寇瓊月 周建童 周 睿

(1.中國(guó)人民解放軍92228 部隊(duì),北京 100072;2.中國(guó)人民解放軍91656 部隊(duì),上海 200439)

1 引言

安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)通過遠(yuǎn)端壓力變送器測(cè)量被測(cè)對(duì)象壓力信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成直流電流,經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化單元A／D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),傳輸給控制單元集控臺(tái),將電流信號(hào)換算成對(duì)應(yīng)的壓力量值顯示在集控臺(tái),為集控中心操控人員執(zhí)行不同的控制命令提供判定依據(jù)?；趬毫ψ兯推鳜F(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)量、信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸和換算顯示及控制,建立的壓力在線測(cè)量系統(tǒng)常應(yīng)用于船舶、燃?xì)廨斔偷裙I(yè)過程控制及安監(jiān)系統(tǒng)中,以某安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)為研究對(duì)象,探討安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定方法。

2 安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法

2.1 安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)傳遞途徑

安監(jiān)系統(tǒng)由測(cè)量單元、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元和控制單元組成,其壓力參數(shù)傳遞過程如圖1 所示。安監(jiān)系統(tǒng)通過測(cè)量單元（壓力變送器）將被測(cè)壓力值轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA 的直流電流,傳輸給信號(hào)轉(zhuǎn)化單元（A／D 轉(zhuǎn)換板）,A／D 轉(zhuǎn)換板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳輸給控制單元（集控臺(tái)）,集控臺(tái)中的軟件將數(shù)字信號(hào)換算成對(duì)應(yīng)的壓力量值,顯示在集控臺(tái)屏幕中。同時(shí),集控臺(tái)根據(jù)所采集的壓力值對(duì)其他系統(tǒng)（加壓、調(diào)壓系統(tǒng)等）發(fā)出相應(yīng)的操作指令。因此,在進(jìn)行安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)校準(zhǔn)時(shí),輸入端為壓力變送器,終端為集控臺(tái)輸出的壓力參數(shù)示值（以下簡(jiǎn)稱集控臺(tái)壓力示值）,是對(duì)整個(gè)安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)[1],以確保在遠(yuǎn)端輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力值時(shí),集控臺(tái)壓力示值在要求的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)。

圖1 安監(jiān)系統(tǒng)的壓力參數(shù)傳遞示意圖Fig.1 Pressure parameter transfer diagram of security monitoring system

2.2 安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)校準(zhǔn)方法

安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)的測(cè)量連接如圖2 所示,將數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置標(biāo)準(zhǔn)壓力輸出接口與安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)校準(zhǔn)入口（壓力變送器接口）相連,壓力變送器電流輸出連接到數(shù)字壓力校準(zhǔn)裝置電流測(cè)量端,壓力變送器、A／D 轉(zhuǎn)換板和集控臺(tái)通過傳輸線相連。

圖2 安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)測(cè)量連接圖Fig.2 Pressure parameter measurement connection diagram of security supervision system

校準(zhǔn)過程為:測(cè)量前打開泄氣閥,確保被測(cè)壓力管路系統(tǒng)中無剩余壓力后,將壓力變送器與壓力管路系統(tǒng)分離,并清除接口處雜質(zhì)[2]。其中,壓力連接端口連接螺母反復(fù)纏繞軟性膠帶,增加軟性墊片,連接數(shù)字壓力校準(zhǔn)裝置和壓力變送器的導(dǎo)壓管盡可能短（導(dǎo)壓管具體長(zhǎng)度結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境確定）,校準(zhǔn)過程要求壓力變送器校準(zhǔn)入口的參考平面與數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置打壓泵的輸出壓力面在同一水平面上。測(cè)量時(shí),根據(jù)被測(cè)壓力參數(shù)的量程選擇適當(dāng)?shù)膲毫c(diǎn),通過數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置的加壓模塊對(duì)安監(jiān)系統(tǒng)壓力測(cè)量單元輸入設(shè)定的壓力PL;用數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置測(cè)量壓力變送器輸出電流值I,同時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元將I轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至集控臺(tái),經(jīng)換算輸出安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)量值PJ;比較集控臺(tái)壓力示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力量值,計(jì)算集控臺(tái)壓力參數(shù)示值誤差。

3 校準(zhǔn)條件

3.1 安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)計(jì)量特性

壓力參數(shù)量程:0 MPa～0.5 MPa;準(zhǔn)確度:0.5級(jí);分辨力:1×10-3MPa。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件

安監(jiān)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度為13℃～29℃,測(cè)量時(shí)選擇最大溫度偏差13℃作為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)環(huán)境溫度,考察最大溫度差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,具體現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件:現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為13℃;環(huán)境相對(duì)濕度為70%。

