螺紋掃描儀測量石油螺紋單項參數(shù)的不確定度討論

衡哲

【摘 要】螺紋全參數(shù)掃描技術的最新發(fā)展成果對石油螺紋的檢測有著重大的意義；本文從石油螺紋單一中徑的測量方案和數(shù)據(jù)精度兩個方面闡述了螺紋掃描儀測量石油螺紋參數(shù)的方法；第一部分建立相關數(shù)學模型，分析影響測量結果的各個參量；第二部分合成各個參量的不確定度數(shù)值，整合計算出儀器最終測量的擴展不確定度數(shù)值。該方法同樣適用于使用螺紋掃描儀測量其他種類的螺紋參數(shù)的不確定評估。

【關鍵詞】螺紋；單項參數(shù)；石油

0 引言

傳統(tǒng)的緊密距測量已經(jīng)不能滿足石油行業(yè)的發(fā)展要求，而更加全面的石油螺紋單項參數(shù)檢測一直是石油計量行業(yè)的難題，現(xiàn)在隨著螺紋掃描技術的不斷發(fā)展，這一難題已經(jīng)逐步可以解決。本文介紹通過使用螺紋量規(guī)掃描儀測量獲得的螺紋單項參數(shù)的結果，對其不確定度進行分析。

1 數(shù)學模型

由于API螺紋塞規(guī)的的單一中徑D值可以在IAC螺紋量規(guī)掃描儀上直接讀得，故有：Y=d

式中：Y～API螺紋塞規(guī)的單一中徑

d～測量時在儀器上讀取的單一中徑值

2 標準不確定度的評定

單一中徑的變化利用下式計算：

u2（Y）=u2（s）+u2（m）+u2（d）+u2（ds）+u2（q）+d2Δt2u2（δα）+d2α■■u2（δt）

測量不確定度的構成因素：測量讀數(shù)重復性引入的標準不確定度u（s）；儀器分辨率引入的標準不確定度u（m）；儀器示值誤差引起的標準不確定度u（d）；中間標準器引入的標準不確定度u（ds）；氣源壓力變化引起的標準不確定度u（q）；被測量規(guī)與中間標準器膨脹系數(shù)差引入的標準不確定度u（δα）；被測量規(guī)與中間標準器溫度差引入的標準不確定度u（δt）

2.1 測量重復性帶來的不確定度分量u1

在同一測量截面上的同一牙型位置重復測量10次，得到單一中徑測量列如下：352.3924、352.3925、352.3926、352.3924、352.3921、352.3924、352.3925、

352.3929、352.3921、352.3927

單次實驗標準差s=■=0.25μm

單點測量重復性引入的標準不確定度

u（s）=0.25μm，靈敏度系數(shù)c1=1

則u1=u（s）×c1=0.25μm

2.2 儀器分辨率引入的不確定度分量u2

由使用說明書知，儀器的分辨率為0.1μm，儀器為數(shù)字顯示，則由儀器分辨率引入的標準不確定度為：

u（m）=0.1/2■=0.029μm，靈敏度系數(shù)c2=1

則u2=u（m）×c2=0.03μm

儀器分辨率引入的不確定度和重復性引起的不確定度取其中較大者。則儀器分辨率引入的不確定度不再考慮。

2.3 螺紋綜合測量機引入的不確定度分量u3

由校準證書可知，儀器測量不確定度為3.0μm（k=2），包括主標準器和參照面標準器的影響，因此由螺紋綜合測量機引入的標準不確定度為：

u（d）=0.3/2=1.5μm，靈敏度系數(shù)c3=1

則u3=u（d）×c3=1.5μm

2.4 中間標準器示值誤差引入的不確定度分量u4

由使用說明書知，儀器通過中間標準器來修正儀器測量坐標軸，而其中間標準器的測量不確定度為0.5μm（k=2），則由中間標準器引入的標準不確定度為：

u（ds）=0.5/2=0.25μm，靈敏度系數(shù)c4=1

則u4=u（ds）×c4=0.25μm

2.5 氣源壓力變化引起的不確定度分量

由使用說明書可知，檢定時供氣變化對示值影響不大于0.01μm，估計為均勻分布，k=■，則氣源壓力變化引起的標準不確定度分為：

u（q）=0.01/■=0.006μm，靈敏度系數(shù)c5=1

則u5=u（ds）×c5=0.01μm

2.6 被測量規(guī)與中間標準器膨脹系數(shù)差引入的不確定度分量u6

兩者熱膨脹系數(shù)均為（11.5±1）×10-6℃-1，考慮到測量溫度與20℃之差可為正或負，且最大偏差為0.1℃，膨脹系數(shù)差在半寬為2×10-6℃-1的區(qū)間呈均勻分布，則被測量規(guī)與中間標準器膨脹系數(shù)差引入的標準不確定度為：

u（δα）=2×10-6/■=1.15×10-6℃-1，

靈敏度系數(shù)c6=dΔt=352.392×0.1=35.239μm·℃

則u6=u（δα）×c6=1.15×10-6×35.239×103=0.04μm

2.7 被測量規(guī)與中間標準器溫度差引入的不確定度分量u7

兩者的溫度差估計不超過±0.1℃，其在半寬t為0.1℃范圍內(nèi)服從均勻分布，則被測量規(guī)與中間標準器溫度差引入的標準不確定度為：

u（δt）=0.1/■=0.058℃，

靈敏度系數(shù)c6=daS=352.392×11.5×10-6=4.053×10-3μm·℃-1（下轉第139頁）

（上接第102頁）

則u7=u（δα）×c6=0.058×4.053×10-3×103=0.24μm

2.8 合成不確定度

表1

由各分量的標準不確定度，可以計算得合成標準不確定度為

uc=■=1.6μm

2.9 擴展不確定度

取k=2，則U=kuc=3.2μm