自動標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器動態(tài)控制準(zhǔn)確度分析

李海兵，麻銳，卓華，陳武卿

(新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)得到了空前的發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的壓力傳感器技術(shù)得到了長足的發(fā)展。高分辨力的A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)和低漂移運(yùn)算放大技術(shù)很好地保證了壓力傳感器的應(yīng)用。數(shù)字壓力計就是壓力傳感器技術(shù)的一種應(yīng)用，石英傳感器數(shù)字壓力計的壓力測量已經(jīng)達(dá)到了0.01 等級。

壓力發(fā)生器常用于校準(zhǔn)壓力測量儀器。壓力發(fā)生器一般具有控制軟件和壓力傳感器，向被檢儀表提供一個設(shè)定的持續(xù)受控制的壓力，并將該壓力下壓力傳感器與被測儀器的測量值進(jìn)行比較的作用。

1 壓力控制的類型

在使用壓力發(fā)生器時，通常有兩種控制類型可選擇。一種為靜態(tài)控制，該模式利用壓力發(fā)生器將測試系統(tǒng)壓力調(diào)整至接近相應(yīng)的測試點(diǎn)，直至達(dá)到目標(biāo)壓力的極限范圍。當(dāng)壓力快速變化引起的瞬態(tài)效應(yīng)達(dá)到正常水平，且壓力足夠穩(wěn)定時讀取數(shù)據(jù)。另一種為動態(tài)控制或主動控制模式，發(fā)生器將測試系統(tǒng)內(nèi)的壓力調(diào)整到所需要的壓力，并且在記錄參考或被測器的測量值時繼續(xù)主動將壓力控制在目標(biāo)壓力值附近，其在短時間內(nèi)形成穩(wěn)定的壓力能夠使校準(zhǔn)更快捷。兩種控制類型下壓力值隨時間的變化如圖1所示。

靜態(tài)控制引起的不確定度僅與壓力管道的泄漏情況、瞬態(tài)效應(yīng)和環(huán)境變化有關(guān)。靜態(tài)模式能夠消除控制模式下引起的不穩(wěn)定因素，然而在動態(tài)控制模式下，控制穩(wěn)定度被認(rèn)為是隨機(jī)的，壓力平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差將除以測量次數(shù)(n)的平方根。在靜態(tài)控制模式下壓力值將向一個方向變化，穩(wěn)定度就不是隨機(jī)的，所以標(biāo)準(zhǔn)偏差須除以。動態(tài)控制模式具有不確定度較小、控制速度快、壓力輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 靜態(tài)壓力控制(上)和動態(tài)壓力控制(下)

控制準(zhǔn)確度是指發(fā)生器能夠?qū)⑾到y(tǒng)壓力保持在目標(biāo)值附近最小范圍的指標(biāo)。在控制模式下發(fā)生器僅顯示標(biāo)稱壓力值，壓力實(shí)際在控制范圍的什么位置并不知道。自動壓力發(fā)生器的動態(tài)壓力準(zhǔn)確度等級為靜態(tài)壓力(靜壓)模塊準(zhǔn)確度等級和控制準(zhǔn)確度的迭加。文獻(xiàn)調(diào)研可知，類似的如DHI 公司的PPC2 型數(shù)字壓力發(fā)生器，其壓力控制最大允差為±0.002%讀數(shù)［1］。Mensor 公司的數(shù)字壓力發(fā)生器的控制最大允差為±0.002%讀數(shù)。而德魯克公司(Druck)的PACE6000系列沒有類似的研究。下面將論述PACE6000 壓力發(fā)生器(內(nèi)置壓力傳感器，準(zhǔn)確度等級為0.01 級)的控制準(zhǔn)確度等級。

