礦用水位傳感器示值誤差的測量不確定度評定

晉城煤炭高新技術服務有限公司計量檢測站 山西 晉城 048000

0 引言

礦用水位傳感器廣泛應用于煤礦井下水倉以及其它需要測量水位的場所。礦用水位傳感器通常由差壓敏感元件、轉換器和輸出電路等構成，利用差壓敏感元件取得壓力信號，經智能處理后，由數碼管直接顯示水位值，同時通過信號線輸出相對應的電流或頻率信號。礦用水位傳感器計量準確度如何，與煤礦企業的安全保障息息相關。因此，對礦用水位傳感器的準確計量就顯得尤為重要。本文就礦用水位傳感器校準時示值誤差的測量不確定度進行了詳細的分析與評定。

1 測量方法

依據JJF(晉)37-2020《礦用水位傳感器》校準規范，在溫度為(20±5)℃，相對濕度≤75%的環境條件下，采用準確度等級0.05級，測量范圍為(0～250)kPa的數字式壓力計作為測量標準，采用測量范圍為(0～250)kPa的手動壓力泵作為壓力源，對準確度2.5級，測量范圍為(0～10)m的GUY10礦用水位傳感器進行測量。

測量過程：校準前用測量上限對應的1.5倍壓力值輸入礦用水位傳感器做1～2次升壓及密封性試驗，選取零點和測量上限的20%、40%、60%、90%5個點作為傳感器的校準點，然后由測量范圍下限到測量范圍上限讀取正行程各校準點的顯示值，當達到滿量程時，保持1min，而后逐步減至測量下限，并讀取反行程各校準點的顯示值。傳感器各校準點示值與標準值對應的水位值之差即為傳感器各校準點的示值誤差。

2 測量模型

2.1 測量模型

式中：△Li為傳感器各校準點的示值誤差，m；Li為傳感器各校準點的示值，m；ps為校準設備各校準點的標準值，Pa；ρ為水的密度，通常取1.0×103kg/m3；g為當地的重力加速度，m/s2。

2.2 靈敏度系數

3 標準不確定度分量的來源

1)輸入量Li的標準不確定度來源有兩個方面：傳感器的測量重復性引入的標準不確定度分量u1(Li)；傳感器的分辨力引入的標準不確定度分量u2(Li)。

2)輸入量ps的標準不確定度u(ps)。

3)輸入量ρ

引入的標準不確定度分量u(ρ)和輸入量g引入的標準不確定度分量u(g)都較小，因此這兩個分量可以不作考慮。

4 輸入量的標準不確定度評定

4.1 輸入量Li的標準不確定度u(Li)的評定

4.1.1 傳感器的測量重復性引入的標準不確定度分量u1(Li)，采用A類方法進行評定。重復性試驗條件下，分別在零點和測量上限的20%、40%、60%、90%5個校準點上各做10次重復測量，求出各點重復測量平均值為，示值誤差單次測得值的實驗標準偏差按式0.029進行計算，在實際測量過程中，測量結果為單次測量的示值，所以其標準不確定度分量為：u1(Li)=s。各校準點重復性試驗測量結果見表1。

表1 重復性試驗測量結果 單位：m

4.1.2 傳感器的分辨力引入的標準不確定度分量u2(Li)，采用B類方法進行評定。由傳感器說明書可知，儀器分辨力為0.01m，即區間半寬度為0.005m，假設為均勻分布，即k=，則u2(Li)=0.005/=0.003m。

一般在重復性引入的標準不確定度分量和分辨力引入的標準不確定度分量兩個中取其中一個較大者作為輸入量Li的標準不確定度，所以選取u1(Li)。

4.2 輸入量ps的標準不確定度u(ps)的評定 示值誤差測量時，ps的不確定度來源主要由數字式壓力計的最大允許誤差引入，采用B類方法進行評定。由數字式壓力計檢定證書可知，其準確度等級為0.05級，則數字式壓力計的最大允許誤差區間半寬度a=0.05%×滿量程=0.125 kPa，區間內誤差服從均勻分布，取包含因子k=，則其標準不確定度分量為：u(ps)

5 合成標準不確定度的評定

5.1 標準不確定度分量一覽表見表2

表2 標準不確定度分量一覽表

表3 合成標準不確定度一覽表 單位：m

6 擴展不確定度的評定

示值誤差測量時，取包含因子k=2，則擴展不確定度為：U =k×uc，各測量點擴展不確定度見表4。

表4 擴展不確定度一覽表 單位：m

7 測量不確定度報告

在零點校準點上：U =0.03m，k=2。

在測量上限的20%校準點上：U =0.05m，k=2。

在測量上限的40%校準點上：U=0.06m，k=2。

在測量上限的60%校準點上：U=0.07m，k=2。

在測量上限的90%校準點上：U=0.08m，k=2。

8 結束語

通過對礦用水位傳感器示值誤差的測量不確定度評定可以看出，對測量不確定度影響大的是測量重復性和測量標準裝置引入的不確定分量，而由傳感器的分辨力引入得不確定度分量很小可忽略不計，水的密度和當地的重力加速度引入的標準不確定度分量都較小，兩個分量可以不作考慮。這對計量技術服務機構開展礦用水位傳感器的校準工作具有重要的指導意義。