压力变送器校准及不确定度评定浅析

摘要:压力变送器在不同测控领域中广泛应用，压力变送器在测量压力、流量、液位信号等方面需求突出，在实际的测量中为了保证压力变送器的测量准确性，需要研究校准的不确定度。文章对压力变送器工作原理进行介绍，分析测量方法，对校准结果进行不确定度的评定，并简要分析不确定度评定中一些被省略的不确定度分量。
压力变送器校准结果容易受到实验中诸多因素的影响，如温度、电压、电流、压力等因素，因此在实验校准中需要对这些因素进行不确定度评定。为了提升校准结果，需要明晰不确定度评定结果的影响因素，研究压力变送器的工作原理。因此，在本文中对压力变送器的工作原理进行分析，举例评定压力变送器的不确定度，并分析了不确定度评定中需要注意的问题。
1压力变送器的工作原理及校验准备条件
1.1工作原理
       压力变送器主要由3部分组成，分别是压力传感器、测量电路和过程连接件。其中传感器是其中的重要部分，基于传感器的特性，能接受到气体、液体等物理压力参数，并且在测量电路的转换下变为标准的电信号。最终将电信号传递给二次仪表进行测量、显示以及示数的调节。常见的压力变送器主要有电动和电气两大类组成，电动类的变送器，其标准化的输出信号为0~10V、4~20mA等。而气动的标准化输出信号则不同，主要以压力为主，气体压力为20~100kPa。
1.2压力变送器不确定度评定几点注意事项
       为了提升压力变送器校准精确度，便于结果评定，在压力变送器校准实验中需要注意很多问题。具体的事项如下:
(1)实验中所选择不同的压力计，其误差计算方式不同。当选用的是活塞式压力计，需要按照每一-校准点的相对误差进行计算。当选用的是数字压力计，则每一校准点允许误差需要按照引用误差来计算。在这2种不同的计算模式中，误差计算混淆的话，将会严重影响不确定度评定结果早。
(2)根据压力变送器参数计算相关校准点的标准信号输出值。当压力变送器的计算参数测量的范围为0~5MPa时，那么其输出范围为4~20mA，测量结果的准确度为0.2级，那么0、1、2、3、4、5MPa所对应标准信号输出值为4.000、7.200、10.400、13.600、16.800、20.000mA。
(3)测量时需要平滑升压降压，尽量避免压力值的过大波动，同时在每一个压力点的重复测量中，根据不确定评定要求，测量次数至少需要6次。
1.3校验设备和校验环境条件
       在压力变送器校准环节中，以JIG882-2004《压力变送器检定规程》为实验依据，采用专业的实验设备进行校准。本文主要的设备有智能数字压力校验仪，该设备在实际校验中的压力值最大误差为+0.05%FS，分辨率为0.001mA，最大的电流参数测量误差为士(0.02%RD+1μA)。接下来确定校验环境，不同的校验环境所出现的效果不同，在本实验中采用的是专业实验室标准化的校准条件。在环境条件因素中对于实验结果产生直接影响的就是温度和湿度，本次实验将相对温度控制在22℃，湿度控制为(50%+2%)RH。最后确定压力变送器样品等级，此次样品压力变送器量程为0~5MPa，输出范围为4~20mA，准确度为0.2级。
1.4测量方法
       具体实验中，选取0.02级的智能数字压力校验仪作为压力标准器，使用手动泵气源连接压力变送器和压力标准器，选择的校验点分别为0、1、2、3、4、5MPa。连接压力变送器电信号输出端子和电信号测量标准器。在每一个测点处记录所测量的电流数值，并且在完成测量之后，需要缓慢的升压或降压，按顺序进行下一次的测量。以此类推，按照这样的测量方式重复进行试验用。
2压力变送器不确定度评定
2.1数学模型的建立
       对压力变送器的校准结果的不确度进行评定，在记录试验数据之后，需要建立相应的数学模型，分析数据偏差以及数据与实验的关系。考虑到误差修正值，建立的模型如下:

