数字压力计不确定度评定研究

数字压力计不确定度评定研究

孟令娟

哈尔滨市计量检定测试院 黑龙江省哈尔滨市150036

摘要：在计量检定过程中，标准的计量性能直接影响被检定气压表的计量性能。测量不确定度是在一定测量值范围内对测量结果的估计。它是评价测量结果质量的重要指标。测量结果的不确定度分析是评估整个系统可靠性和稳定性的重要部分。因此，利用重复性试验对数字压力表测量结果的不确定度评定方法进行分析，对保证数字压力表的可靠传输具有重要意义。

关键词：数字压力计；数字模型；不确定度；

数字压力计的测量不确定度分析和评价过程，讨论了主要的不确定度来源，包括测量误差、分辨力误差、以及测量重复性等，给出了不确定度模型。在一个实际评价例子上，给出了不确定度分析和评价结果，不确定度评定验证表明了该过程的正确性和切实可行性。

一、计量标准的工作原理与组成

0.01级数字压力计标准装置由计量标准器数字气压计和主要配套设备气压检定箱、真空泵、储气罐、温度系数检定箱等组成。本标准装置可检空盒类、数字类、水银类气压仪表。空盒类、数字类气压表在气压仪器示值检定箱内进行检定。将数字气压计与气压仪器示值检定箱连通，通过检定箱的控制面板控制真空泵和储气罐对气压检定箱体内的空气压力进行调节。当气压检定箱内的气压达到所要求的数值并稳定了足够时间后，将标准器与被检仪表进行比较检定。温度系数检定箱可提供０℃～３０℃的温度。通过对温度系数检定箱的温度调节，可确定空盒类仪器受温度的影响量。

二、测量不确定度来源

测量不确定度来源主要有以下几个方面:(1)测量重复性(如压力计零点漂移、压力源波动、示值波动，以及测量过程中的其他随机因素等)对被测数字压力计的影响。(2)被测数字压力计的分辨力。(3)测量环境温度对被测数字压力计和标准器的影响。(4)测量中被测数字压力计和标准器高度差引起的压力值修正。(5)标准装置中的标准器引入的测量不确定度。

1. 标准器引入的测量不确定度分量u(PS)。本次测量标准器是一台测范围为2～70 MPa的量的0.01级活塞式压力计，P的标准不确定度的主要来源是0.01级活塞式压力计。已知被检数字压力计的测量上限为30 MPa为测量误差最大点处，根据活塞式压力计误差计算方法，0.01级活塞式压力计的最大误差为±0.003 MPa。

2.测量重复性引入的不确定度分量u(PＲ)。测量重复性引入的不确定度，可以通过在重复条件下连续测量得到的一组数据列，用A类评定法得到。数据列可以选取一些有代表性的点，在重复条件下连续测量来得到;也可以是在全程范围进行多个循环测量来获取，对数字压力计进行3个循环的测量。在测量值中混有异常值，必然会歪曲测量结果。这时若能将该值剔除不用，即可使结果更符合客观情况。在有些情况下，一组正确测得值的分散性，本来是客观反映了实际测量结果的随机波动性，但人为地丢掉了一些偏离较远但不属于异常值的数据，由此得到的所谓分散性很小，实际上是虚假的。因为，以后在相同条件下再次测量时原有正常的分散性还会显现出来，所以必须正确地判断和剔除异常值。通过异常值判断，没有发现重复条件下连续测量得到的数据列中有异常值，则标准不确定度(A类)可以用试验标准偏差来评估，由此计算出试验标准偏差。

3.压力分辨力引入的不确定度分量u(q)。数字压力计的末位显示分辨力直接影响到测量结果。考虑该压力计读数分辨力δ=0.01 MPa，且均匀分布。

4.工作介质高度差引入的不确定度分量u(Px)。测量中当标准器与被检数字压力计受压点应在同一水平面上，当两者的受压点不在同一水平面上会产生测量误差，测量受压点基本在同一水平面上，所以此标准不确定度分量u(Px)可忽略不计，则u(Px)=0。

