張賢
(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京100095)
測量審核是將一個性能穩(wěn)定且具有參考值的樣品寄送給實驗室,將實驗室校準結(jié)果與參考值進行比較,從而判斷該實驗室的校準結(jié)果是否為滿意結(jié)果,要想得到一個客觀準確的校準結(jié)果,實驗室的標準裝置性能是否良好,校準方法是否正確,影響量分析的是否全面,數(shù)據(jù)處理是否合理都會對校準結(jié)果產(chǎn)生影響,以下從幾個常見的壓力測量審核問題進行分析總結(jié),提出一些有針對性的解決方法。
選用活塞式壓力計作為標準器進行測量審核,有些實驗室的測量結(jié)果誤差呈線性趨勢變化,原因主要是專用砝碼存在以下幾個問題:
1)有的實驗室只送檢活塞,不對活塞的配套專用砝碼進行量值溯源。
2)有的實驗室雖然送檢專用砝碼,得到了實際的砝碼質(zhì)量值,但由于砝碼本身沒有調(diào)整腔 (一些國外活塞),上級計量機構(gòu)無法對砝碼質(zhì)量值進行調(diào)整,只出具了校準證書,申請實驗室沒有對校準證書確認是否滿足使用要求,誤認為計量沒有問題了。
3)有些實驗室使用雙活塞式壓力計,共有一套專用砝碼,專用砝碼質(zhì)量允差無法兼顧到兩個活塞,造成輸出值有問題。
4)沒有區(qū)分折算質(zhì)量和真空質(zhì)量,質(zhì)量專業(yè)按照砝碼檢定規(guī)程一般給出折算質(zhì)量。折算質(zhì)量的定義[1]:一物體在約定溫度和約定密度的空氣中,與一約定密度的標準器達到平衡,則標準器的質(zhì)量即為該物體的折算質(zhì)量。約定溫度tr為20℃,約定的空氣密度ρ0為1.2 kg/cm3,砝碼折算質(zhì)量的約定密度為 ρref為8000 kg/cm3;壓力專業(yè)按照活塞式壓力計檢定規(guī)程給出的是真空質(zhì)量,兩者之間存在差距,砝碼的真空質(zhì)量值與折算質(zhì)量值的換算關(guān)系為
假設(shè)空氣密度變化不大,均采用標準空氣密度ρ0,折算質(zhì)量值為1 kg,計算不同的砝碼材料真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量偏離值見表1。
表1 不同的砝碼材料真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量值偏離值
由以上數(shù)據(jù)可以看出,砝碼的折算質(zhì)量值,已不再是該砝碼的真空質(zhì)量值,兩者之間存在著一個偏離量值。偏離量值的大小,取決于該砝碼的實際密度與統(tǒng)一約定密度之間的差。差值越大,偏離量值也越大,在砝碼不是不銹鋼的情況下 (砝碼密度偏離8000 kg/m3越大),真空質(zhì)量值和折算質(zhì)量值的偏差越大,所以實際工作中一定要將折算質(zhì)量值換算為真空質(zhì)量值再進行比較才有意義。
針對以上4種問題,解決辦法如下:
1)活塞式壓力計作為標準時,專用砝碼作為主要設(shè)備必須溯源,有砝碼計量能力的單位可以自己計量,但要有證書。
2)砝碼計量后,將得到砝碼折算質(zhì)量值,通過公式換算為真空質(zhì)量值,將此值與活塞式壓力計證書里給出的砝碼真空質(zhì)量值進行比較,看是否在質(zhì)量允差內(nèi),要進行確認,不滿足要調(diào)整砝碼。我所對于計算值與實際值不一致的情況,一般活塞證書出具校準證書。
3)針對砝碼不可調(diào)整或雙活塞壓力計共用一套砝碼情況,首先要確認,如不滿足要求,應(yīng)采取措施:①利用計算軟件進行修正 (工作量比較大,且不易控制);②調(diào)整砝碼在允差內(nèi);③雙活塞時,最好另加工一套砝碼。
4)由計算公式將質(zhì)量專業(yè)給出的折算質(zhì)量值換算為真空質(zhì)量值,再與壓力專業(yè)給出的真空質(zhì)量值進行比較,由質(zhì)量差值調(diào)整砝碼或進行修正。
一些單位用數(shù)字壓力計做標準時采用的“反校法”,該方法在計量技術(shù)2002No2有一篇精密壓力儀表儀器半自動化檢定系統(tǒng)的文章中詳細介紹,即通過手動操作壓力校驗器,將被檢壓力表的指針固定在整數(shù)檢定點,這時讀取標準數(shù)字壓力計的示值,通過公式被檢表讀數(shù)=2×檢定點實際值-標準數(shù)字表讀數(shù)反算出被檢精密壓力表數(shù)值。這種檢定方法不符合JJG 49-2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程[2]中對檢定條件的要求,表2列舉了使用規(guī)程檢定方法和反校法檢定同一塊精密壓力表得到的對比數(shù)據(jù)。
表2 規(guī)程檢定方法和反校法檢定精密壓力表數(shù)據(jù)對比 MPa