3.3 校準(zhǔn)設(shè)備

測(cè)量選用FLUKE 718／300 G 型壓力校驗(yàn)器和壓力模塊組成的數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置,對(duì)安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),技術(shù)指標(biāo)為:

壓力輸出范圍:0 MPa～0.7 MPa,最大允許誤差:±0.05% FS;電流測(cè)量范圍:0 mA～20 mA,最大允許誤差:±（0.015%讀數(shù)+2 μA）。

4 測(cè)量不確定度評(píng)定

4.1 測(cè)量模型

安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)示值誤差的測(cè)量模型為

式中:ΔP——安監(jiān)系統(tǒng)各壓力校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差,Pa;δP——集控臺(tái)顯示分辨力對(duì)壓力參數(shù)示值的影響,Pa。

壓力變送器輸出電流的測(cè)量模型為[3]

式中:Im——壓力變送器電流輸出量程,16 mA（測(cè)量范圍4 mA～20 mA）;P——標(biāo)準(zhǔn)器輸入壓力值,Pa;ΔPh——標(biāo)準(zhǔn)器與壓力變送器的受壓點(diǎn)在不同高度產(chǎn)生的壓力差,Pa;I0——壓力變送器輸出電流起始值,mA;Pm——壓力變送器壓力量程,0.5 MPa（與安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)量程一致）。

根據(jù)安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)傳遞途徑,PJ可按公式（3）計(jì)算。

由于校準(zhǔn)過程要求壓力變送器校準(zhǔn)入口的參考平面與數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置打壓泵的輸出壓力面在同一水平面上[4],因此,ΔPh=0。將公式（3）及ΔPh=0 代入公式（1）,得到安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)（集控臺(tái)）示值誤差的測(cè)量模型為

輸出電流對(duì)安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)示值誤差的靈敏系數(shù)為[5]

標(biāo)準(zhǔn)輸入壓力及集控臺(tái)顯示分辨力對(duì)壓力參數(shù)示值誤差的靈敏系數(shù):c2=c3=1。

4.2 不確定度來源分析

由公式（4）分析不確定度主要來源有:

（1）集控臺(tái)壓力示值重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA為A 類不確定度,主要由所用測(cè)量設(shè)備及信號(hào)傳輸鏈路的穩(wěn)定性和隨機(jī)因素造成的。

（2）壓力變送器輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力PL引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（PL）為B 類不確定度,包括數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置（FLUKE 718 型壓力校驗(yàn)器）壓力輸入準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u（PL1）及其壓力輸入端溫度系數(shù)引入的不確定度分量u（PL2）。其中,u（PL2）是在環(huán)境溫度超過（23 ±5）℃時(shí),環(huán)境溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力示值的影響。

（3）壓力變送器的輸出電流I測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（I）為B 類不確定度,包括數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置（FLUKE 718／300 G 型壓力校驗(yàn)器）電流測(cè)量準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u（I1）和電流輸入端溫度系數(shù)引入的不確定度分量u（I2）。其中,u（I2）是在環(huán)境溫度超過（23 ±5）℃時(shí),環(huán)境溫度對(duì)壓力變送器輸出電流測(cè)量的影響。

（4）集控臺(tái)壓力示值顯示分辨力δP引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（δP）為B 類不確定度,由于壓力參數(shù)傳遞過程中電流A／D 轉(zhuǎn)換分辨力引入的不確定度分量很小,可以合并于集控臺(tái)壓力參數(shù)顯示分辨力中考慮。

經(jīng)以上分析,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響已計(jì)入PL,以及由I引入的不確定度分量中?？紤]到集控臺(tái)壓力示值的重復(fù)性和分辨力存在重復(fù),在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)將二者中較小值舍去,其他各項(xiàng)不確定度分量彼此獨(dú)立。

4.3 不確定度分量計(jì)算

4.3.1 集控臺(tái)壓力示值重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA

在安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)量程范圍內(nèi)均勻選取5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)（0 kPa、125 kPa、250 kPa、375 kPa、500 kPa）進(jìn)行上下兩個(gè)回程的測(cè)量,記錄PJ和數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置測(cè)得的I值。以下取250 kPa 測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 250 kPa 測(cè)量點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Field measurement data of 250 kPa measuring point

由于同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了4 次測(cè)量,重復(fù)性采用極差法計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。n=4,查極差系數(shù)表得到極差系數(shù)C=2.06,則s==0.485 kPa

4.3.2 壓力變送器輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力PL 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（PL）

4.3.2.1 數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置壓力輸入準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u（PL1）

