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液位計標準裝置的計量性能評價

來源: 作者: 發布日期:2020-04-23

 摘 要: 液位計標準裝置用于液位計的量值傳遞,其計量性能直接決定了液位計的檢定結果,進而影響液位計的使用。對建立的三套液位計標準裝置的計量性能進行評價,從引入其不確定度的各個參量定量分析其影響量,建立測量模型并計算合成不確定度,進而評價其計量性能。結果得出三套液位計標準裝置的擴展不確定度分別為: 差壓式 Urel = 0. 05% 、靜壓式 U = 1. 5mm、反射式 U = 2. 0mm( k 均取 2) ,能夠較好滿足工業級液位計的量傳需求。

 
引言
       隨著工業自動化的發展,液位計的應用越來越廣泛,但液位計標準裝置的發展相對滯后。新疆計量院建立了三套不同類型的液位計標準裝置,以滿足各種液位計的檢定需求。[1]三套裝置分別為: 差壓式液位計標準裝置、靜壓式液位計標準裝置和反射式液位計標準裝置。[2 - 4]為了解其計量性能,現分別對計量性能進行分析和評價。 
 
1、差壓式液位計標準裝置
 
       差壓式液位計標準裝置主要由主標準器壓力校驗儀、打壓設備壓力泵、連接管和支撐臺組成,檢定介質為空氣。引入不確定度的分量有: 主標準器的測量誤差、測量重復性兩個參量。由此建立測量模型為:E = Ea + Eb ( 1)
 
       式中: E—裝置的測量誤差,% ; Ea—主標準器引入的 測 量 誤 差,% ; Eb—測量重復性引入的誤差,% 。
 
       對分量求偏導,得到其靈敏系數分別為 ca、cb :靈敏系數計算公式
 
       根據上述測量模型,建立傳播率公式為:
建立傳播率公式
 
1. 1 不確定度分量評定
       主標準器的測量誤差 Ea可以根據其溯源證書得出: 小量程( 0 ~ 200) kPa 主標準器的非常大測量誤差為 0. 03kPa,示值誤差為: E1 = 0. 03kPa /200kPa = 0. 015%
 
       大量程( 0 ~ 4000) kPa 主標準器非常大測量誤差0. 4kPa,示值誤差為: E2 = 0. 4kPa /4000kPa = 0. 01%
 
       取非常大的示值誤差,按照均勻分布計算,所以其分量為: urel ( Ea ) = 0. 009%
 
       測量重復性引入的誤差 Eb通過實驗數據計算得出。選擇一個性能穩定的差壓式液位計,其準確度等級為2. 5 級,測量范圍( 0 ~ 5000) mm,按照檢定規程,選擇 6 個檢定點,分別為非常大量 程 的 5% 、 20% 、40% 、60% 、80% 、100% ,均重復檢定 10 次,得到其測量誤差見表 1。
 
       對非常好個檢定點的測量誤差計算單次試驗標準偏差:
測量誤差計算單次試驗標準偏差:差壓式液位計的測量誤差
 
       計算其他檢定點的單次試驗標準偏差,結果依次為:s2 = 0. 016% ; s3 = 0. 020% ; s4 = 0. 012% ; s5 = 0. 013% ; s6 = 0. 015%
取其中非常大值,所以其影響量為: urel ( Eb ) = 0. 020%
 
       根據以上分量匯總見表 2。
不確定度分量統計表
 
1. 2 不確定度計算
       根據式( 3) ,得到合成不確定度:
20200423160032.jpg
       取擴展因子 k =2,則標準裝置的擴展不確定度為: Urel = k × urel ( E) = 0. 044% ≈0. 05% ( 6) 
 
2 靜壓式液位計標準裝置
       靜壓式液位計標準裝置主要由水箱、主標準器、工控系統等組成,檢定介質為循環水。其不確定度來源有主標準器的測量誤差、水的溫度測量誤差、測量重復性三個分量。[5]由此建立測量模型為:
             E = Ea + Eb + Ec ( 7)
式中: E—裝置的測量誤差,mm; Ea—主標準器的測量誤差,mm; Eb—水的溫度引入的測量誤差, mm; Ec—測量重復性引入的誤差,mm。
 
       對分量求偏導,得到其靈敏系數分別為 ca、cb、 cc,值均為 1,由此建立傳播率公式為:
20200423160055.jpg
 
2. 1 不確定度分量評定
       主標準器測量誤差 Ea可以根據其校準結果得出: 標準器在裝置測量范圍內非常大測量誤差為:
 Ea = 1. 22mm
       按照均勻分布計算,其影響量為: 
u( Ea ) = 0. 704mm
       采用數字溫度計測量水的溫度,其測量誤差 Eb表現為數字溫度計的測量誤差。根據其校準證書,擴展不確定為 U =0. 3℃,k =2,標準不確定度為 u =0. 15℃。試驗用的水溫為常溫狀態,約( 13 ~ 18) ℃,對應水的密度為( 0. 9994 ~ 0. 9986) g /ml,引起的水的密度變化為 0. 0008g /ml,對應引起的非常大高度變化為3000mm × 0. 0008 = 2. 4mm,即水的溫度變化引起的非常大高度變化為 0. 48mm /℃。由此,可以得出由數字溫度計測量水的溫度引起的誤差為: 
u( Eb ) = 0. 48mm /℃ × 0. 3℃ = 0. 144mm
 
