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，結合測量數據計算出合成標準不確定度和擴展不確定度。根據參比實驗室及參考實驗室的能力驗證數據，計算En值。數據表明: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、石油化工及精密儀表工業中。為了確定本單位靜態壓力實驗室校準壓力變送器的能力，保證靜態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JJG882－2019《壓力變送器檢定規程》，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
　　JJG882－2019《壓力變送器檢定規程》。
1.2環境條件
　　溫度20.0℃，相對濕度63%。
1.3計量標準
　　智能數字壓力校驗儀(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)平穩升壓至量程上限6MPa處，保持壓力穩定30s，緩慢降至量程下限;(3)逐漸平穩升壓，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字壓力校驗儀電流檔的示值誤差和測量重復性。
(1)數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)實驗室環境:實驗室應具有規程規定的環境條件，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，與主標準器在該環境條件下穩定2h以上，以避免樣品溫度與實驗室環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字壓力計，由于數字壓力計的穩定性問題，除了對數字壓力計進行周期檢定外，還應定期對數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。