自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程編制過(guò)程中問(wèn)題的探討

李鑫武，盛曉巖，彭軼

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓力發(fā)生器)在壓力計(jì)量行業(yè)又稱(chēng)數(shù)字式壓力控制器。壓力發(fā)生器在工作過(guò)程中可以自動(dòng)產(chǎn)生并恒定壓力，因此可以提高壓力計(jì)量工作的自動(dòng)化水平和工作效率;同時(shí)，壓力發(fā)生器的便攜性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，可以有效解決現(xiàn)場(chǎng)的壓力測(cè)試儀器量傳的問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及新技術(shù)的應(yīng)用，壓力發(fā)生器在各種工業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)相應(yīng)的檢定規(guī)程的需求十分迫切，因此經(jīng)全國(guó)壓力計(jì)量技術(shù)委員會(huì)向國(guó)家質(zhì)檢總局申報(bào)，并已于2011 年通過(guò)審定并批準(zhǔn)立項(xiàng)，由中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所為主要起草單位制定自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器檢定規(guī)程，起草小組已于2012 年12 月向技術(shù)委員會(huì)上交了征求意見(jiàn)稿。本文對(duì)編制過(guò)程中遇到的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了梳理總結(jié)，供大家交流和探討。

1 自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的概述

壓力發(fā)生器是能輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力，并能自動(dòng)控制輸出壓力大小的數(shù)字壓力計(jì)。其工作原理如圖1 所示，通過(guò)壓力發(fā)生器內(nèi)的壓力控制單元對(duì)傳壓介質(zhì)的壓力進(jìn)行控制，輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力量值，并通過(guò)壓力傳感器對(duì)被控的壓力量值進(jìn)行測(cè)量，在顯示器上直接顯示出來(lái)。壓力發(fā)生器按傳壓介質(zhì)可分為氣體介質(zhì)壓力發(fā)生器和液體介質(zhì)壓力發(fā)生器。

圖1 壓力發(fā)生器工作原理示意圖

2 自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)

由于壓力發(fā)生器近些年才在國(guó)內(nèi)廣泛使用，以前沒(méi)有相關(guān)的檢定規(guī)程，所以目前各級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)對(duì)送檢的壓力發(fā)生器均暫時(shí)參考數(shù)字壓力計(jì)的檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。當(dāng)前的數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程沒(méi)有包含對(duì)壓力發(fā)生器壓力控制功能的檢定方法，無(wú)法對(duì)其壓力控制功能的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)做出評(píng)判和衡量。雖然壓力發(fā)生器包含了數(shù)字壓力計(jì)的功能，但二者的使用方式并不完全相同。如果壓力發(fā)生器僅僅作為壓力測(cè)量?jī)x器使用，可以按照數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程中規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢定;但是，當(dāng)壓力發(fā)生器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)，必須對(duì)其壓力控制功能進(jìn)行評(píng)定，從而保證壓力發(fā)生器所提供的標(biāo)準(zhǔn)壓力量值準(zhǔn)確可靠。

考慮到壓力發(fā)生器兼有數(shù)字壓力計(jì)和壓力控制的功能，并且參考國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)壓力發(fā)生器的各種指標(biāo)，將計(jì)量性能的考察分測(cè)量功能和控制功能兩部分進(jìn)行了考核。

其中測(cè)量功能參考JJG875 －2005 《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容，考察示值誤差、回程誤差、零位漂移、周期穩(wěn)定性等方面內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓力發(fā)生器的控制功能技術(shù)指標(biāo)一般包括:控制保持限值(穩(wěn)定限值)、控制準(zhǔn)確度(控制精度)、壓力穩(wěn)定時(shí)間(控制響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、壓擺率)、最低可控壓力(控制低限)、典型測(cè)試容積(控制體積、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載)等。通過(guò)分析研究，起草小組認(rèn)為對(duì)控制功能進(jìn)行控制穩(wěn)定性、壓力控制超調(diào)量、控制響應(yīng)時(shí)間、目標(biāo)壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)的考核。

控制穩(wěn)定性為壓力發(fā)生器輸出的標(biāo)準(zhǔn)壓力在一定時(shí)間內(nèi)保持在有限邊界區(qū)域內(nèi)的性能。該性能綜合考慮了控制保持限值(穩(wěn)定限值)和控制準(zhǔn)確度(控制精度)，是壓力發(fā)生器最重要的控制功能技術(shù)指標(biāo)，直接影響到壓力發(fā)生器輸出壓力的量值。

