壓力變送器能力驗證過程分析及結果評價

摘要:本文介紹了實驗室參加CNAS組織的壓力變送器校準能力驗證活動情況，對本次能力驗證過程進行了分析。按照JJF1059.1－2012《測量不確定度的評定與表示》以及JJG882－2019《壓力變送器檢定規(guī)程》，對各校準點的各不確定度分量主要來源進行分析與評定，根據(jù)壓力變送器校準的測量模型對其合成不確定度進行評定，結合測量數(shù)據(jù)計算出合成標準不確定度和擴展不確定度。根據(jù)參比實驗室及參考實驗室的能力驗證數(shù)據(jù)，計算En值。數(shù)據(jù)表明:參比實驗室參加能力驗證結果為滿意。
0引言
　　壓力變送器作為壓力計量器具，被廣泛應用于航空航天、國防科技工業(yè)、石油化工及精密儀表工業(yè)中。為了確定本單位靜態(tài)壓力實驗室校準壓力變送器的能力，保證靜態(tài)壓力量值傳遞的正確性，我所參加了CNAS組織的壓力變送器校準能力驗證活動。通過參與本次能力驗證活動，客觀反映了本實驗室校準壓力變送器的能力，同時增加了客戶對本實驗室的信心。
1能力驗證過程概述
　　本次能力驗證要求參比實驗室依據(jù)JJG882－2019《壓力變送器檢定規(guī)程》，按照參比實驗室的校準和測量能力，對壓力變送器的正行程測量誤差進行校準。本次能力驗證的樣品信息及校準點如表1所示。

1.1測量依據(jù)
　　JJG882－2019《壓力變送器檢定規(guī)程》。
1.2環(huán)境條件
　　溫度20.0℃，相對濕度63%。
1.3計量標準
　　智能數(shù)字壓力校驗儀(具備壓力測量功能和電流測量功能，同時提供DC24V的電壓輸出)。壓力測量范圍:(0～6)MPa，精度等級:0.05級;電流測量范圍:(0～30)mA，最大允許誤差:±(0.02%ＲD+0.003%FS)。
1.4被測對象
　　壓力變送器，測量范圍:(0～6)MPa，輸出電流:(4～20)mA。
1.5測量過程
　　按照JJG882－2019，將樣品和標準器接到壓力泵上，然后按以下步驟進行:(1)將標準器和壓力變送器通電預熱30min;(2)平穩(wěn)升壓至量程上限6MPa處，保持壓力穩(wěn)定30s，緩慢降至量程下限;(3)逐漸平穩(wěn)升壓，從低壓到高壓逐點測量，在0MPa、2MPa、4MPa、6MPa壓力點分別記錄壓力變送器輸出的電流值，然后緩慢泄壓，以此方法重復測量6次。
2測量模型及測量不確定度分析
2.1測量模型

2.2標準不確定度評定
2.2.1輸入量P引入的標準不確定度u(P)
　　輸入量P引入的標準不確定度主要來源于標準器壓力的示值誤差，其最大允許誤差為:±0.05%FS，按均勻分布考慮，則:

2.2.2輸入量Id引入的標準不確定度u(Id)
　　輸入量Id引入的標準不確定度主要來源是數(shù)字壓力校驗儀電流檔的示值誤差和測量重復性。
(1)數(shù)字壓力校驗儀電流檔示值誤差引入的標準不確定度u(Id1)
數(shù)字壓力校驗儀電流檔最大允許誤差:
±(0.02%ＲD+0.003%FS)
按均勻分布考慮，則:
0MPa校準點:

(2)輸出電流測量重復性引入的標準不確定度u(Id2)
　　當輸入壓力為0MPa時，在重復性條件下，對正行程連續(xù)測量10次，得到一組測量值(單位:mA)為:
3.9988、3.9986、3.9986、3.9988、3.9986、
3.9984、3.9984、3.9986、3.9988、3.9984
則:I=3.9986mA

　　測量分辨力引入的標準不確定度分量為:0.29×0.0001mA=0.000029mA，小于由重復性引入的標準不確定度分量，故在此不考慮分辨力所引入的標準不確定度分量。)
以此方法，對2MPa點、4MPa點、6MPa點分別進行重復性測量，結果如表2所示。

2.3標準不確定度(見表3)

2.4合成標準不確定度uc(ΔI)

2.5擴展不確定度的評定
取包含因子k=2，則:
0MPa校準點:取U=0.010mA
U=k×ucΔ()I=2×0.00471=0.00942mA
2MPa校準點:取U=0.010mA
U=k×ucΔ()I=2×0.00488=0.00976mA
4MPa校準點:取U=0.011mA
U=k×ucΔ()I=2×0.00511=0.01022mA
6MPa校準點:取U=0.011mA
U=k×ucΔ()I=2×0.00541=0.01082mA
2.6測量不確定度的報告與表示
0MPa校準點:ΔI=－0.001mA，
U=0.010mA;k=2
2MPa校準點:ΔI=+0.006mA，
U=0.010mA;k=2
4MPa校準點:ΔI=+0.014mA，
U=0.011mA;k=2
6MPa校準點:ΔI=+0.023mA，
U=0.011mA;k=2
3能力驗證結果評價
3.1評價方法
對于實驗室提交的結果，按照下式計算En值:

式中:XLAB—參比實驗室的結果;
XＲEF—參考值;
ULAB—參比實驗室結果的測量不確定度;
UＲEF—參考值的測量不確定度;
ULAB和UＲEF的包含概率均為95%。
3.2評價準則
|En|≤1則參加實驗室結果為滿意;
|En|＞1則參加實驗室結果為不滿意。
3.3本次能力驗證結果評價
　　本次能力驗證本實驗室和參考實驗室測量結果和不確定度如表4所示。

　　由表4可以看出，本實驗室在0MPa、2MPa、4MPa、6MPa4個校準點計算出的En值均小于1，故本實驗室參加壓力變送器校準能力驗證結果為滿意。
4能力驗證中應注意的事項
壓力變送器能力驗證的過程，應注意以下三個方面:
(1)實驗室環(huán)境:實驗室應具有規(guī)程規(guī)定的環(huán)境條件，同時為使主標準器和樣品達到熱平衡，樣品到達后要提前放入實驗室，與主標準器在該環(huán)境條件下穩(wěn)定2h以上，以避免樣品溫度與實驗室環(huán)境溫度相差過大而影響校準結果。
(2)計量標準:本次能力驗證采用的主標準器為數(shù)字壓力計，由于數(shù)字壓力計的穩(wěn)定性問題，除了對數(shù)字壓力計進行周期檢定外，還應定期對數(shù)字壓力計進行期間核查，以保證標準器示值誤差在允差范圍內。
(3)傳壓介質:校準使用氣體介質時，氣體應清潔干燥;校準所使用介質為液體時，其運動粘度與酸值等關鍵指標應符合檢定規(guī)程要求，校準所用介質不能含有雜質，新添加的校準介質應放置一段時間后再行使用，以使介質溫度與室溫大體一致，避免介質溫度對校準結果的影響。