足要求。如果溫度變化較大，標準器對測量結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的影響，解決方法是：①可以選擇更高準確度等級的標準器，以減小B類不確定度評定時引入的不確定度分量；②對每個檢測點的檢測結(jié)果給出測量不確定度。

2）在溫度對被檢壓力變送器影響的3種結(jié)果中，重點對第3種進行分析。通過表2可以看出，-10℃和-20℃示值超差點均為壓力上限處。因此，可參照GB/T 34073—2017《物聯(lián)網(wǎng)壓力變送器規(guī)范》[5]“5.3有關(guān)影響量的影響”中規(guī)定（表3）。

表3 環(huán)境溫度變化影響量

依據(jù)表3可以看出，環(huán)境溫度變化量影響量在下限值溫度系數(shù)及量程溫度系數(shù)中可給予放寬。也就是說，如果只是在零位及滿量程時示值超差，可根據(jù)每10℃給出的放寬量判斷壓力變送器是否符合要求。因此，可看出超差的5塊壓力變送器的最大示值誤差均在環(huán)境溫度影響量允許值范圍內(nèi)，而且現(xiàn)場壓力變送器使用的壓力點一般在量程的1/3～2/3處，即可以判斷該類壓力變送器可繼續(xù)在現(xiàn)場使用，對計量數(shù)據(jù)的可靠性影響較小。

通過溫度對標準器與被檢壓力變送器影響的分析，建議現(xiàn)場檢測時，環(huán)境溫度在0～40℃的開展檢測工作；在規(guī)程規(guī)定的15～25℃的按檢定規(guī)程開展檢測工作；超出15～25℃時，壓力變送器的零位及滿量程最大允許誤差應(yīng)放寬并給出測量結(jié)果不確定度。以此來確定現(xiàn)場檢測壓力變送器的性能是否滿足生產(chǎn)需要，提高計量數(shù)據(jù)的可靠性。