壓力控制超調(diào)量為壓力發(fā)生器在接近目標(biāo)壓力值過(guò)程中，其壓力值動(dòng)態(tài)越過(guò)目標(biāo)壓力值的最大程度。壓力發(fā)生器在控制過(guò)程中，一般都會(huì)出現(xiàn)升壓過(guò)沖和降壓回調(diào)現(xiàn)象，該指標(biāo)是對(duì)升壓過(guò)沖和降壓回調(diào)的最大程度進(jìn)行限制，主要是從防止超調(diào)引起被校儀表示值變化的角度來(lái)考慮。

控制響應(yīng)時(shí)間為壓力發(fā)生器從發(fā)生一個(gè)步進(jìn)值的變化開(kāi)始，到下一個(gè)目標(biāo)壓力值穩(wěn)定輸出時(shí)所需要的時(shí)間，該指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的壓力穩(wěn)定時(shí)間(控制響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、壓擺率)技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。因?yàn)椴竭M(jìn)值和典型測(cè)試容積(控制體積、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載)直接影響控制響應(yīng)時(shí)間，所以一般國(guó)外壓力發(fā)生器是在典型負(fù)載容積(一般為50，100 cc 等)的情況下測(cè)量的控制響應(yīng)時(shí)間，另外，步進(jìn)值也不盡相同。為方便操作和達(dá)成統(tǒng)一，初步考慮在不外加負(fù)載容積，完成量程10%步進(jìn)值時(shí)衡量控制響應(yīng)時(shí)間。另外，對(duì)于壓力變化率有特殊要求的壓力儀表，或者壓力發(fā)生器為大容積負(fù)載設(shè)計(jì)工作的儀表，可按生產(chǎn)廠家的負(fù)載容積及步進(jìn)值要求進(jìn)行檢定。

目標(biāo)壓力穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間為壓力發(fā)生器保持其穩(wěn)定輸出目標(biāo)壓力值的時(shí)間。將壓力發(fā)生器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)，能在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持其控制目標(biāo)壓力的穩(wěn)定性十分重要，否則將直接影響壓力發(fā)生器校準(zhǔn)儀表時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)壓力的可靠性。

3 控制穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)

控制穩(wěn)定性是壓力發(fā)生器最重要的控制功能技術(shù)指標(biāo)，直接影響到壓力發(fā)生器輸出壓力的量值，是壓力發(fā)生器不確定度評(píng)定的主要分量。

一般來(lái)說(shuō)，壓力發(fā)生器在t1時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定輸出目標(biāo)壓力值階段，輸出的壓力值會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)(t2－t1)保持在有限邊界區(qū)域內(nèi)，如圖2 所示，控制穩(wěn)定性就是要考核壓力發(fā)生器在一定時(shí)間內(nèi)(t2－t1)壓力控制輸出的最大值Pmax和最小值Pmin偏離目標(biāo)壓力值P 的程度，一般用Pmax及Pmin與目標(biāo)壓力值P 的差值絕對(duì)值的最大值來(lái)衡量。

圖2 壓力發(fā)生器控制穩(wěn)定性示意圖

為保證檢定過(guò)程科學(xué)合理，在進(jìn)行控制穩(wěn)定性檢定時(shí)不應(yīng)直接讀取被檢壓力發(fā)生器的示值，而應(yīng)選擇另一數(shù)字壓力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即參考數(shù)字壓力計(jì)。參考數(shù)字壓力計(jì)應(yīng)選擇重復(fù)性好、分辨力高(分辨力優(yōu)于被檢壓力發(fā)生器示值最大允許誤差絕對(duì)值的1/10)的數(shù)字壓力計(jì)，其測(cè)量范圍應(yīng)大于或等于被檢壓力發(fā)生器測(cè)量范圍。另外，為了避免人為影響，且可在短時(shí)間內(nèi)記錄壓力極值，需要采用數(shù)采方式記錄參考數(shù)字壓力計(jì)測(cè)量的壓力值。

4 不確定度評(píng)定

如果壓力發(fā)生器僅作為壓力測(cè)量?jī)x器使用，可以按照數(shù)字壓力計(jì)評(píng)定方法，對(duì)其測(cè)量壓力的不確定度進(jìn)行評(píng)定;當(dāng)壓力發(fā)生器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)，在不確定度分析時(shí)，在數(shù)字壓力計(jì)不確定度評(píng)定的基礎(chǔ)上，應(yīng)加入其控制功能的不確定度分量。所以，我們需要先整理一下數(shù)字壓力計(jì)的不確定度評(píng)定，再以此為基礎(chǔ)對(duì)壓力發(fā)生器輸出壓力進(jìn)行不確定度評(píng)定。

