周四清 吳雙雙 曾 麟 宋 揚

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

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無線壓力數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)方法研究*

周四清 吳雙雙 曾 麟 宋 揚

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

根據(jù)無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的實際使用環(huán)境，搭建了采集儀校準(zhǔn)裝置，提出了壓力示值和溫度特性的校準(zhǔn)方法，解決了無線壓力數(shù)據(jù)采集儀量值溯源問題。試驗結(jié)果和不確定度評定結(jié)果表明，該方法滿足量值傳遞要求。

無線壓力；采集儀；壓力罐

0 引言

壓力滅菌器、高壓試驗機等都安裝有壓力監(jiān)測儀表[1]。由于密封性要求以及數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，拆卸后進行實驗室校準(zhǔn)較為不便，易影響壓力容器密封性，且與實際情況存在一定差異。隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，無線壓力數(shù)據(jù)采集儀已應(yīng)用于密閉容器內(nèi)壓力校準(zhǔn)[2]。無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的使用環(huán)境不同于常規(guī)壓力測量儀器，不具備壓力接頭，使用最高溫度通常超過100℃。目前無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的計量校準(zhǔn)均在常溫下進行。校準(zhǔn)環(huán)境條件與實際使用存在較大差異，特別是傳感器和測量電路通常具有一定的溫度系數(shù)，校準(zhǔn)結(jié)果無法直接用于其他溫度下的壓力測量驗證。本文就無線壓力數(shù)據(jù)采集儀在不同溫度下的壓力示值校準(zhǔn)方法進行了探討。

1 無線壓力數(shù)據(jù)采集儀工作原理

無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。壓力傳感器輸出電信號經(jīng)信號調(diào)理單元放大，由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入微處理器進行數(shù)據(jù)處理，通過RF模塊發(fā)射給接收終端或者將數(shù)據(jù)存入存儲器[3]。無線壓力數(shù)據(jù)采集儀通常先設(shè)置工作模式、采集間隔、啟停條件，然后置入壓力密閉容器，設(shè)備加壓，讀取無線壓力數(shù)據(jù)采集儀示值和采集時間。

圖1 無線壓力數(shù)據(jù)采集儀工作原理

2 無線壓力數(shù)據(jù)采集儀校準(zhǔn)方法

根據(jù)無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的主要用途，其關(guān)鍵計量性能有壓力示值、溫度特性。

2.1 校準(zhǔn)裝置

采集儀校準(zhǔn)采用比較法進行校準(zhǔn)。搭建的壓力示值校準(zhǔn)裝置如圖2所示，由壓力罐、數(shù)字壓力計、進氣閥、排氣閥、恒溫槽和溫度傳感器組成。使用裝置時將無線壓力數(shù)據(jù)采集儀置入壓力罐，將壓力罐蓋擰緊保證密封后，外部壓力氣源經(jīng)進氣閥給壓力罐加壓。數(shù)字壓力計作為標(biāo)準(zhǔn)器指示壓力罐的壓力實際值；恒溫槽為壓力罐提供一個溫度可調(diào)節(jié)的恒溫環(huán)境；溫度傳感器用來監(jiān)測恒溫槽內(nèi)溫度。

1.溫度傳感器；2.排氣閥；3.數(shù)字壓力計4.進氣閥；5.無線壓力數(shù)據(jù)采集儀；6.壓力罐；7.恒溫槽圖2 采集儀校準(zhǔn)裝置示意圖

2.2 壓力示值校準(zhǔn)

無線壓力數(shù)據(jù)采集儀的校準(zhǔn)過程為通過進氣閥控制壓力的大小，待壓力穩(wěn)定后讀取數(shù)字壓力計的示值，帶無線發(fā)射功能的采集儀讀取實時示值，只具備記錄功能采集儀記錄讀取標(biāo)準(zhǔn)器示值的時間，待校準(zhǔn)完成后取出采集儀按時間讀取采集儀該時刻的壓力測量值。選取采集儀壓力測量范圍內(nèi)的逐點進行校準(zhǔn)，按式(1)計算每個校準(zhǔn)點的示值誤差和回程誤差。

