0.01級氣體活塞式壓力計標準裝置不確定度評定及重復性、穩定性

劉加濱，鄒偉

0.01級氣體活塞式壓力計標準裝置不確定度評定及重復性、穩定性

劉加濱1，鄒偉2

（1. 山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 250000； 2. 中國石化天然氣分公司計量研究中心，湖北 武漢 430079）

介紹了0.01級氣體活塞式壓力計標準裝置的組成、測量原理及意義，分析測量過程中各影響因素并評定各不確定度分量，計算標準裝置的合成不確定度，并驗證了標準裝置的性能。結果表明，標準裝置擴展不確定度=1.9 kPa (=2)，可以在授權范圍內開展0.05級及以下數字壓力計、壓力變送器、精密壓力表的檢定/校準工作。

壓力標準裝置；不確定度評定；性能驗證

壓力儀表的應用非常廣泛，幾乎遍及所有的工業、科研等領域。為滿足大量壓力儀表的檢定需要，國家、地方行政部門以及部分企業單位相繼建立了不同等級的壓力計標準裝置。中國石化天然氣計量站研究建立了一套企業最高標準——0.01級氣體活塞式壓力計標準裝置，測量范圍（0.2～16）MPa，準確度等級0.01級。根據JJF 1033-2008《計量標準考核規范》[1]的要求，對標準裝置進行了重復性試驗和穩定性考核，確認了計量標準裝置的工作性能。本文將根據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[2]對標準裝置不確定度進行評定[3～7]。

1 氣體活塞式壓力計標準裝置

1.1 組成

標準裝置主要由氣體活塞式壓力計、壓力控制器、多功能校驗儀、絕緣電阻表、耐電壓測試儀、直流穩壓電源等組成。

1.2 工作原理

標準裝置的工作原理是利用力的靜平衡原理，即作用于活塞桿下端面的液體壓力所形成的力與施加在上端面的專用砝碼（包括活塞桿及其連接件）產生的重力相平衡，原理框圖如圖1。

2 不確定度評定

2.1 被檢壓力變送器的規格

測量范圍：0～10 MPa；

準確度等級：0.05級；

輸出電流：（4～20）mA。

圖1 壓力標準裝置工作原理圖

2.2 測量的數學模型

當用本標準裝置檢定壓力變送器時,其變送器輸出電流信號的數學模型為：

式中：△—壓力變送器的輸出誤差，mA;

—壓力變送器輸出電流值，mA;

I—壓力變送器輸出量程，mA;

—壓力變送器輸入壓力值，kPa;

P—壓力變送器輸入量程，kPa;

0—壓力變送器輸出起始值，mA。

2.3 靈敏系數

2.3.1 輸入壓力對壓力變送器輸出誤差的靈敏系數：

2.3.2 輸出電流對壓力變送器輸出誤差的靈敏系數：

2.4 評定各輸入量估計值的標準不確定度

2.4.1 輸入量的測量標準不確定度()

輸入量的標準不確定度的主要來源是氣體活塞式壓力計的輸入值，環境溫度影響可忽略。氣體活塞式壓力計的最大誤差不超過±0.01% FS，即±1.6 kPa，按均勻分布估計，則：

2.4.2 輸入量的測量標準不確定度()

輸出量的標準不確定度的主要來源是被測壓力變送器輸出電流的重復性和多功能校驗儀的測量誤差。環境溫度影響可忽略。

2.4.2.1 壓力變送器輸出電流的重復性引入的不確定度(I)

在重復性條件下，用標準器對101 kPa、1 250 kPa、2 500 kPa、3 750 kPa、5 000 kPa和6 250 kPa共6個壓力點進行10次獨立測量，算術平均值作為每次獨立測量的結果，用實驗標準偏差對重復性引入的不確定度進行評估。取6個壓力點的實驗標準偏差中的最大值作為變送器輸出電流的重復性引入的不確定度，見表1。

