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压力变送器

压力变送器示值误差的测量不确定度数学模型分析

        对压力变送器测量结果的不确定度评定,是检测工作重要的组成部分。不确定度是与测量结果相联系的表征测量结果品质的合理地赋予被测量之值的分散性的一个参数或一组参数,需要我们准确地评定,本文就最常用的二线制压力变送器示值误差的测量结果的不确定度如何评定进行了较为实用的分析探讨。

 

  随着社会的进步、科技的发展、贸易的需要,要求检测需合理地考虑测量过程中各种因素对测量结果的影响,合理地表征测量品质的优劣,这就引入了反应测量品质的测量结果不确定度。它能反应测量结果的准确度或叫可疑程度,赋予被测量之值的分散性,因此使得测量结果从一个数值点变成了某一区间(例如:测量某一钢尺的长度时,得给出钢尺的长度为U95(10.0-0.2,10.0+0.2)cm,这表明被测钢尺的长度在9.8cm~10.2cm之间的概率为95%,这才是一完整的测量结果)。同时,通过对产生测量不确定度的各因素的分析,还能清晰地再现测量过程,以便以后的测量再现。一般地,要求我们的测量所用测量系统产生的合成不确定度不能超过被试产品规定误差限的四分之一,如果测量引入的合成不确定度超过了被测产品误差限的四分之一,那就得考虑我们的检测方法和检测手段或所用检测仪器设备的准确度等级是否满足要求。

 

  压力变送器( 包括差压变送器) 是一种将一定的压力变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表,且其输出信号(通常都是电信号)与压力变量之间有一给定的连续的函数关系(通常为线性函数)。在我们的工业过程测量和控制系统中有广泛的应用。所以我们检测实验室常常要对其性能进行检测评定。为了准确地评定压力变送器的性能,其示值误差的测量结果的不确定度需准确地评定。本文就如何评定示值误差(现在称作不精确度)这一测量结果的不确定度进行了详细分析。

 

  1 评定不确定度的方法

 

  评定不确定度,要做到全面准确,最重要的是要将影响测量结果的每一个因素都考虑到。因为每个分量或者每个因素都会对测量结果造成影响,但在实际工作中,由于我们的检测方法或者叫做检测手段往往会有或多或少的局限性,使得我们在评定不确定度时,只能“抓大放小”或者叫就近选取。在检测实验室,一般来说,用两种方法可以较为准确评定测量结果不确定度:一是重复测量用统计分析的方法来评定,习惯称为A 类评定;二是根据经验和信息用概率分析的方法来评定,习惯称为B 类评定。A 类评定又有四种评定方法:贝塞尔法(将重复测量得到的一组数据用贝赛尔公式计算所得)、极差法(将重复测量得到的一组数据中最大值与最小值的差除以极差系数所得为极差系数)

 

  最大残差法(重复测量得到的平均值与每次的测量值之差的最大值的绝对值除以残差系数所得为残差系数)、最大误差法(重复测量中的最大误差的绝对值除以误差系数所得为误差系数)。

 

  B 类评定主要是凭经验和一些信息对每一个不确定度分量进行分析,例如我们在整个检测过程中,一套完整的检测系统是由各个分系统组成,将每一个分系统一一分析合成就得到B 类不确定度。如果同时用了A 类评定和B 类评定,最后将A 类和B 类合并就是。

 

  2 示值误差的测量

 

  下面就通过测量压力变送器示值误差,来评定这一测量结果的不确定度。

 

  2.1 测量依据

 

  进行检测工作,首先要确定检测依据,也就是我们要按照什么标准或相应技术规范来对被检测评定对象进行检测评定,如果离开了相关的标准或技术规范,检测结果压力变送器示值误差不确定度的评定 赵富兰,等就会相差甚远,无法评定。对于压力变送器(包括差压变送器)的测试评定依据,若无特别规定,均依据国家标准GB/T17614.1-2008《工业过程控制系统用变送器第1部分:性能评定方法》相关条款,结合GB/T18271.1-2000《过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序第1 部分:总则》、GB/T18271.2-2000《过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序第2 部分:参比条件下的试验》、GB/T18271.3-2000《过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序第3部分:影响量影响的试验》、GB/T18271.4-2000《过程测量和控制装置通用性能评定方法和程序第4 部分:评定报告的内容》的试验方法进行。

 

  2.2 测量环境条件

 

  测量,都应在规定的环境条件下进行才有意义,因为随着环境的改变,测量结果也会相应的或大或小的改变,所以,测量工作一定要在规定的环境条件下进行。本例规定在标准参比大气下进行测试。环境温度:(20±2)℃,相对湿度:(65±5)%,大气压力:86~106)kPa。周围无电磁干扰。

 

  2.3 被测对象

 

  测量范围为(0~100)kPa、基本误差为0.075%的两线制压力变送器。其输出信号为(4~20)mA。

 