2 控制準(zhǔn)確度分析

壓力發(fā)生器的控制準(zhǔn)確度等級測量方法如下:以DHI 公司生產(chǎn)的PG7601 氣體活塞式壓力計為參比標(biāo)準(zhǔn)器，其測量范圍為14 ～700 kPa 及100 ～7000 kPa。被考核對象為數(shù)字壓力發(fā)生器。以同量程、準(zhǔn)確度等級為0.02 級的數(shù)字壓力計(型號為PM620)為參考對象。研究按照壓力測量的范圍進(jìn)行，即低壓(200 kPa編號為3430663 和3256121)、中壓(700 kPa 和2000 kPa)、高壓(7000 kPa)。其中有兩臺測量上限為2000 kPa 的發(fā)生器，一臺為FLUKE 生產(chǎn)，另一臺為Druck生產(chǎn)。第一步以PG7601 活塞式壓力計同時對考核對象和參考對象進(jìn)行測量，此時壓力發(fā)生器處于測量狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計的壓力標(biāo)稱值為xri，數(shù)字壓力發(fā)生器的讀數(shù)為xti，參考數(shù)字壓力計的讀數(shù)為pti。第二步數(shù)字壓力發(fā)生器處于動態(tài)控制狀態(tài)對數(shù)字壓力計進(jìn)行測量，壓力發(fā)生器的輸入值為xti，數(shù)字壓力表的讀數(shù)為p'ti，比較數(shù)字壓力計兩次讀數(shù)pti和p'ti的差值。利用數(shù)字壓力計較好的短期穩(wěn)定性，若兩個值大小不同，則控制準(zhǔn)確度等級為兩個量值的差值與量程的比值。

典型的操作過程為:將活塞式壓力計、數(shù)字壓力發(fā)生器的“output”端和參考數(shù)字表通過管道連接起來，通過連接活塞式壓力計的氣源提供壓力，在平衡狀態(tài)時讀取數(shù)值。這里采用了一個新的方法，首先將壓力發(fā)生器接通氣源，輸入一個壓力值，當(dāng)其穩(wěn)定輸出時迅速切換至測量界面，微調(diào)活塞壓力計使其輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力即可。根據(jù)JJG 875-2005《數(shù)字壓力計檢定規(guī)程》5.3.1.5:準(zhǔn)確度等級為0.05 級及以上的壓力計，升壓、降壓(或疏空、增壓)檢定循環(huán)次數(shù)為兩次。除了第一循環(huán)的上行程外，其他測量下限均不做清零操作［2］。

由于環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力的變化，加載在參比標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計上的一定質(zhì)量的砝碼其產(chǎn)生的壓力值會隨著時間發(fā)生微變，同時壓力發(fā)生器存在零點(diǎn)漂移，對以上兩個影響量進(jìn)行修正。如示值xti下行程(標(biāo)稱值為20 kPa)的修正過程為:(19.98881-19.98879 +19.9958)-0.0050，依次對各個測量點(diǎn)進(jìn)行修正。同理對pti和p'ti進(jìn)行修正，將修正后的值帶入到控制誤差進(jìn)行計算。控制誤差的計算:(p'ti-pti)/量程，在量程的30%以下時，允許誤差為量程的30%的引用誤差。在量程30%以上時，允許誤差為讀數(shù)誤差。編號為3430663 的壓力發(fā)生器一個循環(huán)的測量原始數(shù)據(jù)見表1。為了驗(yàn)證發(fā)生器控制的重復(fù)性，連續(xù)進(jìn)行兩個循環(huán)的測量。為了更加直觀，將控制準(zhǔn)確度等級平均值用函數(shù)曲線的形式表示，采用相同方法分別對低壓(上限200 kPa，編號為3256121，3430663)的發(fā)生器、中壓(上限700 kPa 和2000 kPa)、高壓(上限7000 kPa)的發(fā)生器控制準(zhǔn)確度等級進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2，3所示。

由圖2，圖3 可以看出，上限為200 kPa 和700 kPa的壓力發(fā)生器控制誤差小于±0.0035%(內(nèi)置傳感器最大允許誤差的1/3)。對比不同廠家生產(chǎn)的壓力發(fā)生器，Druck 公司上限為2000 kPa 其控制誤差達(dá)到了-0.005%。以DHI 公司生產(chǎn)的PPC4 壓力校準(zhǔn)器(上限為2000 kPa)為比較對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PPC4 的控制誤差在±0.0015%以內(nèi)，原因可能是其采用了零點(diǎn)自動修正功能，避免了零點(diǎn)對測量結(jié)果的影響。圖3 上限為7000 kPa 的壓力發(fā)生器，其控制誤差達(dá)到了±0.01%，與壓力發(fā)生器的傳感器準(zhǔn)確度等級相當(dāng)，在測量結(jié)果的不確定度評定中必須考慮。

