數(shù)字壓力表的校準(zhǔn)方法及精度分析

摘要：研究高精度數(shù)字壓力計在檢測普通數(shù)字壓力表過程中所采用的方法及其精度分析。審視現(xiàn)有校準(zhǔn)技術(shù)的限制與精度調(diào)控難題，提出通過多次反復(fù)測量與計算平均值，以及使用高精度數(shù)字壓力計作為計量標(biāo)準(zhǔn)等創(chuàng)新對策，構(gòu)建用于分析誤差的數(shù)學(xué)框架，同時對產(chǎn)生不確定度的各種因素進(jìn)行分析評定。通過精確的數(shù)據(jù)調(diào)整和效果評價，展現(xiàn)改良手段的效果，增強(qiáng)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度與連貫性，為工業(yè)制造和品質(zhì)管理提供數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)字壓力表；校準(zhǔn)；精度分析；不確定度評定；誤差模型

中圖分類號：U463.7+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.070

0引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)與質(zhì)量管理不斷進(jìn)步，數(shù)字壓力表的精確校準(zhǔn)變得愈發(fā)重要。作為一種高精度測量儀器，數(shù)字壓力表廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，但其校準(zhǔn)過程及準(zhǔn)確度仍面臨諸多挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)室在提供高標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)服務(wù)過程中，須嚴(yán)格遵循國家及行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求，并持續(xù)改進(jìn)流程，以提高校準(zhǔn)精度。本研究旨在分析數(shù)字壓力表校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的問題，建立誤差分析模型，全面考量不確定度來源，以提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度，并為相關(guān)學(xué)術(shù)研究及實(shí)用操作提供堅實(shí)的理論基礎(chǔ)與操作指南。

1數(shù)字壓力表校準(zhǔn)概述

1.1數(shù)字壓力表校準(zhǔn)的一般方法

在數(shù)字壓力表的校準(zhǔn)過程中，首先將待校準(zhǔn)的壓力表固定于校準(zhǔn)裝置上，該裝置包括壓力發(fā)生器（如液壓泵）、精確的校準(zhǔn)儀器、輸送管道和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。通過逐漸調(diào)整壓力發(fā)生器，壓力逐步增至預(yù)設(shè)值（如20 MPa），保持系統(tǒng)平衡。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，同時記錄標(biāo)準(zhǔn)壓力計（示值假定為20.000 MPa）和待校準(zhǔn)壓力表（示值假定為20.02 MPa）的讀數(shù)。計算這兩個值的差異，得出示值誤差（0.02 MPa）。重復(fù)測量以獲得精確和可靠的數(shù)據(jù)，并詳盡記錄每次測量的結(jié)果及相關(guān)環(huán)境條件，如溫度、濕度等。

1.2當(dāng)前的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程

目前，數(shù)字壓力表的校準(zhǔn)均須遵循國家檢定規(guī)程JJG 875—2019《數(shù)字壓力計》，以及CNAS認(rèn)證的相關(guān)規(guī)定文件。這些規(guī)程規(guī)范和指南為精確校準(zhǔn)設(shè)立系統(tǒng)化與標(biāo)準(zhǔn)化的參考，保障校準(zhǔn)作業(yè)的科學(xué)性與公平性。JJG 875—2019《數(shù)字壓力計》對數(shù)字壓力表的校準(zhǔn)方式、設(shè)備、程序及誤差評定作出詳盡規(guī)定。規(guī)定明確指出，壓力表需每年進(jìn)行一次檢定或校準(zhǔn)，檢定過程分為靜態(tài)與動態(tài)兩部分。靜態(tài)校準(zhǔn)要求壓力穩(wěn)定，動態(tài)校準(zhǔn)則關(guān)注壓力變動。