三、计量标准器及主要配套设备

1.计量标准器。名称：数字气压计，型号：７４５－１６Ｂ；测量范围：５００～１１００ｈＰａ；准确度等级：０．０１级。

２．主要配套设备。１）名称：气压仪器示值检定箱；型号：ＱＹＸ－１；测量范围：４５０～１１５０ｈＰａ；漏气率：≤０．３ｈＰａ／１０ｍｉｎ。２）名称：温度系数检定箱；型号：ＪＤＹ１；测量范围：０℃～３０℃；稳定性：≤±０．５℃；均匀性：≤±１℃。３）名称：干湿球温度表；型号：ＷＱＧ－１１；测量范围：６℃～５１℃；最大允许误差±０．２℃。

四、测量结果不确定度评定

根据检定规程要求，检定点在气压计的测量范围内均匀地选取至少６个整１０ｈＰａ检定点，其中应包含测量范围的上限点和下限点。每个检定点上，稳定后的压力不得偏离该检定点±５ｈＰａ。根据被侧对象，选取检定点为１０５０、１０１０、９７０、９３０、８９０ｈＰａ。

1.数学模型。测量模型是指测量结果与其直接测量的量、引用的量以及影响量等有关量之间的数学关系。根据检定实际情况，被检数字气压表（被检仪）的示值误差主要由标准器的示值误差和箱体控制稳定性引起，经验模型为：

ΔＰ＝Ｐ－ＰＢ－ｄ１＋ΔＰｌ＝Δｐ－ｄ１＋ΔＰｌ

上式中：ΔＰ为被检仪示值误差；Ｐ为被检仪气压示值；ＰＢ为标准器气压示值；ｄ１为标准器气压修正值；ΔＰｌ为箱体的箱体的控制稳定性；Δｐ为被检仪示值与标准器示值之差。

2.方差和灵敏度系数。１）灵敏度系数。对上式各分量求偏导，得到各分量的灵敏度系数的绝对值均为１。２）方差。设由Δｐ、ｄ１、ΔＰｌ引入的不确定度分量分别为ｕ１、ｕ２、ｕ３，由于各分量独立，因此气压示值误差的合成方差表示为：

３．标准不确定度分量评定。不确定来源分析取决于对测量方法、测量设备、测量条件及对被测量的详细了解和认识，必须具体问题具体分析。１）输入量Δｐ引入的标准不确定度分量ｕ１。ｕ１采用Ａ类评定，在相同条件下对被检表在高点１０５０ｈＰａ、中间点９７０ｈＰａ、低点８９０ｈＰａ进行多次重复测量，根据贝塞尔公式计算单次测量的实验标准偏差ｓｉ，ｕ１＝ｓｉ，数据如表１所示。

表１各检定点实验标准偏差（ｈＰａ）

２）输入量ｄ１引入的标准不确定度分量ｕ２。ｕ２由标准器的使用引入。数字气压计最大允许误差为±０．０８ｈＰａ。按均匀分布处理，ｕ２＝０．０８／＝０．０４６ｈＰａ。３）输入量ΔＰｌ引入的标准不确定度分量ｕ３。ｕ３由箱体的控制稳定性引入。根据箱体控制要求，箱体压力的控制变化不大于±０．１ｈＰａ，其不确定度半宽为０．１ｈＰａ，按均匀分布处理，ｕ３＝０．１／＝０．０５８ｈＰａ。３）气压示值误差的标准不确定度分量一览表，如表２所示。

表２气压示值误差的标准不确定度分量一览表

4.合成标准不确定度。由于各分量相互独立，则合成标准不确定度ｕｃ可根据下式计算。

5.扩展不确定度。取包含因子ｋ＝２，根据公式Ｕ＝ｋｕｃ，计算出示值误差的扩展不确定度，结果如表3所示。

表3各检定点扩展不确定度

总之，科学合理地评定测量不确定度对量值传递起着重要的作用。文中的不确定度评定方法符合计量技术规范所述方法要求，分析其不确定度来源主要有：测量重复性、计量标准器及箱体的控制稳定性等几个方面，经过计算合成不确定度和扩展不确定度满足检定规程要求，故认为此次测量结果正确。今后需增加其他方面的影响，这样会使不确定度分析更加严谨可靠。

参考文献：

［１］毛丽．关于数字压力计不确定度评定研究．2021.

［２］康连．压力变送器实验与测量不确定度自动评定.2019.