終上所述，對于PACE6000 系列而言，在中壓段(200，700 kPa)壓力發(fā)生器的控制準(zhǔn)確度為其傳感器準(zhǔn)確度的1/3 左右。當(dāng)在中壓段(2000 kPa)和高壓段(7000 kPa)時壓力發(fā)生器的控制準(zhǔn)確度與其傳感器準(zhǔn)確度相當(dāng)。對于PPC4 壓力發(fā)生器，其控制準(zhǔn)確度對不確定度的貢獻(xiàn)較小。下面以0.01 級數(shù)字壓力發(fā)生器為標(biāo)準(zhǔn)器，對0.05 級數(shù)字壓力計示值誤差的測量不確定度進(jìn)行分析。

表1 編號為3430663發(fā)生器第一個檢定循環(huán)原始數(shù)據(jù)

圖2 低壓(上限200 kPa)、中壓(上限2000 kPa，不同廠家)壓力發(fā)生器的控制誤差圖

3 測量不確定度評定

選定一臺由測量范圍0 ～2 MPa 的壓力模塊與FLUKE 744 組合而成的數(shù)字壓力計，其最大允許誤差為±0.05%FS。用一臺測量范圍為0 ～2 MPa、最大允差為±0.01%讀數(shù)的數(shù)字壓力發(fā)生器對FLUKE 744 數(shù)字壓力計進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)JJG 875-2005《數(shù)字壓力計檢定規(guī)程》以及JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，對數(shù)字壓力計示值誤差的測量不確定度進(jìn)行分析評定［3］。輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度各分量匯總及擴(kuò)展不確定度見表2所示。

圖3 中壓(上限700 kPa)、高壓(上限7000 kPa)量程的壓力發(fā)生器控制誤差圖

通過表2 可得，在壓力值大于1600 kPa 時，由標(biāo)準(zhǔn)器控制準(zhǔn)確度引入的不確定度分量占據(jù)主導(dǎo)，而且示值誤差的測量不確定度U 與數(shù)字壓力計的最大允許誤差的絕對值MPEV 之比不滿足小于或等于1 ∶3的要求，這時必須考慮示值誤差的測量不確定度對符合性評價的影響。為了避免這種情況，經(jīng)計算發(fā)生器的壓力傳感器準(zhǔn)確度等級須滿足0.008 級，此時1800 kPa和2000 kPa 兩點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度為0.33 kPa，滿足符合性評價的要求。

表2 測量不確定度報告 kPa

4 總結(jié)

本文對低壓(上限200 kPa)、中壓(上限700 kPa和2000 kPa)、高壓(上限7000 kPa)的PACE6000 系列壓力發(fā)生器的控制準(zhǔn)確度等級進(jìn)行了定量的分析，提出了一種新的分析方法。對于上限為200 kPa 和700 kPa的壓力發(fā)生器，其控制允差在±0.0035%以內(nèi)，上限為2000 kPa 和7000 kPa 的發(fā)生器的控制允差在±0.01%左右。通過對0.05 級數(shù)字壓力計示值誤差測量結(jié)果的不確定度分析，發(fā)現(xiàn)在中壓2000 kPa 和高壓端壓力發(fā)生器的傳感器準(zhǔn)確度等級須為0.008 級。然而由于條件所限，無法對微壓量程的發(fā)生器進(jìn)行分析，日后可以在相關(guān)方面進(jìn)行研究。

［1］M Girard，R Haines.一種全自動微壓發(fā)生器/校準(zhǔn)器［C］//2001年全國壓力計量測試技術(shù)年會論文集.蘇州:中國計量測試學(xué)會壓力專業(yè)委員會，2001.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 875-2005 數(shù)字壓力計檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2005.