一般壓力表的測量不確定度評定
1 壓力表的基本結構及工作原理
一般壓力表是指以彈簧管為彈性元件敏感元件, 測量并指示高于環境壓力的儀表。在工業過程控制與技術測量過程中, 由于機械式壓力表的彈性敏感元件具有很高的機械強度以及生產方便等特性, 使得機械式壓力表得到越來越廣泛的應用。精確度等級等于或低于1.0級的壓力表、真空表及壓力真空表統稱為一般壓力表。
壓力表基本結構壓力表包括四大部件, 一是彈簧管;二是傳動放大機構, 包括扇形齒輪、中心齒輪同指針軸、游絲;三是指示裝置, 包括表盤和指針;四是包裝保護部件, 包括外殼、玻璃表盤、罩殼。
壓力表工作原理彈簧管遵循虎克定律, 即在彈性極限范圍內, 其彈性形變與壓力成線性關系。彈簧管在壓力或真空作用下, 產生彈性形變, 從而引起管端位移, 其位移通過機械傳動機構進行放大, 傳遞給指針裝置, 再根據指針在刻有法定計量單位的分讀盤上顯示出被測壓力或真空量值。
2 一般壓力表的檢定、校準要求
根據國家計量法的要求, 用于醫療衛生、貿易結算、安全防護和環境監測的壓力表應實行強制檢定。用于其它方面的壓力表也應依據檢定規程定期進行量值溯源。
目前, 國內針對儀表壓力表的檢定及校準依據為國家計量檢定規程“JJG 52-2013.彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規程”, 規程上給出了一般壓力表的檢定項目及要求:
示值誤差:對每一檢定點, 在升壓 (或降壓) 和降壓 (或升壓) 檢定時, 輕敲表殼前、后的示值與標準器示值之差均應符合表1。
回程誤差:在測量范圍內, 回程誤差應不大于表1所規定的允許誤差絕對值。
輕敲位移:輕敲表殼后, 指針示值變動量應不大于表1所規定的允許誤差絕對值的1/2。
指針偏移平穩性:在測量范圍內, 指針偏轉應平穩, 無跳動和卡住現象。
壓力表檢定、校準的基本方法為采用標準器的示值與被檢壓力表的示值直接比較的方法, 壓力表示值檢定連接示意圖如圖1所示。
圖1 壓力表示值檢定連接示意圖 下載原圖
目前, 通常采用標準表法進行示值誤差的檢測, 即將一般壓力表和精密壓力表在各檢定點上比較, 逐點讀取儀表指示值。檢驗過程中的環境要求為:溫度 (20±5) ℃;相對濕度≤85%。
3 一般壓力表示值誤差測量結果的不確定度評定
3.1 評定案例說明
檢定對象為一只量程為 (0～2.5) MPa、的1.6級一般壓力表。選用一只0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表作標準。過升壓和降壓循環, 將一般壓力表和標準壓力計在各校準點上比較, 逐點讀取標準壓力計指示值。被測點的誤差由壓力表讀數和數字壓力表讀數之差確定。
3.2 數學模型
被檢表的示值誤差數學模型如式1所示:
式中:y——示值誤差;p1——標準壓力表在校準點示值;p2——被測壓力表在校準點示值。
靈敏系數:
3.3 不確定度來源分析
分析一般壓力表示值誤差的測量過程, 其不確定度來源主要包括如下幾個:
1) 被檢壓力表重復測量引起的不確定度分量u1
2) 被檢壓力表估讀誤差的不確定度分量u2
3) 精密壓力表的準確度引起的不確定度分量u3
4) 環境溫度引起的不確定度分量u4
5) 精密壓力表估讀誤差引起的不確定度分量u5
3.4 輸入量的標準不確定度評定
1) 被檢壓力表重復測量引起的不確定度分量u1 (該項來源為A類評定)
為了獲得重復性測量的不確定度, 我們選用一只0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表作標準, 對一只 (0～2.5) MPa、1.6級一般壓力表 (分度值為0.05MPa) 的2MPa點進行10次重復測量。測得xi數值如表2。
表2 2MPa檢定點處的被檢表示值 (MPa) 下載原表
計算示值的算術平均值:
用貝塞爾公式求出標準偏差:
測量結果取單次讀數, 故標準不確定度u1=s=0.005MPa, 自由度υ1=n-1=9
2) 被檢壓力表估讀誤差的不確定度分量u2 (該項來源為B類評定)
按檢定規程要求, 在實際測量時, 壓力表的示值按1/5分度值估讀, 壓力表的分度值為0.05MPa, 其引入的不確定度半區間為0.01MPa, 服從均勻分布
不可靠程度估計為20%, 自由度
3) 精密壓力表的準確度引起的不確定度分量u3 (該項采用B類評定)
0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表最大允許誤差為± (0.4%×2.5) =±0.1MPa, 即u3的不確定度區間的半寬值a=0.01 MPa, 認為在區間內誤差分布為均勻分布。
不可靠程度估計為10%, 故自由度
4) 環境溫度引起的不確定度分量u4 (該項采用B類評定)
工作壓力表的檢定溫度為 (20±5) ℃, 而精密壓力表的檢定溫度 (20±2) ℃, 因此在極限溫度進行工作壓力表的檢定時, 精密壓力表由此影響所產生的最大誤差為kt (t-20℃) p, 其中彈簧管的溫度系數kt=0.0004/℃, 滿量程p=2.5 MPa, 認為誤差服從均勻分布。
不可靠程度估計為20%, 故自由度
5) 精密壓力表估讀誤差引起的不確定度分量u5 (該項采用B類評定)
在實際測量時, 精密壓力表的估讀誤差為分度值的1/10, 0.4級 (0～2.5) MPa精密壓力表其估讀誤差為0.002 MPa, 認為誤差服從均勻分布。
不可靠程度估計為20%, 
3.5 合成標準不確定度評定
因以上各項不確定度分量彼此獨立, 互不相關, 則合成標準不確定度為:
合成標準不確定度的有效自由度
3.6 擴展不確定度確定
置信概率95%, 則當υeff=50時, 查t分布臨界值表得k=2.01
因此擴展不確定度:U95=0.010×2.01=0.021MPa
3.7 測量不確定度報告
用0.4級 (0～2.5MPa) 精密壓力表測量1.6級 (0～2.5) MPa一般壓力表在2MPa檢定點
擴展不確定度:U95=0.021MPa k=2.01。
4 一般壓力表檢定過程中常見故障總結
表3 一般壓力表檢驗過程中的常見故障與解決方案 下載原表
在一般壓力表的檢定過程中, 可能會出現各種類型儀表故障, 有些是可以在檢驗過程中進行維修和處理的。常見故障及維修方法總結如表3所示。
在工藝現場壓力表的安裝、使用及維護情況同樣是保障其精度的重要條件, 表4給出了一般壓力的安裝、使用、維護要求及注意事項。
表4 一般壓力表的安裝、使用、維護事項 下載原表
5 結束語
本文重點給出了一般壓力表示值誤差測量不確定度的評定方法, 并介紹了一般壓力表的檢驗要求及常見故障的解決發法, 希望可以對一般壓力表的量值溯源過程起到一定的指導作用。
