关于压力仪表原位校准方法的研究

0 引言

压力仪表应用极为普遍,它几乎遍及所有的工业流程和科研领域。在航空航天、医药、冶金、汽车制造、交通等领域随处可见。工业生产中,压力仪表监测所有系统的压力值,小到几帕大到几百兆帕,压力仪表是否准确直接关系到生产质量及安全,因此,压力仪表的计量也就变成重中之重。在工业生产中,工作流程越来越趋于机械化、自动化。因此,压力仪表的计量也应随着生产的发展逐渐完善。在压力仪表计量的过程中,需要将压力仪表从设备上拆卸下来才能进行计量,但此过程存在诸多问题,一方面,拆卸过程中,容易损坏压力仪表；另一方面,人员安装过程中有可能存在密闭性欠缺,导致设备仪器无法正常工作。此外,压力仪表拆卸过程中,工业生产线需停线待检,在一定程度上,降低了生产线的生产效率。同时拆卸压力仪表过程中设备管路容易进入多余物,会对设备使用造成很大影响。国内在工业设计过程中很少考虑仪器仪表的计量,对于压力仪表原位校准的研究更是寥寥无几。因此,压力仪表的原位校准(免拆卸校准方式)变得尤为重要[1]。压力仪表原位校准可以在不拆卸压力仪表的情况下实现压力仪表的计量工作。根据实际工况,通过设计免拆卸工装或改变校准方法得以实现。压力仪表原位校准(改造)能够实现压力仪表计量在线化。

图1 压力仪表工作原理框图

图2 压力仪表免拆卸工装结构图

1 压力仪表原位校准的研究

1.1 压力仪表工作原理

压力仪表是压力表、数字压力计、压力传感器和压力变送器及测量系统,以及其他用于压力参数测量的设备或系统的统称。

压力仪表的主要工作原理是通过把压力量值转换成可以计量、记录或传送的物理量,实现压力测量。原理框图如图1所示[2]。

1.2 原位校准工作原理及工作方式

1.2.1 工作原理

依据帕斯卡原理,设计压力仪表免拆卸工装力学结构或改变压力仪表校准方法,达到压力类仪表计量过程避免拆卸的目的,使被检压力仪表和标准表压力一致,即实现压力仪表原位校准。

1.2.2 工作具体方式

(1)单对单压力仪表原位校准。即针对单独的压力仪表可以在不拆卸压力仪表的情况下,实现压力仪表的在线计量工作。通过压力仪表原位改造工装实现计量工作,该套工装设计合理,结构简单,主要由阀门、三通、快插接头等组成,三通分别与阀门、快插接头及压力仪表连接,将阀门的另一端安装在原压力仪表的管路或固定接口处,利用帕斯卡原理实现压力仪表与标准表压力一致,实现压力仪表的在线化免拆卸计量。如图2 压力仪表免拆卸工装结构图[3]所示。

(2)压力系统原位校准。即针对复杂的压力系统的压力仪表实现原位校准。研究压力系统计量的特点及难点,结合实际工作情况,在保证压力仪表校准质量的前提下通过改变校准方法,实现压力系统原位校准。由北京航天计量测试技术研究所编制的关于压力系统原位校准的计量规范JJF(军工)117-2016《高压气体压力仪表现场校准规范》为压力仪表原位校准方法提供了技术和理论上的支持。

图3 校准示意图

表1 精密压力表校准数据(单位:MPa)

压力系统原位校准是将标准表直接连接到压力系统的工作出口位置,使压力系统正常工作,利用压力系统相应气路的减压阀调节压力大小来实现压力系统中压力仪表的计量工作。如图3 校准示意图[2]所示。

2 试验分析

2.1 单对单压力仪表原位校准

由于单对单压力仪表原位校准方法与实验室校准方法基本一致,因此本文不在此做单对单压力仪表校准数据与实验室校准数据比对。大气压力计算公式如下：

2.2 压力系统原位校准

选取某型号配气台上的3块量程同样为(0～25)MPa的精密压力表,编号分别为2018001、2018002、2018003,拆卸送至压力计量实验室内进行校准,得到一组校准数据。利用本文研究的压力系统原位校准方法,使用相同的标准压力表对以上3块压力表进行校准,得到另一组数据,两组数据见表1。