如表1所示，實驗標準偏差中的最大值為=8.50×10-5mA，則：

2.4.2.2 多功能校驗儀的測量誤差引入的不確定度(I)

依據多功能校驗儀的校準證書，查得電流輸入的擴展不確定度為=0.001 0 mA（=2）：

將上述不確定度列表如表2。

表2 不確定度匯總表

2.4.3 合成標準不確定度c(I)

()和()彼此相互獨立，因此合成標準不確定度為：

2.4.4 擴展不確定度(Δ)

取置信概率=0.95，則置信因子=2，擴展不確定度為：

(Δ)=c(Δ)=3.1×10-3mA

換算到壓力單位：

3 性能驗證

3.1 比對試驗結果

根據JJF 1033-2008《計量標準考核規范》，采用比對法對本標準裝置的壓力測量不確定度進行能力驗證。選取一臺經上級計量檢定機構（準確度為0.01級）的壓力標準裝置檢定合格的壓力變送器，其測量范圍為(0~10 000) kPa，準確度等級為0.05級，依據其檢定證書，用本標準裝置對相同的壓力點進行測量，每點測量3次，取示值誤差作為測量結果，見表3。

表3 比對試驗數據匯總表

3.2 重復性試驗結果

在重復性條件下，用本標準器在3 000.00 kPa壓力點對一臺0.05級壓力變送器進行重復性測量10次，得到變送器輸出信號值，利用測量值的實驗標準偏差來表示計量標準的測量重復性。具體數據見表4。

表4 重復性試驗結果驗證

3.3 穩定性考核結果

在重復性條件下，用本標準器在3 000.00 kPa壓力點對一臺0.05級壓力變送器進行重復性測量10次，測量變送器輸出信號值，每隔1個月開展1組測量，共測量4組數據，取4組測量結果中最大值和最小值之差作為計量標準在這段時間內的穩定性，見表5。

穩定性考核結果為0.005%，小于計量標準的最大允許誤差的絕對值0.010%，穩定性符合要求。

表5 穩定性試驗數據匯總表

4 結 論

通過分析，0.01級氣體活塞式壓力計標準裝置擴展不確定度=1.9 kPa (=2)，可以在授權范圍內開展0.05級及以下數字壓力計、壓力變送器、精密壓力表的檢定/校準工作。同時，為確保標準裝置使用中的不確定度，需定期對各不確定度分量進行核查，若超出不確定度評定中使用指標需重新對不確定度進行評定，以保證標準裝置的量值傳遞的準確、可靠。

［1］JJF 1033-2008 計量標準考核規范[S].

［2］JJF 1059.1-2012 測量不確定度評定與表示[S].

［3］JJG 882-2004 壓力變送器檢定規程[S].

［4］蘇海燕. 0.05級數字壓力計標準裝置不確定度評定[J]. 計量與測試技術, 2017, 44 (04): 105-106.

［5］徐穎. 精密壓力表示值誤差的測量值的不確定度評定[J]. 計量與測試技術, 2017, 44 (12): 58-59.

［6］周建童. 0.05級數字壓力計標準裝置建標重復性、穩定性和不確定度評定[J]. 上海計量測試, 2019, 46 (06): 49-51.

［7］常青, 徐靜, 張麗艷. 二等活塞式壓力計標準裝置測量結果的不確定度評定[J]. 中國計量, 2009 (04): 92-94.