Δp=pR-pS

(1)

式中:Δp為采集儀示值誤差，kPa或MPa；pR為采集儀各校準(zhǔn)點正、反行程示值，kPa或MPa；pS為標(biāo)準(zhǔn)器各校準(zhǔn)點示值，kPa或MPa。

2.3 溫度特性校準(zhǔn)

采集儀使用溫度范圍較大，其在不同溫度下的壓力測量性能是校準(zhǔn)的要點。溫度特性就是在同一壓力測量條件下，不同溫度對采集儀壓力測量結(jié)果的影響。

利用外部氣源給壓力罐加壓至校準(zhǔn)壓力點，開啟恒溫槽給壓力罐恒溫，讀取溫度傳感器測的壓力罐內(nèi)部溫度。待壓力穩(wěn)定、壓力罐內(nèi)外溫度平衡后，讀取標(biāo)準(zhǔn)器和被檢采集儀示值。逐點提高恒溫槽的溫度，并通過排氣閥保持壓力罐壓力在校準(zhǔn)點附近。在采集儀工作溫度范圍內(nèi)逐點進行測量，壓力測量誤差按式(1)計算。

3 無線壓力數(shù)據(jù)采集儀壓力校準(zhǔn)不確定度

我們以一臺標(biāo)稱范圍為-100～400kPa，準(zhǔn)確度為0.4級的無線壓力數(shù)據(jù)采集儀為例，在80℃下200kPa壓力校準(zhǔn)點進行不確定度評定。

3.1 測量模型與靈敏系數(shù)

測量模型見式(1)，求偏導(dǎo)得出各項的靈敏系數(shù)：

(2)

3.2 測量不確定度來源

系統(tǒng)測量不確定度分為A類和B類不確定度，不確定度來源包括以下分量：

1)測量重復(fù)性引入的A類不確定度

該不確定度的主要來源如下：溫度引起的壓力波動和標(biāo)準(zhǔn)器短期不穩(wěn)定性均會影響采集儀測量結(jié)果的重復(fù)性[4，5]。

對被校采集儀在80℃，200kPa的測量點上進行多次測量，測得值：200.7，200.8，200.7，200.6，200.9，200.7，200.8，200.7，200.9，200.7kPa。

按式(3)計算單次實驗標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u(pR)=0.10kPa

(4)

2)標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)字壓力計引入的不確定度

(5)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

由于不確定度分量獨立不相關(guān)，則合成不確定度為：

(6)

3.4 擴展不確定度

取置信概率為95%，k=2，則擴展不確定度為：

U95=0.26kPa

(7)

被檢采集儀在200kPa的最大允許誤差為±2 kPa，校準(zhǔn)不確定度小于被檢采集儀最大允許誤差1/3,滿足校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

目前市場上的無線壓力數(shù)據(jù)采集儀準(zhǔn)確度等級為0.4級，不確定度評定符合量值傳遞要求。選取了國外2個廠家的無線壓力數(shù)據(jù)采集儀進行了試驗，試驗結(jié)果與出廠檢測結(jié)果相符，表明校準(zhǔn)方法科學(xué)可行，滿足無線壓力記錄儀量值傳遞的需求。

[1] 林宏杰,張凡波,孟亮.基于數(shù)字壓力計的氣密性檢漏儀研究[J].計量技術(shù),2013(10):37-38

[2] 姬生福.基于無線通信的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].青島科技大學(xué),2012

[3] 劉洪剛.壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)與試驗研究[D].北京化工大學(xué),2013

[4] 常萱.檢定數(shù)字壓力計影響測量結(jié)果因素的探討[J].計量技術(shù),2014(2)

[5] 倪育才.實用測量不確定度評定.第3版.北京：中國計量出版社，2010

湖南省科技計劃項目(2013SK3291);湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目(2014KYJH25)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.15