壓力變送器的不確定度分析

王彩輝 顧 凱

(1.新疆石油工程建設有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆石油勘察設計研究院(有限公司)，新疆 克拉瑪依 834000)

針對兩線制電動壓力變送器，結合實際使用和檢定進行不確定度分析，分別對壓力變送器、壓力標準器、直流電流表和壓力標準裝置進行推算和分析，明確壓力變送器在檢定和使用過程中產生測量誤差的部分主要影響因素，給出了保證測量準確度和量值有效可靠傳遞的關鍵技術要求，分析壓力變送器的量程選取對其實際使用產生的影響，壓力標準器最大允許誤差類型的區別對適用范圍的影響，以及直流電流表選取對檢定準確度產生的影響，并對壓力標準裝置標準器的配套合理性進行了分析。

1 量程的選取①

由此得出滿足設計規范的情況下，壓力變送器的量程可能相差一倍。

2 量程對實際使用的影響

假定有兩臺準確度同為0.2級，但是量程不同的壓力變送器(輸出電流4～20mA)，并且都能夠滿足實際工作壓力的需求，針對這樣的情況進行分析。

壓力變送器的最大允許誤差MPE=±0.2%FS，可見當兩臺變送器的準確度等級相同時，量程越大則最大允許誤差越大，即絕對誤差越大且量程越小則最大允許誤差越小，即絕對誤差越小。因此在選用壓力變送器量程時，應選擇正常操作壓力為量程的2/3，以提高壓力變送器的測量準確度。如果選擇正常操作壓力為量程的1/3，則絕對誤差增加一倍。

壓力變送器測量誤差ΔI的數學模型為：

式中I——輸出電流，mA；

Im——電流量程，mA；

Io——輸出電流起始值，mA；

p——輸入壓力值，Pa；

pm——輸入壓力量程，Pa。

控制系統的測量誤差ΔIk的數學模型為：

ΔIk=Ik-I

式中Ik——控制系統的指示值，mA；

ΔIk——控制系統的示值誤差，mA。

3 壓力標準器

壓力標準器有活塞式壓力計、液體壓力計、數字壓力計和標準壓力發生器。在此，將壓力標準器按照準確度等級的類型不同分為量程精度壓力標準器和讀數精度壓力標準器。由于讀數精度壓力標準器能滿足其輸出范圍內所有點的技術要求，所以不做分析。

以JJG 882-2004《壓力變送器檢定規程》中的附錄D為例，分析量程精度壓力標準器的適用范圍，附錄D中標準壓力發生器的輸出范圍0～3MPa，最大允許誤差±0.02%FS，即最大誤差不超過±0.6kPa(換算成電流為±0.003 2mA)。

首先從壓力計量器具檢定系統框圖JJG 2023-1989分析，壓力標準器的精度需滿足Δ=±5×10-4才能符合對壓力變送器的量值傳遞。則由公式MPE=±0.2%FS可得，當最大誤差為±0.6kPa時，壓力標準器的量程為1.2MPa，因此附錄D中標準壓力發生器的輸出范圍在1.2～3.0MPa時才能滿足壓力計量器具檢定系統框圖JJG 2023-1989。

通過上述分析可得量程精度壓力標準器不是所有輸出范圍的點都能滿足量值傳遞和規程的技術要求，具體情況需要具體分析，JJG 882-2004附錄D得出的結論是不完善也是不準確的。

4 直流電流表的技術要求和選取

參照JJG 882-2004中的表5標準器及配套設備直流電流表技術要求：量程0～30mA，準確度等級0.01～0.05級。該規程只對直流電流表的準確度等級和量程做了要求，并未對其顯示分辨力或顯示位數進行要求，從而有可能造成直流電流表的選擇不合理。

以JJG 882-2004的附錄D為例分析，直流電流表的最大允許誤差為±(0.02%讀數+1μA)，即示值誤差不超過±5μA。標準壓力發生器的最大允許誤差±0.02%FS，若壓力變送器的電流輸出能完全真實反映標準壓力發生器的壓力輸入，則標準壓力發生器的最大允許誤差對應的電流為±3.2μA，比直流電流表多一位示值。由此分析可得直流電流表的示值輸出位數不能完全真實反映標準壓力發生器的壓力輸入，從而引起測量準確度的下降，JJG 882-2004附錄D中直流電流表的選取欠妥。

