一般壓力表的測量不確定度評定
1 壓力表的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
一般壓力表是指以彈簧管為彈性元件敏感元件, 測量并指示高于環(huán)境壓力的儀表。在工業(yè)過程控制與技術(shù)測量過程中, 由于機械式壓力表的彈性敏感元件具有很高的機械強度以及生產(chǎn)方便等特性, 使得機械式壓力表得到越來越廣泛的應(yīng)用。精確度等級等于或低于1.0級的壓力表、真空表及壓力真空表統(tǒng)稱為一般壓力表。
壓力表基本結(jié)構(gòu)壓力表包括四大部件, 一是彈簧管;二是傳動放大機構(gòu), 包括扇形齒輪、中心齒輪同指針軸、游絲;三是指示裝置, 包括表盤和指針;四是包裝保護部件, 包括外殼、玻璃表盤、罩殼。
壓力表工作原理彈簧管遵循虎克定律, 即在彈性極限范圍內(nèi), 其彈性形變與壓力成線性關(guān)系。彈簧管在壓力或真空作用下, 產(chǎn)生彈性形變, 從而引起管端位移, 其位移通過機械傳動機構(gòu)進行放大, 傳遞給指針裝置, 再根據(jù)指針在刻有法定計量單位的分讀盤上顯示出被測壓力或真空量值。
2 一般壓力表的檢定、校準(zhǔn)要求
根據(jù)國家計量法的要求, 用于醫(yī)療衛(wèi)生、貿(mào)易結(jié)算、安全防護和環(huán)境監(jiān)測的壓力表應(yīng)實行強制檢定。用于其它方面的壓力表也應(yīng)依據(jù)檢定規(guī)程定期進行量值溯源。
目前, 國內(nèi)針對儀表壓力表的檢定及校準(zhǔn)依據(jù)為國家計量檢定規(guī)程“JJG 52-2013.彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程”, 規(guī)程上給出了一般壓力表的檢定項目及要求:
示值誤差:對每一檢定點, 在升壓 (或降壓) 和降壓 (或升壓) 檢定時, 輕敲表殼前、后的示值與標(biāo)準(zhǔn)器示值之差均應(yīng)符合表1。
回程誤差:在測量范圍內(nèi), 回程誤差應(yīng)不大于表1所規(guī)定的允許誤差絕對值。
輕敲位移:輕敲表殼后, 指針示值變動量應(yīng)不大于表1所規(guī)定的允許誤差絕對值的1/2。
指針偏移平穩(wěn)性:在測量范圍內(nèi), 指針偏轉(zhuǎn)應(yīng)平穩(wěn), 無跳動和卡住現(xiàn)象。
壓力表檢定、校準(zhǔn)的基本方法為采用標(biāo)準(zhǔn)器的示值與被檢壓力表的示值直接比較的方法, 壓力表示值檢定連接示意圖如圖1所示。
圖1 壓力表示值檢定連接示意圖 下載原圖
目前, 通常采用標(biāo)準(zhǔn)表法進行示值誤差的檢測, 即將一般壓力表和精密壓力表在各檢定點上比較, 逐點讀取儀表指示值。檢驗過程中的環(huán)境要求為:溫度 (20±5) ℃;相對濕度≤85%。
3 一般壓力表示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定
3.1 評定案例說明
檢定對象為一只量程為 (0～2.5) MPa、的1.6級一般壓力表。選用一只0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表作標(biāo)準(zhǔn)。過升壓和降壓循環(huán), 將一般壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力計在各校準(zhǔn)點上比較, 逐點讀取標(biāo)準(zhǔn)壓力計指示值。被測點的誤差由壓力表讀數(shù)和數(shù)字壓力表讀數(shù)之差確定。
3.2 數(shù)學(xué)模型
被檢表的示值誤差數(shù)學(xué)模型如式1所示:
式中:y——示值誤差;p1——標(biāo)準(zhǔn)壓力表在校準(zhǔn)點示值;p2——被測壓力表在校準(zhǔn)點示值。
靈敏系數(shù):
3.3 不確定度來源分析
分析一般壓力表示值誤差的測量過程, 其不確定度來源主要包括如下幾個:
1) 被檢壓力表重復(fù)測量引起的不確定度分量u1
2) 被檢壓力表估讀誤差的不確定度分量u2
3) 精密壓力表的準(zhǔn)確度引起的不確定度分量u3
