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龙8标准装置的计量性能评价

来源: 作者: 发布日期:2020-04-23

 摘 要: 龙8标准装置用于龙8的量值传递,其计量性能直接决定了龙8的检定结果,进而影响龙8的使用。对建立的三套龙8标准装置的计量性能进行评价,从引入其不确定度的各个参量定量分析其影响量,建立测量模型并计算合成不确定度,进而评价其计量性能。结果得出三套龙8标准装置的扩展不确定度分别为: 差压式 Urel = 0. 05% 、静压式 U = 1. 5mm、反射式 U = 2. 0mm( k 均取 2) ,能够较好满足工业级龙8的量传需求。

 
引言
       随着工业自动化的发展,龙8的应用越来越广泛,但龙8标准装置的发展相对滞后。新疆计量院建立了三套不同类型的龙8标准装置,以满足各种龙8的检定需求。[1]三套装置分别为: 差压式龙8标准装置、静压式龙8标准装置和反射式龙8标准装置。[2 - 4]为了解其计量性能,现分别对计量性能进行分析和评价。 
 
1、差压式龙8标准装置
 
       差压式龙8标准装置主要由主标准器压力校验仪、打压设备压力泵、连接管和支撑台组成,检定介质为空气。引入不确定度的分量有: 主标准器的测量误差、测量重复性两个参量。由此建立测量模型为:E = Ea + Eb ( 1)
 
       式中: E—装置的测量误差,% ; Ea—主标准器引入的 测 量 误 差,% ; Eb—测量重复性引入的误差,% 。
 
       对分量求偏导,得到其灵敏系数分别为 ca、cb :灵敏系数计算公式
 
       根据上述测量模型,建立传播率公式为:
建立传播率公式
 
1. 1 不确定度分量评定
       主标准器的测量误差 Ea可以根据其溯源证书得出: 小量程( 0 ~ 200) kPa 主标准器的非常大测量误差为 0. 03kPa,示值误差为: E1 = 0. 03kPa /200kPa = 0. 015%
 
       大量程( 0 ~ 4000) kPa 主标准器非常大测量误差0. 4kPa,示值误差为: E2 = 0. 4kPa /4000kPa = 0. 01%
 
       取非常大的示值误差,按照均匀分布计算,所以其分量为: urel ( Ea ) = 0. 009%
 
       测量重复性引入的误差 Eb通过实验数据计算得出。选择一个性能稳定的差压式龙8,其准确度等级为2. 5 级,测量范围( 0 ~ 5000) mm,按照检定规程,选择 6 个检定点,分别为非常大量 程 的 5% 、 20% 、40% 、60% 、80% 、100% ,均重复检定 10 次,得到其测量误差见表 1。
 
       对非常好个检定点的测量误差计算单次试验标准偏差:
测量误差计算单次试验标准偏差:差压式龙8的测量误差
 
       计算其他检定点的单次试验标准偏差,结果依次为:s2 = 0. 016% ; s3 = 0. 020% ; s4 = 0. 012% ; s5 = 0. 013% ; s6 = 0. 015%
取其中非常大值,所以其影响量为: urel ( Eb ) = 0. 020%
 
       根据以上分量汇总见表 2。
不确定度分量统计表
 
1. 2 不确定度计算
       根据式( 3) ,得到合成不确定度:
20200423160032.jpg
       取扩展因子 k =2,则标准装置的扩展不确定度为: Urel = k × urel ( E) = 0. 044% ≈0. 05% ( 6) 
 
2 静压式龙8标准装置
       静压式龙8标准装置主要由水箱、主标准器、工控系统等组成,检定介质为循环水。其不确定度来源有主标准器的测量误差、水的温度测量误差、测量重复性三个分量。[5]由此建立测量模型为:
             E = Ea + Eb + Ec ( 7)
式中: E—装置的测量误差,mm; Ea—主标准器的测量误差,mm; Eb—水的温度引入的测量误差, mm; Ec—测量重复性引入的误差,mm。
 
       对分量求偏导,得到其灵敏系数分别为 ca、cb、 cc,值均为 1,由此建立传播率公式为:
20200423160055.jpg
 
2. 1 不确定度分量评定
       主标准器测量误差 Ea可以根据其校准结果得出: 标准器在装置测量范围内非常大测量误差为:
 Ea = 1. 22mm
       按照均匀分布计算,其影响量为: 
u( Ea ) = 0. 704mm
       采用数字温度计测量水的温度,其测量误差 Eb表现为数字温度计的测量误差。根据其校准证书,扩展不确定为 U =0. 3℃,k =2,标准不确定度为 u =0. 15℃。试验用的水温为常温状态,约( 13 ~ 18) ℃,对应水的密度为( 0. 9994 ~ 0. 9986) g /ml,引起的水的密度变化为 0. 0008g /ml,对应引起的非常大高度变化为3000mm × 0. 0008 = 2. 4mm,即水的温度变化引起的非常大高度变化为 0. 48mm /℃。由此,可以得出由数字温度计测量水的温度引起的误差为: 
u( Eb ) = 0. 48mm /℃ × 0. 3℃ = 0. 144mm
 