負責人：程昊 聯絡人：程昊

電話：84379332 傳真：84662365 E-mail：chh@dicp.ac.cn

學科領域：環保減排 項目階段：成熟產品

項目簡介及應用領域

針對焦爐煙氣特點，開發了整體涂層式低溫高效脫硝催化劑用于焦爐煙氣脫硝。本催化劑為一種涂層式蜂窩陶瓷狀寬溫SCR。

化工新材料：未來尼龍6、聚苯硫醚等產品產能繼續擴增，國內市場自給率進一步提升，部分產品達到90%以上。隨著技術和裝備的不斷成熟，PBT、高吸水性樹脂、低端超高分子量聚乙烯等產品產能快速擴張，市場競爭加劇。

脫硝催化劑，具有低溫活性好、處理能力大、抗毒能力強等特點。根據不同的煙氣條件，如溫度、灰含量、壓力、組成等特點，有針對性對孔節距、活性組成、催化劑排布方式等進行優化設計，能夠滿足多種應用場合，如焦化煙氣、玻璃窯爐煙氣、陶瓷窯爐煙氣以及硝酸尾氣等脫硝要求。該催化劑具有以下突出特點：

1.低溫脫硝活性高，200～250 ℃之間可達到90%以上脫硝率；

2.溫度窗口寬，在 180～450 ℃之間起作用；

3.對催化劑進行工程設計使得催化劑具有良好的低溫抗硫中毒能力，230 ℃時可在 SO2為300 mg·m-3的煙氣中長時間工作；

4.脫除精度高，可保證出口尾氣中NO濃度小于 20 mg·m-3；

5.操作空速大，處理能力強，反應空速在10 000～20 000 h-1，是傳統催化劑的 4～5 倍。可大大縮小反應器體積，減少占地面積，特別適用于空間緊張，對占地面積有嚴格要求的焦爐改造項目。

2015 年中國科學院大連化學物理研究所與江蘇愛爾沃特環保設備工程有限公司、江蘇沂州煤焦化有限公司三方聯合，采用該技術為江蘇沂州煤焦化有限公司3#焦爐進行煙氣脫硝治理，建設了脫硝工業示范裝置。該裝置于2015年11月17日開車成功后，一直穩定運行，反應器出口氮氧化物濃度小于100 mg·m-3，滿足焦化行業最嚴格的排放標準。在3#焦爐脫硝裝置成功運行的基礎上，江蘇沂州煤焦化有限公司繼續采用我所技術為其剩余3座焦爐進行脫硝改造。我所根據第一套示范裝置的運行數據，對催化劑及反應器進行了優化設計，在保證催化劑脫硝性能的前提下，系統阻力降大大降低，為企業節約了運行費用。截至2017年3月份，已有數家工程公司與我所簽訂催化劑購貨合同，我所為十幾套焦爐煙氣脫硝工程提供低溫脫硝催化劑及工藝包，催化劑累計供貨量已達300 m3，市場應用前景良好。

投資與收益

我國目前焦爐約有兩千余座，焦爐煙氣排煙溫度較低，約為230～280 ℃，傳統火電廠用脫硝催化劑不能滿足要求，市場對高效低溫脫硝催化劑需求旺盛。

合作方式：技術許可； 投資規模：大于 1 000 萬。

Uncertainty Evaluation, Repeatability and Stability of the Standard Device of 0.01-Level Gas Piston Manometer

1,2

（1. Shandong Natural Gas Pipeline Co., Ltd., Jinan Shandong 250000, China;2. Measurement Research Center of Sinopec Natural Gas Company, Wuhan Hubei 430079, China）

The composition, measurement principle and significance of the standard device of 0.01-level gas piston manometer were introduced, the influencing factors in the measurement process were analyzed, and the uncertainty components were evaluated, the synthetic uncertainty of the standard device was calculated, and the performance of the standard device was verified. The results showed that the extended uncertainty (of the standard device was 1.9kPa (=2), so it can be used for the calibration/calibration of digital pressure gauges, pressure transmitters and precision pressure gauges of grade 0.05 and below within the authorized scope.

Pressure standard device; Evaluation of uncertainty; Performance verification

TH812.4

A

1004-0935（2020）07-0823-03

2020-06-10

劉加濱(1986-)，男，工程師，山東省濰坊市人，2008年畢業于中國石油大學（華東）學校油氣儲運專業，研究方向：天然氣管道集輸管理。

鄒偉（1988-），男，工程師，研究方向：天然氣計量管理。