規(guī)程明確了壓力表的準(zhǔn)確度級別及其最大允許誤差，如0.2級數(shù)字壓力表的最大允許誤差為±0.2%。在具體實(shí)施過程中，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)工作必須嚴(yán)格遵循既定標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)規(guī)定。在執(zhí)行數(shù)字壓力表校準(zhǔn)作業(yè)時，實(shí)驗(yàn)室必須保證所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器準(zhǔn)確度超出待校準(zhǔn)表，常規(guī)選用0.05級高精度數(shù)字壓力計作為標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行校正時務(wù)必關(guān)注周邊狀況，尤其是溫度需保持在（20±5）℃，濕度維持在不大于75%RH，這樣可以有效降低環(huán)境變量對校準(zhǔn)結(jié)果的干擾。

2數(shù)字壓力表校準(zhǔn)過程中存在的問題

2.1校準(zhǔn)方法的局限性

在使用直接比較法對實(shí)驗(yàn)室中一臺精度為0.2級的數(shù)字壓力表（量程為0～60 MPa）進(jìn)行校準(zhǔn)時，環(huán)境溫度和濕度的變化可能導(dǎo)致其讀數(shù)波動達(dá)±0.12 MPa。雖然重復(fù)校準(zhǔn)可以提高數(shù)據(jù)的可靠性，但這樣會額外增加時間和成本。另外，使用0.05級精度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓力計作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)時，如果自身的穩(wěn)定性不符合年度規(guī)程要求，也會影響校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于需要進(jìn)行大規(guī)模校準(zhǔn)的大型企業(yè)來說，校準(zhǔn)效率是其首要考慮的一個因素。

2.2精度控制的難點(diǎn)

在校準(zhǔn)一臺0.2級數(shù)字壓力表時，使用的0.05級數(shù)字壓力計的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.015 MPa。由于介質(zhì)為油，儀器之間的高度差會導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)誤差，每增加1 cm高度差會產(chǎn)生約0.004 MPa的誤差，通常高度差不應(yīng)超過5 cm。

操作人員技術(shù)熟練度和對程序的遵守程度對精確校準(zhǔn)也是至關(guān)重要的。例如，操作人員未嚴(yán)格遵守程序，可能會在一次校準(zhǔn)活動中引入0.02 MPa的誤差。因此，要確保高精度校準(zhǔn)必須嚴(yán)格控制這些誤差來源，并采用標(biāo)準(zhǔn)化操作流程。校準(zhǔn)過程中導(dǎo)致誤差的因素有：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、測量重復(fù)性、高度差、人員誤差，它們的占比情況見圖1。

3改進(jìn)校準(zhǔn)流程的方法

3.1多次重復(fù)測量和數(shù)據(jù)平均化

在校準(zhǔn)數(shù)字壓力表時，進(jìn)行多次測量以減少偶然誤差是常見做法。例如，在20 MPa壓力點(diǎn)，測定10次讀數(shù)，結(jié)果包括20.02 MPa、20.01 MPa、20.03 MPa等，計算這些數(shù)據(jù)的平均值為20.020 MPa。使用數(shù)據(jù)處理工具（如Excel或LabVIEW）進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和分析，設(shè)置公式或通過編程自動計算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和誤差。這種方法不僅提升數(shù)據(jù)處理的速度，還增加測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

3.2采用高精度數(shù)字壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)器

在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用0.05級精度的數(shù)字壓力計作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)，以確保其精度高于被校準(zhǔn)的0.2級壓力表。

在校準(zhǔn)過程中，技術(shù)人員將兩種壓力表連接到同一壓力源上，逐步調(diào)節(jié)壓力至預(yù)定值。例如，在20 MPa的設(shè)定點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)儀器顯示為20.000 MPa，而待校準(zhǔn)壓力表讀數(shù)為20.02 MPa，從而計算出0.02 MPa的誤差值。這種方法提高了校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4精度分析方法的應(yīng)用

4.1誤差分析模型的建立

在中國計量科學(xué)研究院的數(shù)字壓力表校準(zhǔn)中，通過多次實(shí)驗(yàn)，在20 MPa校準(zhǔn)點(diǎn)得到示值誤差為0.02 MPa。誤差分析包括標(biāo)準(zhǔn)器誤差、被檢儀器誤差及操作技能。