5 壓力變送器標準裝置

參照JJG 882-2004中的標準器與配套設備直流電流表技術要求，給出表1內容。

表1 標準儀器與配套設備

壓力變送器首次檢定、后續檢定和使用中檢驗的檢定項目參照JJG 882-2004的表6，即表2。

表2 檢定項目

標準器配套合理性。對于首次檢定針對未被檢定過的測量儀器進行的檢定此處不做討論，后續檢定主要針對周期檢定和修理后檢定，現根據表1、2進行討論和分析。首先，外觀檢查符合JJG 882-2004的要求即可，不做討論。絕緣電阻的檢定與絕緣電阻表有關，只要所選的絕緣電阻表符合規程的技術要求即可，不存在配套合理性，不做分析。而測量誤差和回差的檢定，跟被檢壓力變送器、壓力標準器和直流電流表的規格和技術指標有關，不但要滿足JJG 882-2004的要求，還要考慮成套的各個標準器是否組合配套合理，即壓力標準器和直流電流表的配套合理性，若僅滿足JJG 882-2004的要求就會出現規程附錄D中的問題，大體上看過去推算和結果都沒有問題，但仔細分析卻發現壓力標準器由于量程精度不能對其全量限進行有效量傳，直流電流表也因顯示位數不夠直接降低了整個標準的測量準確度，欠妥欠合理。

壓力變送器準確度等級的確定一定要符合《石油化工自動化儀表選型設計規范》，此等級的選擇直接影響到檢定用壓力標準器的準確度等級選擇。壓力變送器量程的確定，要符合《石油化工自動化儀表選型設計規范》，其選擇直接影響到檢定用壓力標準器的量程選擇和壓力變送器實際使用過程中的測量誤差和靈敏度。壓力變送器電流輸出的位數，沒有相關的規定對其要求，但是要滿足現場測量精度的要求，就必定需確定其參數，該參數在檢定過程中直接影響了壓力標準器的輸出壓力情況的真實完整性，同時影響了直流電流表的選擇。

壓力標準器準確度等級的確定，首先要滿足壓力計量器具檢定系統框圖的要求，再則就是通過標準裝置整體的不確定分析滿足壓力變送器檢定規程JJG 882-2004的要求，參照以上所述進行考慮。壓力標準器量程的確定，根據被檢壓力變送器的量程選擇并符合壓力計量器具檢定系統框圖的要求即可。

直流電流表準確度等級的確定，首先滿足需表1中的技術要求，再則要符合標準裝置引入的擴展不確定度U95不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對值的1/4；對0.1級和0.05級的被檢壓力變送器，要符合標準裝置引入的擴展不確定度U95不超過被檢壓力變送器最大允許誤差絕對值的1/3。

直流電流表示值位數的確定，壓力變送器檢定規程中并未明確要求，但是要滿足直流電流表可以真實可靠地反映壓力變送器的電流輸出和壓力標準器的壓力輸入，就必須明確這項參數，從而確保標準裝置的測量準確度。

由上述分析得出，壓力標準裝置的配套不是簡單的整體引入不確定度符合規程要求就可以，還要根據被檢壓力變送器的參數，考慮到每個標準器是否適用，是否能真實完整地體現測量結果，是否有局限性或是普遍性。做到每個標準器符合規程技術要求并且適用，整體標準裝置符合規程要求且測量準確度較高。

6 結束語

筆者從壓力變送器量程對實際使用的影響、量程精度壓力標準器適用范圍、直流電流表的選取、壓力變送器標準裝置整體性能4個部分進行了分析和實例演算，分別得出了相對應的演算結果和推導結論：實際使用壓力變送器時在設計允許情況下量程越小性能越好；當壓力標準器的精度類型是量程誤差時其使用有范圍限制；直流電流表除滿足標準裝置整體性能外還要確保其能真實反映壓力輸入值；壓力標準裝置標準器的配套應從被檢定壓力變送器參數出發逐一確定標準器參數并能滿足單個和整體的要求。