溫度對壓力變送器計量數據可靠性的影響

于賀君

唐山市計量測試所 河北唐山 063000

伴隨油田智能化和數字化轉型的快速發展，智能計量設備已大范圍應用于油氣生產現場，并具有數據采集、傳輸、控制、報警、監控等能力。要想確保測量數據的準確性和可靠性，就應根據國家驗證法規或校準方法的要求對計量設備進行定期檢查。然而，由于生產系統的連續運行而無法拆卸的計量設備、計量設備的連接部件由于腐蝕而難以拆卸、在運輸和安裝過程中容易損壞計量設備、在檢查期間需要許多備用儀表等問題，使得無法按計劃進行檢測，也有可能導致檢測延遲，并且無法確保計量數據的準確性和可靠性。

1 溫度對標準器的影響

JJG 882-2004《壓力變送器》驗證規則規定：在現場條件中，在了解了標準器和配套設備引進的擴大不確定度U95 在不越過被檢壓力變送器公差絕對值的1/3 ～1/4 情況下才可以進行現場檢查。在檢測之前需要這樣做，以對標準器能不能符合檢測要求進行評估或測量不確定度探討時，評估標準器輸入的B 型測量不確定度。

例如，用作標準器的智能數字壓力校準器的測量范圍為0-0.5 MPa，精度等級為0.05，最大公差為±0.001 25 MPa；輸出電流為-30 至30 mA，最大公差為±O.02%讀數、1μA；溫度補償范圍：-10 至50°C。被測壓力變送器的量程為0-2.5MPa，精度等級為0.5。

成立數學模型：

其中：△Ⅰ是壓力變送器的輸出誤差，mA；I 是壓力變送器的輸出電流，mA；，Im 是壓力變送器的輸出范圍，mA；P 是壓力變送器輸入壓力值，MPa；Pm 是壓力變送器輸入范圍，MPa；Ⅰ0 是壓力變送器的初始輸出值，mA。

輸入壓力對壓力變送器輸出誤差的敏感系數為：

輸出電流對變送器輸出誤差的敏感系數為：

1.1 評估輸入量P 的標準不確定度

P 的標準不確定度一般是來自智能數字壓力校準器。在此范圍內的最大允許誤差不超過±0.001 25 MPa。

根據均勻分布估算，則：

（2）環境溫度不確定度。溫度改變會在兩個點影響輸出：一個是零漂移，另一個是滿量程輸出。當環境溫度超過指定的5℃時，溫度產生的誤差為：

根據均勻分布估算，則：

u（P1）和υu（P2)的相對標準不確定度估計為95%，自由度為υ=200

因為u(P1)和u(P2)相互獨立，所以：

有效自由度為：

1.2 評估輸入量Ⅰ的標準不確定度

Ⅰ中標準不確定度的一般來源是輸出直流電流的示值誤差。

輸出直流電流示值誤差不超過±5μA.根據均勻分布估算：

u（Ⅰ）的相對標準不確定度估計為95%，然后是自由度u21=200

上面列出的不確定度分量如表1 所示。其中：i 是不確定度來源序列號；Xi 是不確定度來源；ai 是Xi 誤差分散區間半寬或誤差限；ki 是包含元素；[u（Xi）]作為標準不確定度。

表1 不確定度分量

1.3 評估合成標準中的不確定度

由于u（P）和u（Ⅰ）彼此獨立，所以合成標準不確定度Uc（Δ Ⅰ）和有效自由度V eff 為：

因為標準器導致的合成標準不確定度Uc（Δ Ⅰ）是5.44μA.合成標準不確定度Uc（Δ Ⅰ）靠近正態分布，因此能夠查t 分布得出k95=1.96。所以標準時由標準器引入的擴展不確定度為：

被檢壓力變送器的公差為80μA。該規范要求校準用校準和配套設備在校準中帶來的擴展不確定度U95 應不超越被校準的壓力變送器的公差絕對值的1/4，即20μA，所以，用于此評估的標準器選擇滿足規范要求。一旦選擇的標準器不符合要求，則測量結果的不確定度將會大大增加。

2 溫度對被檢壓力變送器的影響

需要進行大量測試和分析，以說明環境溫度變化對被測壓力變送器的影響。

（1）選擇測試的環境溫度。環境溫度要在制造商規定的溫度范圍內進行測量。通常，參閱說明手冊；如果沒有指定溫度值，就根據氣候情況參數和類別，選擇溫度限制范圍。考慮到每個油氣田所在區域的溫度條件，消除惡劣的環境條件，在-20-50°C 的溫度范圍內進行測試。

（2）選擇測試方法。測試方法一般按照GB/T18271.3-2017“5 環境溫度影響”進行測試。使用公差為±2°C，環境溫度變化程度小于1℃/min 的高、低溫試驗箱溫度。試驗基準壓力值是根據規定值，通常根據該范圍均勻選擇5 至6 個試驗點。將壓力變送器放置在高溫、低溫測試箱中，將溫度以10°C 的間隔逐漸升高（降低）到溫度范圍的上限（下限），穩定3 小時或更長時間后，驗證溫度效應。

對于參與測試的26 個壓力變送器，各自讀取測試數據。依據測試數據計算各種溫度下的壓力讀數，選擇一些典型數據作為匯總。測試表明壓力變送器典型的三個結果是：

除20°C 合格外，其他溫度點均未合格。例如序號1 的壓力變送器。這些問題的主要原因是溫度補償裝置的問題。傳感器是由金屬和半導體材料制成的敏感元件，其靜態特性與溫度密切相關，可以采用合適的補償方法來補償傳感器的附加溫度誤差并增加測量精度。如果在現場測試期間無法控制現場溫度，建議將發生故障的測試壓力變送器發送到實驗室進行進一步測試。

（2）通過所有溫度全部合格，如序列號2 壓力變送器。這種壓力變送器具有穩定可靠的性能，是測量系統最期待的情況。

（3）在-20°C 的溫度下不合格，在其他點合格的壓力變送器，例如序列號4；-10°C、-20℃都不合格的壓力變送器，其余序列號壓力變送器合格，例如3 號壓力變送器。

3 如何減少溫度對檢測結果的影響

（1）標準器出廠時具有溫度補償值，在規定值里，溫度的影響就很小，基本可以符合要求。如果溫度發生顯著變化，則標準器就對測量結果產生重大影響。解決方案如下：①應該選擇更高準確度的標準器，以減少B 型不確定度評估中引進的不確定度分量；②在每個檢測點的檢測結果中給出測量誤差。

（2）注意溫度對被測壓力變送器的三種影響中的第三種。從表2 中可以看出，-10°C 和-20°C 下的顯示值是差點達到壓力上限。從表3 能夠看出，下限溫度系數和范圍溫度系數可以減輕環境溫度變化的影響。也就是說，如果顯示值僅在零位置和滿量程時超出可接受的范圍，則可以根據每10°C 給出的松弛量來確定壓力變送器是否滿足要求。因此，超出公差范圍的五個壓力變送器的最大指示誤差在環境溫度影響的公差范圍內，并且現場壓力變送器應用時的壓力點通常為該范圍的1/3 至2/3，可以確定這種壓力變送器在現場仍可使用，并且對測量數據的可靠性影響很小。

表2 環境溫度變化影響量

4 結語

通過分析標準器和被檢壓力變送器的溫度影響，將在0-40°C的環境溫度下并按照法規規定的15-25℃的驗證程序進行現場檢查。在超過15-25°C 時，壓力變送器的零位和滿量程的最大容差被放寬，表明測量結果的不確定度。以此確定現場壓力變送器的性能能否符合生產需求，增加計量數據的可靠性。