數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置（壓力模塊）壓力輸出范圍為0 MPa～0.7 MPa,壓力輸入最大允許誤差為Δ=±0.05% FS=±0.05%×0.7 MPa=±0.35 kPa,則最大允許誤差絕對(duì)值a=0.35 kPa,服從均勻分布,取,則

4.3.2.2 數(shù)字壓力校驗(yàn)準(zhǔn)裝置壓力輸入端溫度系數(shù)引入的不確定度分量u（PL2）

數(shù)字壓力校驗(yàn)準(zhǔn)裝置中FLUKE 718／300 G 型壓力校驗(yàn)器,技術(shù)指標(biāo)適用于18℃～28℃的環(huán)境溫度,在-10℃～18℃和28℃～55℃范圍內(nèi),壓力輸入端溫度系數(shù)δt為每攝氏度為量程（0.7 MPa）的0.01%——即δt=700 kPa×0.01%。因此,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為13℃時(shí),超出設(shè)備指定環(huán)境溫度ΔT=5℃,服從均勻分布,取,則

u（PL1）和u（PL2）互相獨(dú)立,則壓力變送器輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力PL引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（PL）的不確定度為

壓力變送器輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力PL對(duì)測(cè)量模型輸出量的靈敏系數(shù)c2=1。

4.3.3 壓力變送器的輸出電流I 測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（I）

4.3.3.1 數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置電流測(cè)量準(zhǔn)確度引入的不確定度分量u（I1）

數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置中FLUKE 718／300 G 型壓力校驗(yàn)器,直流電流測(cè)量最大允許誤差為:Δ=±0.015%讀數(shù)+2 μA,讀數(shù)取壓力變送器輸出電流4 次的平均值,則:Δ=±0.015%×12.0185 mA +2 μA=±3.80 μA,服從均勻分布,取,則

4.3.3.2 數(shù)字壓力校驗(yàn)裝置電流輸入端溫度系數(shù)引入的不確定度分量u（I2）

數(shù)字壓力校驗(yàn)準(zhǔn)裝置中FLUKE 718／300 G 型壓力校驗(yàn)器,技術(shù)指標(biāo)適用于18℃～28℃的環(huán)境溫度,在-10℃～18℃和28℃～55℃范圍內(nèi),電流輸入端溫度系數(shù)為每攝氏度為量程（20 mA）的0.005%——即δt=20 mA×0.005%。因此,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為13℃時(shí),ΔT=5℃,服從均勻分布,取k=則

壓力變送器的輸出電流I對(duì)測(cè)量模型輸出量的靈敏系數(shù):c1=0.031 kPa／μA

4.3.4 集控臺(tái)壓力參數(shù)顯示分辨力δP 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（δP）

集控臺(tái)壓力參數(shù)顯示分辨力δP=1×10-3MPa,服從均勻分布,取則

集控臺(tái)壓力示值顯示分辨力δP對(duì)測(cè)量模型輸出量的靈敏系數(shù):c3=1。

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（ΔP）

由于集控臺(tái)壓力示值的重復(fù)性和分辨力引入的不確定度分量存在重復(fù)考慮,在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)將二者中較小的重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA舍去,其他不確定度分量彼此獨(dú)立,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（ΔP）為[6]

4.5 擴(kuò)展不確定度U

取k=2（置信概率P=95%）,則

4.6 結(jié)論

經(jīng)實(shí)際工程試驗(yàn)驗(yàn)證,安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定方法合理可行,已應(yīng)用于集控臺(tái)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)校準(zhǔn)示值誤差測(cè)量結(jié)果不確定度的分析評(píng)定。

5 結(jié)束語

安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),在船舶、燃?xì)廨斔凸I(yè)過程控制中普遍應(yīng)用,結(jié)合實(shí)例,探討了安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果不確定評(píng)定全過程。從安監(jiān)系統(tǒng)壓力參數(shù)不確定度來源及分析可見,影響評(píng)價(jià)結(jié)果的因素,主要涉及壓力變送器輸入標(biāo)準(zhǔn)壓力、壓力變送器的輸出電流測(cè)量和集控臺(tái)壓力參數(shù)顯示分辨力引入的不確定度分量,而且校驗(yàn)裝置技術(shù)指標(biāo)及其對(duì)環(huán)境溫度的響應(yīng)是測(cè)量結(jié)果不確定度量值的主要貢獻(xiàn)者。因此,對(duì)壓力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,因地制宜,選擇適宜的壓力校驗(yàn)裝置,并對(duì)環(huán)境溫度影響進(jìn)行有效分析或控制;對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境變化較大的情況,校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮由于環(huán)境變化引入的附加誤差,必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修正。