4.2不確定度來源的全面評估

不確定度的來源主要涵蓋測量工具的精確度、儀器的連續(xù)測量一致性、環(huán)境因素以及操作人員的操作技能等。在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，必須嚴(yán)格依照J(rèn)JF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》對不確定度進(jìn)行準(zhǔn)確評定。

在一次校準(zhǔn)活動中，采用0.05級的數(shù)字壓力計標(biāo)準(zhǔn)器，其誤差范圍嚴(yán)格控制在±0.030 MPa以內(nèi)，對20 MPa的壓力點(diǎn)上，反復(fù)進(jìn)行10次壓力測量，得到的數(shù)值分別為20.02 MPa、20.01 MPa、20.02 MPa、20.02 MPa、20.01 MPa、20.02 MPa、20.03 MPa、20.02 MPa、20.02 MPa和20.03 MPa，經(jīng)過計算得出這些測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.007 MPa，對標(biāo)準(zhǔn)器和被檢儀器引入的不確定同樣需要進(jìn)行評定，技術(shù)人員的實(shí)際操作能力也可能會導(dǎo)致額外的測量不確定。

5數(shù)字壓力表校準(zhǔn)的案例展示

5.1具體校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和結(jié)果展示

在校準(zhǔn)壓力表時，選擇20 MPa、40 MPa和60 MPa作為關(guān)鍵標(biāo)定點(diǎn)。使用0.05級精度的數(shù)字壓力計，20 MPa點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)為20.000 MPa，被校準(zhǔn)表的10次測量平均值為20.020 MPa，示值誤差為0.02 MPa。40 MPa點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)為40.000 MPa，10次測量平均值為40.027 MPa，示值誤差為0.03 MPa。60 MPa點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)為60.000 MPa，10次測量平均值為60.045 MPa，示值誤差為0.05 MPa。這些數(shù)據(jù)通過精密測量獲得，確保校準(zhǔn)的精確性和可靠性。

5.2校準(zhǔn)精度的成效評估

在校準(zhǔn)壓力為20 MPa的情況下，儀器的示值誤差為0.02 MPa，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計，得出其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.007 MPa。將各種不確定性因素（如儀器誤差、重復(fù)性偏差、人員誤差等）綜合考慮，計算得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.015 MPa。置信因子k=2，其擴(kuò)展不確定度為0.03 MPa，僅占最大允許誤差的1/4。在40 MPa和60 MPa的校準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)上，分別計算出的示值誤差分別為0.03 MPa和0.05 MPa，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.006 MPa和0.005 MPa。采用評定方法，計算得出各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差，并據(jù)此估算出擴(kuò)展不確定度，結(jié)果顯示這兩個校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展不確定度約為0.03 MPa，僅占最大允許誤差的1/4。

6結(jié)束語

深入探討數(shù)字壓力表的精確校準(zhǔn)技術(shù)及其分析精度，揭示現(xiàn)行校準(zhǔn)手段的限制與精確控制難題。實(shí)施多次反復(fù)測定及數(shù)據(jù)平均化處理，并以高精度數(shù)字壓力表為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，通過誤差分析模型和不確定度評定，詳盡地揭示這些改進(jìn)手段的實(shí)際成效。

精確調(diào)整和效果評價數(shù)據(jù)均顯示，該方法有效提升校準(zhǔn)精準(zhǔn)度及測量結(jié)果的一致性。隨著校準(zhǔn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對校準(zhǔn)流程和精度分析方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，將有助于提高校準(zhǔn)與測量的能力，促進(jìn)校準(zhǔn)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和廣泛運(yùn)用。

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作者簡介

劉源，男，1986年出生，助理工程師，研究方向?yàn)橛嬃繖z測。

（編輯：李加鵬，收稿日期：2024-06-23）