4.1 數(shù)字壓力計(jì)不確定度評(píng)定

目前，數(shù)字壓力計(jì)不確定度評(píng)定主要為數(shù)字壓力計(jì)作為被測(cè)器具的情況，即對(duì)上一級(jí)壓力標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量數(shù)字壓力計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，一般將示值誤差作為測(cè)量結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行不確定度評(píng)定。測(cè)量模型如公式(1)所示。

式中:Δp 為示值誤差;pr為數(shù)字壓力計(jì)示值;ps為標(biāo)準(zhǔn)壓力值。

當(dāng)數(shù)字壓力計(jì)作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主要依靠最大允許誤差來(lái)衡量其性能，而忽視了壓力測(cè)量的不確定度評(píng)定，用壓力測(cè)量的不確定度來(lái)衡量，可以更全面地反映其作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的性能和水平。數(shù)字壓力計(jì)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，其壓力測(cè)量的不確定度分量應(yīng)包括數(shù)字壓力計(jì)的示值、周期穩(wěn)定性、零位漂移、示值的溫度修正、示值的高度差修正等。

此外，我們往往忽略數(shù)字壓力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)壓力值很難像活塞式壓力計(jì)那樣穩(wěn)定，不管數(shù)字壓力計(jì)采用何種方式(手動(dòng)或自動(dòng)控制)輸出壓力，其實(shí)際輸出值不可能完全達(dá)到設(shè)定值。手動(dòng)控制壓力時(shí)，一般會(huì)在設(shè)定值一定范圍內(nèi)認(rèn)為其輸出壓力值為標(biāo)準(zhǔn)壓力設(shè)定值，一般這個(gè)范圍相對(duì)于被檢儀表的允差可以忽略;自動(dòng)控制壓力時(shí)(即自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器)，不管采用靜態(tài)控制還是動(dòng)態(tài)控制方式，控制應(yīng)保證輸出壓力值在設(shè)定值一定范圍之間，這個(gè)范圍即為“控制穩(wěn)定性”。

4.2 壓力發(fā)生器輸出壓力值的不確定度評(píng)定

通過(guò)以上分析，當(dāng)壓力發(fā)生器作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其輸出壓力值的不確定度評(píng)定應(yīng)包括壓力發(fā)生器的示值、周期穩(wěn)定性、零位漂移、溫度修正、高度差修正等分量，此外，還應(yīng)包括控制穩(wěn)定性分量。

壓力發(fā)生器輸出壓力值的不確定度評(píng)定測(cè)量模型如公式 (2)所示。

式中:p 為壓力發(fā)生器的實(shí)際輸出壓力值;pi為壓力發(fā)生器的示值;pc為壓力發(fā)生器的控制穩(wěn)定性;ps為壓力發(fā)生器的示值周期穩(wěn)定性;pz為壓力發(fā)生器的零位漂移影響;(1 + αt)為壓力發(fā)生器的溫度修正項(xiàng);ρgh 為壓力發(fā)生器和被測(cè)儀表參考位置高度差修正項(xiàng)。

在分析控制穩(wěn)定性pC引入的不確定度分量時(shí)，可以引用溯源證書(shū)上控制穩(wěn)定性的實(shí)際測(cè)試值，也可以引用達(dá)到的檢定規(guī)程中的控制穩(wěn)定性指標(biāo)，還可以引用廠家提供的控制穩(wěn)定性指標(biāo)(控制保持限值)。

在分析示值pI引入的不確定度分量時(shí)，如溯源證書(shū)為校準(zhǔn)證書(shū)，則可直接引用證書(shū)上給出的示值的擴(kuò)展不確定度;如溯源證書(shū)為檢定證書(shū)，則可引用示值最大允許誤差。采用校準(zhǔn)證書(shū)，應(yīng)對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行修正使用，可提高使用的準(zhǔn)確度，減少示值引入的不確定度;采用檢定證書(shū)，則不需修正，使用方便，但示值引入的不確定度分量相對(duì)較大。

5 結(jié)論

自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器作為新一代的壓力標(biāo)準(zhǔn)器具，由于其自動(dòng)化水平和工作效率而得到廣泛應(yīng)用，相信隨著應(yīng)用的推廣和規(guī)程的制定，相關(guān)人員對(duì)于壓力發(fā)生器的認(rèn)識(shí)將會(huì)逐步加深。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG875 －2005 數(shù)字壓力計(jì)［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2005.

［2］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司. 力學(xué)計(jì)量［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［3］壓力計(jì)量專(zhuān)業(yè)委員會(huì). 壓力測(cè)量不確定度評(píng)定實(shí)例［M］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

［4］FLUKE 公司計(jì)量校準(zhǔn)部. 精密壓力校準(zhǔn)產(chǎn)品手冊(cè)［Z］.