由上表中的数据可以看出,3块压力表实验室校准与原位校准数据示值误差的最大差值仅为两个估读值,基本来源人员的视觉估读,说明压力系统原位校准与实验室校准结果基本一致,初步验证该校准方式数据准确、合理可行[1]。

3 原位校准的不确定度分析

由于单对单压力表原位校准方式与在实验室校准方式基本一致,本文不在这里做此校准方式不确定度分析,只分析压力系统原位校准方式不确定度。

3.1 数学模型

被检压力表的示值误差由下面方程得到：

式中

e ：压力表各校准点示值误差(MPa)；

R

P ：压力表各校准点示值(MPa)；

S

P ：标准压力表各校准点的标准值(MPa)。

3.2 不确定度评定

3.2.1 分析不确定度来源

精密压力表的不确定度来源如下：

(1)由被校准压力表的测量重复性所引入的不确定度分量u1；(2)由轻敲位移误差所引入的不确定度分量u2；(3)由数据修约引入的不确定度分量u3；(4)由数字精密压力表的传递误差所引入的不确定度分量u4；(5)由人员操作引入的不确定度分量u5；(6)由温度引入的不确定度分量u6。

3.2.2 标准不确定度分量评定

(1)被校准压力表测量重复性所引入的不确定度分量u 1。该项来源可从校准数据中算得。由于8MPa和16MPa属于精密压力表的1/3量程和2/3量程位置,故在此以这两个点为例连续测量10次,得到测量结果如表2所示。

则被校准压力表重复性所引入的不确定度分量u1为：

校准点为8MPa时,u1=0.00306MPa；

校准点为16MPa时,u1=0.00267MPa。

(2)轻敲位移误差所引入的不确定度分量u 2。该项来源可从校准数据中得到。对被校表作全范围校准,轻敲位移最大为0.04MPa,可以认为其服从均匀分布。

校准点为8MPa时,u2=0.01154MPa；

校准点为16MPa时,u2=0.01154MPa。

(3)数据修约引入的不确定度分量u3。由于精密压力表校准过程中读数估读到最小分度值的被校准压力表的分度值为0.2MPa,其估读值为0.02MPa,故此项所引入的不确定度分量为：

表2 测量结果(单位:MPa)

校准点为8MPa时,u3=0.00577MPa；

校准点为16MPa时,u3=0.00577MPa。

(4)标准数字精密压力表的传递误差所引入的不确定度分量u4。本次校准所采用的是0.05级数字精密压力表(测量范围：0～25MPa)进行校准,标准器最大允许误差为±(0.05%×25)MPa,分散区间半宽度为(0.05%×25)MPa,在此区间内可认为其服从均匀分布,由此传递所引入的不确定度分量为：

校准点为8MPa时,u4=0.00721MPa；

校准点为16MPa时,u4=0.00721MPa。

(5)人员操作引入的不确定度分量u5和温度引入的不确定度分量u6。由人员操作引入的不确定度分量和温度引入的不确定度分量等较小,均可忽略。

3.2.3 合成标准不确定度uc

合成标准不确定度uc按公式(1)计算。

校准点为8MPa时,

校准点为16MPa时,

3.2.4 确定扩展不确定度[4]

取置信概率=95%,包含因子k=2,故U=kuc

经计算和修约处理：

校准点为8MPa时,校准结果的扩展不确定度为U=0.03MPa,k=2；

校准点为16MPa时,校准结果的扩展不确定度为U=0.03MPa,k=2。

4 结语

压力仪表原位校准为不可拆卸压力仪表的计量提供了一种有效的解决方案,通过压力仪表原位校准改造保证了压力仪表的气密性,降低工厂生产停产时间,大大提高生产效率和计量效率。随着航空航天、医药、冶金、汽车制造、交通等行业的迅猛发展,压力仪表原位校准在各行业具有广阔的应用前景。同时升级改造还可以实现计量过程和设备的自动化和智能化。