  2.4 测试方法及测试程序

 

  压力变送器示值误差的测试,按国家标准GB/T17614.1-2008《工业过程控制系统用变送器第1 部分:性能评定方法》的相关条款。用测量范围为(0~160)kPa的、准确度等级为0.005% 的数字压力控制器作压力变送器输入信号源、30V 可调直流恒流电源作供电电源、6 位半高性能数字万用表监测变送器的输出信号。测试前,正确安装连接好电、气线路,通电预热不少于30min 以使整个测试系统达到热稳定,然后连续对被测变送器预加测量上限(或下限)压力3 次或更多次。对压力变送器,应在测量范围内至少均匀或合理地选取6 个测试点( 包括范围下限值和范围上限值),连续进行3 次循环测试,测试数据见表1。

 

  3.测量中引入的不确定度分量

 

  先列出需要考虑的不确定度分量。本例中,被测对象是一标有基本误差为0.075%、测量范围为(0~100)kPa、输出电流范围为(4~20)mA 的二线制压力变送器,我们在变送器输出回路串接一只准确度等级为0.01级的250Ω标准电阻、用6 位半高性能数字电压表并接与该电阻两端监测变送器的输出信号并将(4~20)mA输出信号转换为(1~5)V 输出信号并重复测量了6 次,输入信号用准确度等级为0.005级、测量范围为(0~160)kPa的数字压力控制器。那么,测量引入主要的不确定度分量有:重复测量引入的A类不确定度(运用较多的是通过贝塞尔公式计算所得)。数字电压表和标准电阻引入输出电压不确定度分量、数字压力控制器引入的都可按B 类不确定度方法评定。其它例如电源、连接电线等也会引入不确定度,不过在检测实验室一般都可以忽略,因为这些分量不直接也不便估算。

 

  3.1 建立数学模型

 

式中:δ为变送器的基本误差值(mA);

 

  Ad为变送器的实际输出值(mA);

 

  A0为变送器的理论输出值(mA)。

 

  A0又可分解为:

 

式中:Am为变送器输出量程(mA);

 

  Pm为变送器输入量程(kPa);

 

  C0为A0的起始理论输出值(mA);

 

  P0为变送器的输入压力值(kPa)。

 

  3.2 各分量标准不确定度的分析计算

 

  本例中,被测对象是一标有基本误差为0.075%、测量范围为(0~100)kPa、输出电流范围为(4~20)mA的二线制压力变送器,我们在变送器输出回路串接一只准确度等级为0.01 级的250 Ω标准电阻、用6 位半高性能数字电压表并接与该电阻两端监测变送器的输出信号并将(4~20)mA输出信号转换为(1~5)V 输出信号,输入信号用准确度等级为0.005级、测量范围为(0~160)kPa的数字压力控制器。那么Am=16mA,Pm=100kPa,C0=4mA。现在可将原数学模型写为:

 

式中:Vm为变送器输出量程(V);

 

  Pm为变送器输入量程(kPa);

 

  C0为V0的起始理论输出值(V);

 

  P0为变送器的输入压力值(kPa)。

 

  3.3由变送器输出电压估算的不确定度分量u(V)

 

  由重复测量引入的不确定度分量u(V)11,即A 类不确定度对被检器作全范围6次测量,发现在20kPa点上误差最大,数据(见表1),用贝塞尔公式计算测量实验标准差s:

 

  由数字万用表电压估算的不确定度分量u(V)12,称B类不确定度由数字万用表的检定证书查得直流电压的不确定度为:

 

  由精密电阻估算的不确定度分量u(R),称B类不确定度根据精密电阻的检定证书可知其最大允许误差为250Ω×0.01%=0.025(Ω),误差分布为均匀分布,那么

 

  u(R)=0.025/√3=0.0144(Ω)

 

  由数字压力控制器估算的不确定度分量u(P),称B 类不确定度从检定证书中可知数字压力控制器在压力恒温室(20±5)℃下,其准确度等级为0.005 级,误差分布为均匀分布,那么

 

  u(P)=0.005/√3=0.0029(kPa)

 

  3.4 合成标准不确定度uc

 

  3.5 扩展不确定度

 

  需要指出的是:在检测实验室,习惯给出扩展不确定度,即人为将合成不确定度乘以一个称作包含因子的常数,且包含因子k 可以统一取2;可以不考虑自由度;合成时,可以不考虑相关性,即各分量均视为彼此独立。所以本例中

 

  总之,不确定度一般由许多分量组成,其中一些分量可以用测量列结果(观测值)的统计分布来进行估算;而另一些分量可以用其它方法( 根据经验或其它信息的假定概率分布) 来进行估算,在工作中要正确分析评定,主要是针对直接分量一定做到不遗漏、不重复就好了。

点击次数:  更新时间:2016-05-12  【打印此页】  【关闭
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