       式中:Id为被测的压力变送器电流输出值,mA;δI为被测压力变送器电流输出修正值;Im为被测样品的电流输出量程;Pm为被测样品的输入量程;Pd为被测样品输入时标准器显示的压力值;δP为输入压力值的修正值;Po、I。为被测样品输出起始值。
输入压力对压力变送器输出误差灵敏系数为:

2.2输入量压力P的不确定度
       P的不确定度主要考虑标准压力发生器的不确.定度分量，标准压力发生器最大误差不超过±2.5kPa,按照均匀分布估计，则:

2.3输入量I的标准不确定度
       标准不确定度主要来源有直流电流表的示值误差和测量重复性。在4MPa对应的16.8mA.上直流电流表的示值误差为±3.36μA，按照均匀分布估计，则:

3其他可省略的不确定度分量的评定研究
      在压力变送器校准中涉及到很多的因素，在不同环境条件下，其不确定度评定的结果不同，.因此不同环境条件下的压力变送器校准不确定度评定需要具体分析。.
3.1电流读数分辨率引入的不确定度
电流读数分辨率为0.001mA，按照均匀分布估计，则:
u(1)=0.5/√3=0.29(μA)
       由于测量重复性误差在测量时已经包含了电流读数误差的因素，比较测量重复性误差不确定度分量和电流读数误差引起的不确定度分量,前者远大于后者，因此此项因素可省略。
3.2压力源波动所引入的不确定度
      压力源是在校验时必不可少的必须考虑的因素之一，以北京康斯特公司生产的某型号手动气压泵为例，压力源控制压力的泄漏范围不超过0.003%FS,假设在实际校验测定中,压力波动在校验中均匀分布,取包含因子k=2,则由泄漏量所引
入的不确定度为:upw=(0.003%×5MPa)/√3=0.08kPa,考虑到其分量与输入压力的不确定度分量数值相比较小，故省略。
3.3参考平面高度差所引入的不确度评定
       压力变送器在进行校准实验中,如果校验压力变送器使用活塞压力计对压力变送器进行校准，需要从参考平面高度差角度,分析在校准结果的不确定度评定。由于测量时活塞杆液面与被测压力变送器参考平面不可能一直在同一平面上,活塞杆会.有液面高度的随机误差。假设高度差误差属于均匀分布，则由此引发的不确定度具体的计算方式如下:
Uh=ρgΔh/√3
       本文不采用活塞压力计作为标准压力源，而是采用气压介质作为校准介质，并以数字压力校验仪作为标准器，避免高度差引入压力输入误差的不确定度分量，故省略。
3.4环境温度所引入的不确定度评定
      压力变送器校验中，传感器敏感度比较容易受到温度因素的影响，因此需要对环境温度所引入的不确定度进行评定。但是在实际测定中环境温度为22℃，并且基本没有变化，该温度在环境温度范围内，因此，由环境温度在校准中所引入的标准器示数变化不确定度分量可以忽略。

       估计其为正态分布，置信概率取95%，，包含因子可以查t分布得到K95=t95=1.98，则扩展不确定度为:
U95=k95uc(ΔI)=5.42(μA)
5结束语
       综上所述，本文对压力变送器的校准结果进行了不确定度评定。由标准器带来的合成标准不确定度ud(OI)为4.39μA，扩展不确定度Us为8.78μA，由于被检压力变送器的允许误差为32μA,规程要求输入设备引入的扩展不确定度不超过被校压力变送器允许误差的1/4，即8μA，因此此次选用计量标准器对压力变送器的校准符合规程的要求。
       在实际实验中标准不确定度来源主要有:输出电流、输入压力测量重复性、环境温度影响、读数分辨率、压力源波动等，在不同试验条件下，其不确定度评定的结果并不相同，需要分析各种因素下的压力变送器工作条件，才能取得较为准确的不确定度评定结果。