螺纹扫描仪测量石油螺纹单项参数的不确定度讨论

衡哲

【摘 要】螺纹全参数扫描技术的最新发展成果对石油螺纹的检测有着重大的意义；本文从石油螺纹单一中径的测量方案和数据精度两个方面阐述了螺纹扫描仪测量石油螺纹参数的方法；第一部分建立相关数学模型，分析影响测量结果的各个参量；第二部分合成各个参量的不确定度数值，整合计算出仪器最终测量的扩展不确定度数值。该方法同样适用于使用螺纹扫描仪测量其他种类的螺纹参数的不确定评估。

【关键词】螺纹；单项参数；石油

0 引言

传统的紧密距测量已经不能满足石油行业的发展要求，而更加全面的石油螺纹单项参数检测一直是石油计量行业的难题，现在随着螺纹扫描技术的不断发展，这一难题已经逐步可以解决。本文介绍通过使用螺纹量规扫描仪测量获得的螺纹单项参数的结果，对其不确定度进行分析。

1 数学模型

由于API螺纹塞规的的单一中径D值可以在IAC螺纹量规扫描仪上直接读得，故有：Y=d

式中：Y～API螺纹塞规的单一中径

d～测量时在仪器上读取的单一中径值

2 标准不确定度的评定

单一中径的变化利用下式计算：

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

测量不确定度的构成因素：测量读数重复性引入的标准不确定度u（s）；仪器分辨率引入的标准不确定度u（m）；仪器示值误差引起的标准不确定度u（d）；中间标准器引入的标准不确定度u（ds）；气源压力变化引起的标准不确定度u（q）；被测量规与中间标准器膨胀系数差引入的标准不确定度u（δα）；被测量规与中间标准器温度差引入的标准不确定度u（δt）

2.1 测量重复性带来的不确定度分量u1

在同一测量截面上的同一牙型位置重复测量10次，得到单一中径测量列如下：352.3924、352.3925、352.3926、352.3924、352.3921、352.3924、352.3925、

352.3929、352.3921、352.3927

单次实验标准差s=■=0.25μm

单点测量重复性引入的标准不确定度

u（s）=0.25μm，灵敏度系数c1=1

则u1=u（s）×c1=0.25μm

2.2 仪器分辨率引入的不确定度分量u2

由使用说明书知，仪器的分辨率为0.1μm，仪器为数字显示，则由仪器分辨率引入的标准不确定度为：

u（m）=0.1/2■=0.029μm，灵敏度系数c2=1

则u2=u（m）×c2=0.03μm

仪器分辨率引入的不确定度和重复性引起的不确定度取其中较大者。则仪器分辨率引入的不确定度不再考虑。

2.3 螺纹综合测量机引入的不确定度分量u3

由校准证书可知，仪器测量不确定度为3.0μm（k=2），包括主标准器和参照面标准器的影响，因此由螺纹综合测量机引入的标准不确定度为：

u（d）=0.3/2=1.5μm，灵敏度系数c3=1

则u3=u（d）×c3=1.5μm

2.4 中间标准器示值误差引入的不确定度分量u4

由使用说明书知，仪器通过中间标准器来修正仪器测量坐标轴，而其中间标准器的测量不確定度为0.5μm（k=2），则由中间标准器引入的标准不确定度为：

u（ds）=0.5/2=0.25μm，灵敏度系数c4=1

则u4=u（ds）×c4=0.25μm

2.5 气源压力变化引起的不确定度分量

由使用说明书可知，检定时供气变化对示值影响不大于0.01μm，估计为均匀分布，k=■，则气源压力变化引起的标准不确定度分为：

u（q）=0.01/■=0.006μm，灵敏度系数c5=1

则u5=u（ds）×c5=0.01μm

2.6 被测量规与中间标准器膨胀系数差引入的不确定度分量u6

两者热膨胀系数均为（11.5±1）×10-6℃-1，考虑到测量温度与20℃之差可为正或负，且最大偏差为0.1℃，膨胀系数差在半宽为2×10-6℃-1的区间呈均匀分布，则被测量规与中间标准器膨胀系数差引入的标准不确定度为：

u（δα）=2×10-6/■=1.15×10-6℃-1，

灵敏度系数c6=dΔt=352.392×0.1=35.239μm·℃

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

2.7 被测量规与中间标准器温度差引入的不确定度分量u7

两者的温度差估计不超过±0.1℃，其在半宽t为0.1℃范围内服从均匀分布，则被测量规与中间标准器温度差引入的标准不确定度为：

u（δt）=0.1/■=0.058℃，

灵敏度系数c6=daS=352.392×11.5×10-6=4.053×10-3μm·℃-1（下转第139页）

（上接第102页）

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

2.8 合成不确定度

表1

由各分量的标准不确定度，可以计算得合成标准不确定度为

uc=■=1.6μm

2.9 扩展不确定度

取k=2，则U=kuc=3.2μm