       测量重复性引入的误差 Ec通过实验数据计算得出。选择一个性能稳定的静压式龙8,非常大允许误差 ± 5mm,测量范围( 0 ~ 2000) mm。选择检定点依次为 5% 、20% 、40% 、60% 、80% 、100% 。各检定点均重复测量 10 次,得到的示值误差见表 3。
静压式龙8的测量误差
 
       非常好个检定点的单次试验标准偏差:
单次试验标准偏差
       其他检定点的单次试验标准偏差依次为: s2 = 0. 069mm; s3 = 0. 104mm; s4 = 0. 090mm; s5 = 0. 093mm; s6 = 0. 101mm
 
       取非常大值作为测量结果,s = 0. 104mm。所以其影响量为: u( Ec) = 0. 104mm
 
       根据以上参量汇总见表 4。
不确定度分量统计表
2. 2 不确定度计算
       根据式( 9) ,得到合成不确定度:
20200423160429.jpg
       取扩展因子 k =2,得到的标准装置扩展不确定度: U = k × u( E) = 1. 45mm≈1. 5mm ( 11) 
 
3 反射式龙8标准装置
       反射式龙8标准装置主要由电动推车、主标准器、支撑台、水平导轨、反射板和工控系统等组成。引入不确定度的来源有: 主标准器测量误差、温度变化引入的误差、被检龙8与主标准器的角度偏差引入的误差、测量重复性等。由此建立测量模型: 
E = Ea + Eb + Ec + Ed ( 12)
       式中: E—装置的测量误差,mm; Ea—主标准器的测量误差,mm; Eb—温度变化引入的误差,mm; Ec—被检龙8与主标准器角度偏差引入的测量误差,mm; Ed—测量重复性引入的误差,mm。
 
       对以上各分量求偏导,得到其灵敏系数分别为
       ca、cb、cc、cd,值均为 1。由此建立传播率公式为:
20200423160602.jpg
 
3. 1 不确定度分量评定
       主标准器的测量误差 Ea可以根据其校准结果,主标准器非常大允许误差 ± 1. 5mm,取 k = 2,所以其影响量为: 
u( Ea ) = 1. 5mm /2 = 0. 75mm
 
       温度变化引入的误差 Eb主要表现在对激光的传播速度的影响。由于检测环境为室内,温度常年保持在( 22 ~26) ℃,检定过程中温度变化不超过 1℃,导致的测量误差为 Eb = ±0. 02mm( 温度变化 1℃引起激光测距误差为 ±1mm/km,即 ±0. 02mm/20m) 。在测量范围内均匀分布得到其引入的影响量 u( Eb ) =0. 01mm。
 
       被检龙8与主标准器水平角度偏差引入的测量误差 Ec主要表现在坡度测量仪的测量误差和测量过程中装置震动引起的角度偏差。坡度测量仪的测量影响量为 u = 0. 108°; 装置震动引起的角度偏差由多次试验得出。根据多次试验得到,震动引起的角度偏差为 0. 3°。两者正相关,由此得到非常大角度偏差为 0. 408°,在装置测量范围内引入非常大测量误差为:
 
       Ec = ±︱20000mm -20000mm × cos( 0. 408°) ︱ = ± 0. 507mm
 
       在测量范围内均匀分布,由此得到其影响量为:
        u( Ec) = 0. 293mm
 
       测量重复性引入的误差 Ed通过实验得出。选一台性 能 稳 定 的 反 射 式 液 位 计,非常 大 允 许 误 差± 5mm,测量范围( 0 ~ 10000) mm。选择检定点依次为: 5% 、20% 、40% 、60% 、80% 、100% 。各重复测量10 次,得到的示值误差见表 5。
反射式龙8的测量误差
        第1 个检定点的单次试验标准偏差:
20200423161753.jpg
       其他检定点的单次试验标准偏差: s2 = 0. 185mm; s3 = 0. 156mm; s4 = 0. 193mm;
 
       s5 = 0. 110mm; s6 = 0. 123mm
       取非常大值作为测量结果( 见表 6) ,s =0. 193mm,所以其影响为: u( Ed ) = 0. 193mm
不确定度分量统计表
3. 2 不确定度计算
       根据式( 14) ,得到合成不确定度:
20200423161855.jpg
       取扩展因子 k = 2,得到装置扩展不确定度: U = k × u( E) = 1. 66mm≈2. 0mm ( 16) 4 实验结论
 
       通过对上述三套龙8标准装置的计量性能评价,分别得到扩展不确定度为:
 
       差压式 Urel = 0. 05% ; 静压式 U = 1. 5mm; 反射式 U = 2. 0mm( k 均取 2) 。
 
       依据 JJG 971 规定的( 4 ~ 5) 倍量传关系,能够检定的龙8等级或非常大允许误差分别为: 差压式龙8准确度等级 0. 2 级,静压式龙8非常大允许误差 ± 6mm,反射式龙8非常大允许误差 ± 8mm,[1]能够较好满足工业级龙8的量传需求。
 

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