影响压力测量审核结果的因素分析

2014-04-26张贤

计测技术 2014年3期

张贤

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

测量审核是将一个性能稳定且具有参考值的样品寄送给实验室，将实验室校准结果与参考值进行比较，从而判断该实验室的校准结果是否为满意结果，要想得到一个客观准确的校准结果，实验室的标准装置性能是否良好，校准方法是否正确，影响量分析的是否全面，数据处理是否合理都会对校准结果产生影响，以下从几个常见的压力测量审核问题进行分析总结，提出一些有针对性的解决方法。

1 专用砝码质量超差问题

选用活塞式压力计作为标准器进行测量审核，有些实验室的测量结果误差呈线性趋势变化，原因主要是专用砝码存在以下几个问题:

1)有的实验室只送检活塞，不对活塞的配套专用砝码进行量值溯源。

2)有的实验室虽然送检专用砝码，得到了实际的砝码质量值，但由于砝码本身没有调整腔 (一些国外活塞)，上级计量机构无法对砝码质量值进行调整，只出具了校准证书，申请实验室没有对校准证书确认是否满足使用要求，误认为计量没有问题了。

3)有些实验室使用双活塞式压力计，共有一套专用砝码，专用砝码质量允差无法兼顾到两个活塞，造成输出值有问题。

4)没有区分折算质量和真空质量，质量专业按照砝码检定规程一般给出折算质量。折算质量的定义［1］:一物体在约定温度和约定密度的空气中，与一约定密度的标准器达到平衡，则标准器的质量即为该物体的折算质量。约定温度tr为20℃，约定的空气密度ρ0为1.2 kg/cm3，砝码折算质量的约定密度为 ρref为8000 kg/cm3;压力专业按照活塞式压力计检定规程给出的是真空质量，两者之间存在差距，砝码的真空质量值与折算质量值的换算关系为

假设空气密度变化不大，均采用标准空气密度ρ0，折算质量值为1 kg，计算不同的砝码材料真空质量值和折算质量偏离值见表1。

表1 不同的砝码材料真空质量值和折算质量值偏离值

由以上数据可以看出，砝码的折算质量值，已不再是该砝码的真空质量值，两者之间存在着一个偏离量值。偏离量值的大小，取决于该砝码的实际密度与统一约定密度之间的差。差值越大，偏离量值也越大，在砝码不是不锈钢的情况下 (砝码密度偏离8000 kg/m3越大)，真空质量值和折算质量值的偏差越大，所以实际工作中一定要将折算质量值换算为真空质量值再进行比较才有意义。

针对以上4种问题，解决办法如下:

1)活塞式压力计作为标准时，专用砝码作为主要设备必须溯源，有砝码计量能力的单位可以自己计量，但要有证书。

2)砝码计量后，将得到砝码折算质量值，通过公式换算为真空质量值，将此值与活塞式压力计证书里给出的砝码真空质量值进行比较，看是否在质量允差内，要进行确认，不满足要调整砝码。我所对于计算值与实际值不一致的情况，一般活塞证书出具校准证书。

3)针对砝码不可调整或双活塞压力计共用一套砝码情况，首先要确认，如不满足要求，应采取措施:①利用计算软件进行修正 (工作量比较大，且不易控制);②调整砝码在允差内;③双活塞时，最好另加工一套砝码。

4)由计算公式将质量专业给出的折算质量值换算为真空质量值，再与压力专业给出的真空质量值进行比较，由质量差值调整砝码或进行修正。

2 “反校法”存在问题

一些单位用数字压力计做标准时采用的“反校法”，该方法在计量技术2002No2有一篇精密压力仪表仪器半自动化检定系统的文章中详细介绍，即通过手动操作压力校验器，将被检压力表的指针固定在整数检定点，这时读取标准数字压力计的示值，通过公式被检表读数=2×检定点实际值－标准数字表读数反算出被检精密压力表数值。这种检定方法不符合JJG 49-2013弹性元件式精密压力表和真空表检定规程［2］中对检定条件的要求，表2列举了使用规程检定方法和反校法检定同一块精密压力表得到的对比数据。

表2 规程检定方法和反校法检定精密压力表数据对比 MPa

由表2可以看出，两种方法得到的数据有差异，经过分析使用反校法存在以下问题:

1)读取标准示值时，示值往往不稳定，这是由于系统内压力没有稳定造成的，被检指针表分辨力低，反映不出系统压力实际情况，因此误差将不可控。

2)数据处理即使采用反算法也不合适，数据是按标准的分辨力读取的，不符合规程要求，另外不确定度分析时，引用标准的分辨力作为分量显然也不合理。

3 “高度差”存在问题

在压力测量审核中，无论使用气体和液体，高度差对测量结果都有或大或小的影响。下面我们就分析一下如何考虑高度差问题。

1)气注高度差的计算公式

根据气体密度与压力值之间呈正比关系，在绝压测量模式表压测量模式时，可分别用公式 (2)、公式(3)表示。

式中:ρ为气体密度，kg/m3;p为压力值，MPa。

假设高度差为5 cm，根据公式P=ρgh计算在表压测量模式时不同的压力点气柱高度差产生的压力误差影响量见表3。其中:ρ为检定时使用介质的密度 (随压力变化的气体密度值);g为检定地点的重力加速度(北京为9.8015 m/s2)。

表3 表压测量模式时不同压力点气柱高度差产生的压力误差影响量

由表3可以看出，压力值小于1 MPa时，气柱高度差的影响比较大，所以在校准准确度等级优于0.05级的仪器时需要进行高度差的修正;压力值大于1 MPa时，气柱高度差的影响较小，此时可以不进行高度差修正。

2)液柱高度差

假设液柱高度差为5 cm，高度测量误差为±0.5 cm，检定使用介质为癸二酸 (密度值916 kg/m3)，计算在不同的压力点液柱高度差产生的压力误差影响量见表4。

表4 不同压力点液柱高度差产生的压力误差影响量

由表4可以看出，压力值小于2 MPa时，即使对液柱高度差进行了修正，但由于高度差测量不准代入的影响量也是非常大的，所以建议检定准确度等级优于0.05级的仪器时，应采用气体作为工作介质，避免高度差对校准结果产生过大的影响;压力值小于6 MPa时，应考虑液柱高度差对测量结果带来的影响。

4 平均值修约与不确定度关系问题

测量审核中是以多次重复测量的平均值作为校准结果，如何对平均值进行数据修约，使其保留适当的有效数据，这点对评判结果很重要。例如一台0.1级测量范围为0～25 MPa的数字压力计，在20 MPa点进行了6次重复测量，测量数据为 19.995，19.995，20.000，19.995，20.000，20.000 MPa，测量结果的扩展不确定度为0.0063 MPa，正确的平均值应该修约为多少，有的认为多保留一位安全数字应该是19.9975 MPa，其实测量结果的修约与不确定度有很大的关系，我们应该根据不确定度对测量结果进行修约，修约原则［3］为:U的第一个有效数字为1，2时，U取两位有效数字;第一位有效数字为3或3以上时，U只取一位有效数字，对舍弃数据按照1/3原则进行取舍;测量结果的修约区间应等于U的修约区间。

根据修约原则0.0063的第一位有效数字大于3，所以U只保留1位数字，对第2位数字按照1/3原则进行修约，得到，再按照不确定度的修约区间对测量结果进行修约，得到