由表2可以看出,兩種方法得到的數(shù)據(jù)有差異,經(jīng)過分析使用反校法存在以下問題:
1)讀取標準示值時,示值往往不穩(wěn)定,這是由于系統(tǒng)內(nèi)壓力沒有穩(wěn)定造成的,被檢指針表分辨力低,反映不出系統(tǒng)壓力實際情況,因此誤差將不可控。
2)數(shù)據(jù)處理即使采用反算法也不合適,數(shù)據(jù)是按標準的分辨力讀取的,不符合規(guī)程要求,另外不確定度分析時,引用標準的分辨力作為分量顯然也不合理。
在壓力測量審核中,無論使用氣體和液體,高度差對測量結(jié)果都有或大或小的影響。下面我們就分析一下如何考慮高度差問題。
1)氣注高度差的計算公式
根據(jù)氣體密度與壓力值之間呈正比關(guān)系,在絕壓測量模式表壓測量模式時,可分別用公式 (2)、公式(3)表示。
式中:ρ為氣體密度,kg/m3;p為壓力值,MPa。
假設(shè)高度差為5 cm,根據(jù)公式P=ρgh計算在表壓測量模式時不同的壓力點氣柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量見表3。其中:ρ為檢定時使用介質(zhì)的密度 (隨壓力變化的氣體密度值);g為檢定地點的重力加速度(北京為9.8015 m/s2)。
表3 表壓測量模式時不同壓力點氣柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量
由表3可以看出,壓力值小于1 MPa時,氣柱高度差的影響比較大,所以在校準準確度等級優(yōu)于0.05級的儀器時需要進行高度差的修正;壓力值大于1 MPa時,氣柱高度差的影響較小,此時可以不進行高度差修正。
2)液柱高度差
假設(shè)液柱高度差為5 cm,高度測量誤差為±0.5 cm,檢定使用介質(zhì)為癸二酸 (密度值916 kg/m3),計算在不同的壓力點液柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量見表4。
表4 不同壓力點液柱高度差產(chǎn)生的壓力誤差影響量
由表4可以看出,壓力值小于2 MPa時,即使對液柱高度差進行了修正,但由于高度差測量不準代入的影響量也是非常大的,所以建議檢定準確度等級優(yōu)于0.05級的儀器時,應(yīng)采用氣體作為工作介質(zhì),避免高度差對校準結(jié)果產(chǎn)生過大的影響;壓力值小于6 MPa時,應(yīng)考慮液柱高度差對測量結(jié)果帶來的影響。
測量審核中是以多次重復測量的平均值作為校準結(jié)果,如何對平均值進行數(shù)據(jù)修約,使其保留適當?shù)挠行?shù)據(jù),這點對評判結(jié)果很重要。例如一臺0.1級測量范圍為0~25 MPa的數(shù)字壓力計,在20 MPa點進行了6次重復測量,測量數(shù)據(jù)為 19.995,19.995,20.000,19.995,20.000,20.000 MPa,測量結(jié)果的擴展不確定度為0.0063 MPa,正確的平均值應(yīng)該修約為多少,有的認為多保留一位安全數(shù)字應(yīng)該是19.9975 MPa,其實測量結(jié)果的修約與不確定度有很大的關(guān)系,我們應(yīng)該根據(jù)不確定度對測量結(jié)果進行修約,修約原則[3]為:U的第一個有效數(shù)字為1,2時,U取兩位有效數(shù)字;第一位有效數(shù)字為3或3以上時,U只取一位有效數(shù)字,對舍棄數(shù)據(jù)按照1/3原則進行取舍;測量結(jié)果的修約區(qū)間應(yīng)等于U的修約區(qū)間。
根據(jù)修約原則0.0063的第一位有效數(shù)字大于3,所以U只保留1位數(shù)字,對第2位數(shù)字按照1/3原則進行修約,得到,再按照不確定度的修約區(qū)間對測量結(jié)果進行修約,得到
通過對以上問題的梳理和分析,提示我們在進行壓力測量審核工作中,一定要認真分析實際工作情況,消除類似砝碼質(zhì)量超差及高度差等影響因素,確保標準器量值傳遞正確,被檢器校準結(jié)果修正合理,只有這樣,最終才能得到客觀合理的能反映實驗室能力水平的結(jié)果。
[1]國防科工委科技與質(zhì)量司.力學計量 [M].北京:原子能出版社,2002.
[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 49-2013彈性元件式精密壓力表和真空表檢定規(guī)程.北京:中國質(zhì)檢出版社,2013.
[3]國防科工委科技與質(zhì)量司.計量技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京:原子能出版社,2002.