4) 環(huán)境溫度引起的不確定度分量u4
5) 精密壓力表估讀誤差引起的不確定度分量u5
3.4 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
1) 被檢壓力表重復(fù)測量引起的不確定度分量u1 (該項來源為A類評定)
為了獲得重復(fù)性測量的不確定度, 我們選用一只0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表作標(biāo)準(zhǔn), 對一只 (0～2.5) MPa、1.6級一般壓力表 (分度值為0.05MPa) 的2MPa點進行10次重復(fù)測量。測得xi數(shù)值如表2。
表2 2MPa檢定點處的被檢表示值 (MPa) 下載原表
計算示值的算術(shù)平均值:
用貝塞爾公式求出標(biāo)準(zhǔn)偏差:
測量結(jié)果取單次讀數(shù), 故標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1=s=0.005MPa, 自由度υ1=n-1=9
2) 被檢壓力表估讀誤差的不確定度分量u2 (該項來源為B類評定)
按檢定規(guī)程要求, 在實際測量時, 壓力表的示值按1/5分度值估讀, 壓力表的分度值為0.05MPa, 其引入的不確定度半?yún)^(qū)間為0.01MPa, 服從均勻分布
不可靠程度估計為20%, 自由度
3) 精密壓力表的準(zhǔn)確度引起的不確定度分量u3 (該項采用B類評定)
0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表最大允許誤差為± (0.4%×2.5) =±0.1MPa, 即u3的不確定度區(qū)間的半寬值a=0.01 MPa, 認(rèn)為在區(qū)間內(nèi)誤差分布為均勻分布。
不可靠程度估計為10%, 故自由度
4) 環(huán)境溫度引起的不確定度分量u4 (該項采用B類評定)
工作壓力表的檢定溫度為 (20±5) ℃, 而精密壓力表的檢定溫度 (20±2) ℃, 因此在極限溫度進行工作壓力表的檢定時, 精密壓力表由此影響所產(chǎn)生的最大誤差為kt (t-20℃) p, 其中彈簧管的溫度系數(shù)kt=0.0004/℃, 滿量程p=2.5 MPa, 認(rèn)為誤差服從均勻分布。
不可靠程度估計為20%, 故自由度
5) 精密壓力表估讀誤差引起的不確定度分量u5 (該項采用B類評定)
在實際測量時, 精密壓力表的估讀誤差為分度值的1/10, 0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表其估讀誤差為0.002 MPa, 認(rèn)為誤差服從均勻分布。
不可靠程度估計為20%, 
3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定
因以上各項不確定度分量彼此獨立, 互不相關(guān), 則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的有效自由度
3.6 擴展不確定度確定
置信概率95%, 則當(dāng)υeff=50時, 查t分布臨界值表得k=2.01
因此擴展不確定度:U95=0.010×2.01=0.021MPa
3.7 測量不確定度報告
用0.4級 (0～2.5MPa) 精密壓力表測量1.6級 (0～2.5) MPa一般壓力表在2MPa檢定點
擴展不確定度:U95=0.021MPa k=2.01。
4 一般壓力表檢定過程中常見故障總結(jié)
表3 一般壓力表檢驗過程中的常見故障與解決方案 下載原表
在一般壓力表的檢定過程中, 可能會出現(xiàn)各種類型儀表故障, 有些是可以在檢驗過程中進行維修和處理的。常見故障及維修方法總結(jié)如表3所示。
在工藝現(xiàn)場壓力表的安裝、使用及維護情況同樣是保障其精度的重要條件, 表4給出了一般壓力的安裝、使用、維護要求及注意事項。
表4 一般壓力表的安裝、使用、維護事項 下載原表
5 結(jié)束語
本文重點給出了一般壓力表示值誤差測量不確定度的評定方法, 并介紹了一般壓力表的檢驗要求及常見故障的解決發(fā)法, 希望可以對一般壓力表的量值溯源過程起到一定的指導(dǎo)作用。
