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压力变送器

压力变送器的检定及测量不确定度分析

压力变送器的检定及测量不确定度分析,压力变送器是一种将压力变量转换为可传递的标准化输出信号仪表,而且其输出信号与压力变量之间有一给定的连续函数关系( 通常为线性函数) 。随着科学技术的发展,工业测控技术要求及自动化水平的提高,而迅速发展起来的新型压力测量仪器,在油田、电厂及冶金等行业中有越来越多的使用。用压力变送器来测量压力、差压、流量和液位信号,具有其它直读式压力表无法比拟的优越性: 可远距离传输信号、智能化程度高及调整方便等。为确保压力变送器测量准确,结果可靠,保证生产安全稳定运行,必须对其进行检定,对测量不确定度进行分析.

                                                                

  1 类型和原理

  压力变送器有电动和气动两大类: 电动的标准化输出信号主要为 3 ~10mA 和 4 ~20mA( 或 1~ 5V) 的直流电信号; 气动的标准化输出信号主要为 20 ~ 100kPa 的气体压力。不排除具有特殊规定的其他标准化输出信号。

  压力变送器通常由感压单元、信号处理和转换单元组成。有些变送器增加了显示单元,有些还具有现场总线功能。压力变送器的结构原理图如图 1 所示。

  压力变送器按原理可分为电容式、谐振式、压阻式、力( 力矩) 平衡式、电感式和应变式等。

  2 不确定度检定

       依据标准[1,2]在 21℃( 温度波动不大于 1℃ /10min) ,相对湿度 50% 的环境下对 3051 压力变送器( 测量范围 0 ~4MPa,准确度等级 0. 5 级) 进行检定。

  2. 1 检定设备

  CST2002 智能数字压力校验仪,其技术指标为:

    a. 使用温度 0 ~ 50℃ ,相对湿度小于 99%( 非凝露) ,气压 86 ~106kPa;

  b. 压力量程 - 100kPa ~ 100MPa 内 28 种智能压力模块任选,特殊量程( 如 100MPa 以上、2kPa 以下以及绝压等) 双方商定制作,最大允许误差 0. 05%( 折算电流为 0. 008mA) ;

  c. 电流量程 0 ~ 25mA,电压量程 0 ~ 25V,最大允许误差为 ± ( 0. 02%读数 +0. 003%量程) ;

  d. 内部电磁充电时间为 8h,放电时间 10h,若仪表内 24V 电源给变送器供电,则为 7 ~8h;

  e. 电源输出为 DC24V,± 5% ,电流输出50mA;

  f. 检定 0 ~ 4MPa 3051 压力变送器选择的是4MPa 的模块。

  2. 2 测量方法

  3051 压力变送器是输出为 4 ~ 20mA 直流信号的两线制变送器,压力变送器的检定框如图 2所示。

  标准压力由两用检验器产生,压力变送器输出直流信号由 CST2002 智能数字压力校验仪显示、记录,压力变送器所需 24V 直流电压也是由CST2002 智能数字压力校验仪供给。检定时,从下限压力值开始平稳地输入压力信号到各个检定点,读取并记录变送器的输出值至上限压力值,然后反方向改变压力信号到各检定点,读取并记录输出值至下限压力值,一般应连续进行 3 次循环检定,取 3 次循环检定结果的算术平均值,作为各检定点实际输出电流值。

    3 数学模型

  压力变送器输出电流误差的数学模型为:

  ΔI = Id- IT                                                 ( 1)

  式中 ΔI ———变送器各检定点的基本误差值,mA;

  Id———变送器检定点的实际输出电流值,mA;

  IT———变送器检定点的理论输出电流值,mA。

  而理论输出电流值为:

  4 标准不确定度评定

  4. 1 实际输出电流 Id

  引起的标准不确定度 u( Id) 的评定Id

  的标准不确定度来源主要来自数字电流表

  的最大允许误差,测量重复性误差和环境温度影响。

  4. 1. 1 数字电流表最大允许误差引起的标准不确定度分量 u1( Id) 的评定

  本次评定中,记录输出电流仪表是 CST2002内部数字万用表,其最大允许误差为 ± ( 0. 02%读数 +0. 003% 量程) ,按 B 类不确定度方法评定,均匀分布,半宽 a =0. 004 75mA,含包因子 ,故数字电流表最大允许误差造成的标准不确定度为:

  4. 1. 2 多次测量重复性引起的标准不确定度u2( Id) 的评定

  对压力变送器进行 3 个循环的测量,在输入相同的压力下,输出电流值不尽相同,取算术平均值作为测量结果,则 u2( Id) 用 A 类不确定度方法评定,本例测量结果的数据见表 1。

  在 5 个检定点上,实验标准偏差 S( Id) 可按贝塞尔公式计算:

        4. 1. 3 检定环境温度引入的标准不确定度u3( Id) 的评定

  本次评定中温度控制在 21℃ ,因检定规程中规定环境温度为 20 ± 5℃ ,检定环境温度引起的标准不确定度可以忽略不计,检定环境温度引入的标准不确定度 u3( Id) =0。

  4. 1. 4 实际输出电流的标准不确定度 u( Id) 计算u( Id) 的各分量 u1( Id) 、u2( Id) 和 u3( Id) 互不相关,故其为:

  4. 2 压力变送器输入压力值 p 的标准不确定度u( p) 的评定

  压力值p 的标准不确定度主要来自压力显示器的最大允许误差,调压重复性误差和环境温度影响。

       4. 2. 1 压力显示器最大允许误差引起的标准不确定度分量 u1( p) 的评定

       本次评定中记录输入电压是由 CST2002 的 0~ 4MPa 模块把压力传输到 CST2002 内部的压力显示器,其最大允许误差为 ± 0. 05%,按 B 类不确定度方法评定,均匀分布,半宽 a = 0. 002MPa,含包因子 ,故压力显示器最大允许误差造成的标准不确定度为:

  4. 2. 2 多次调压重复性引起的标准不确定度u2( p) 的评定

  对压力变送器进行 3 个循环的调压,在输入相同电压时也存在一定的误差,取算术平均值作为测量结果,则 u2( p) 用 A 类不确定度方法评定,本例测量结果的数据见表 2。

  由贝塞尔公式,取 n =6 计算得 S( p) 的值分别为 0. 000 12、0. 000 09、0. 000 18、0. 000 11、0. 000 17MPa。取其中的最大值作为单次测量的实验标准偏差,6 个测量值的平均值的标准偏差:

  4. 2. 3 检定环境温度引入的标准不确定度u3( p) 的评定

  本次评定中温度控制在 21℃ ,因检定规程中 规定环境温度为 20 ± 5℃ ,检定环境温度引起的标准不确定度可以忽略不计,检定环境温度引入的标准不确定度 u3( p) =0。

  4. 2. 4 实际输出压力的标准不确定度 u( p) 计算u( p) 的各分量 u1( p) 、u2( p) 和 u3( p) 互不相关,故其为:

  5 合成标准不确定度评定

  综合上述分析,标准不确定度各分量见表 3。

  6 扩展不确定度的评定

  取置信概率 P =95%,对照 t 分布 t95( veff) =1. 99,所以扩展不确定度为:U95= 1. 99 × 0. 0056 = 0. 0111mA

       7 测量不确定度报告

  3051 压力变送器在 p = 3MPa、4MPa 两检定点处,示值基本误差检定结果的扩展不确定度为U95= 0. 0111,P = 95% ,veff= 82。

  压力变送器校准规范规定压力变送器的最大允许误差是 ± 0. 08mA,在使用 CST2002 进行压力变送器校准时,如果示值误差或回程误差在 - 0. 011 1 ~ - 0. 008 0 mA 之 间 或  0 . 00 8 ~ 0 . 011 1 mA 之间时,应考虑 CST2002进行校准时的测量不确定度,并在校准报告中进行说明。以上对CST2002 校准压力变送器测量不确定度的分析,有助于对测量结果准确的把握,从而进一步提高测量的准确度,为计量工作质量打下坚实的基础。

点击次数:  更新时间:2017-03-01  【打印此页】  【关闭
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