       測量重復性引入的誤差 Ec通過實驗數據計算得出。選擇一個性能穩定的靜壓式液位計,非常大允許誤差 ± 5mm,測量范圍( 0 ~ 2000) mm。選擇檢定點依次為 5% 、20% 、40% 、60% 、80% 、100% 。各檢定點均重復測量 10 次,得到的示值誤差見表 3。
靜壓式液位計的測量誤差
 
       非常好個檢定點的單次試驗標準偏差:
單次試驗標準偏差
       其他檢定點的單次試驗標準偏差依次為: s2 = 0. 069mm; s3 = 0. 104mm; s4 = 0. 090mm; s5 = 0. 093mm; s6 = 0. 101mm
 
       取非常大值作為測量結果,s = 0. 104mm。所以其影響量為: u( Ec) = 0. 104mm
 
       根據以上參量匯總見表 4。
不確定度分量統計表
2. 2 不確定度計算
       根據式( 9) ,得到合成不確定度:
20200423160429.jpg
       取擴展因子 k =2,得到的標準裝置擴展不確定度: U = k × u( E) = 1. 45mm≈1. 5mm ( 11) 
 
3 反射式液位計標準裝置
       反射式液位計標準裝置主要由電動推車、主標準器、支撐臺、水平導軌、反射板和工控系統等組成。引入不確定度的來源有: 主標準器測量誤差、溫度變化引入的誤差、被檢液位計與主標準器的角度偏差引入的誤差、測量重復性等。由此建立測量模型: 
E = Ea + Eb + Ec + Ed ( 12)
       式中: E—裝置的測量誤差,mm; Ea—主標準器的測量誤差,mm; Eb—溫度變化引入的誤差,mm; Ec—被檢液位計與主標準器角度偏差引入的測量誤差,mm; Ed—測量重復性引入的誤差,mm。
 
       對以上各分量求偏導,得到其靈敏系數分別為
       ca、cb、cc、cd,值均為 1。由此建立傳播率公式為:
20200423160602.jpg
 
3. 1 不確定度分量評定
       主標準器的測量誤差 Ea可以根據其校準結果,主標準器非常大允許誤差 ± 1. 5mm,取 k = 2,所以其影響量為: 
u( Ea ) = 1. 5mm /2 = 0. 75mm
 
       溫度變化引入的誤差 Eb主要表現在對激光的傳播速度的影響。由于檢測環境為室內,溫度常年保持在( 22 ~26) ℃,檢定過程中溫度變化不超過 1℃,導致的測量誤差為 Eb = ±0. 02mm( 溫度變化 1℃引起激光測距誤差為 ±1mm/km,即 ±0. 02mm/20m) 。在測量范圍內均勻分布得到其引入的影響量 u( Eb ) =0. 01mm。
 
       被檢液位計與主標準器水平角度偏差引入的測量誤差 Ec主要表現在坡度測量儀的測量誤差和測量過程中裝置震動引起的角度偏差。坡度測量儀的測量影響量為 u = 0. 108°; 裝置震動引起的角度偏差由多次試驗得出。根據多次試驗得到,震動引起的角度偏差為 0. 3°。兩者正相關,由此得到非常大角度偏差為 0. 408°,在裝置測量范圍內引入非常大測量誤差為:
 
       Ec = ±︱20000mm -20000mm × cos( 0. 408°) ︱ = ± 0. 507mm
 
       在測量范圍內均勻分布,由此得到其影響量為:
        u( Ec) = 0. 293mm
 
       測量重復性引入的誤差 Ed通過實驗得出。選一臺性 能 穩 定 的 反 射 式 液 位 計,非常 大 允 許 誤 差± 5mm,測量范圍( 0 ~ 10000) mm。選擇檢定點依次為: 5% 、20% 、40% 、60% 、80% 、100% 。各重復測量10 次,得到的示值誤差見表 5。
反射式液位計的測量誤差
        第1 個檢定點的單次試驗標準偏差:
20200423161753.jpg
       其他檢定點的單次試驗標準偏差: s2 = 0. 185mm; s3 = 0. 156mm; s4 = 0. 193mm;
 
       s5 = 0. 110mm; s6 = 0. 123mm
       取非常大值作為測量結果( 見表 6) ,s =0. 193mm,所以其影響為: u( Ed ) = 0. 193mm
不確定度分量統計表
3. 2 不確定度計算
       根據式( 14) ,得到合成不確定度:
20200423161855.jpg
       取擴展因子 k = 2,得到裝置擴展不確定度: U = k × u( E) = 1. 66mm≈2. 0mm ( 16) 4 實驗結論
 
       通過對上述三套液位計標準裝置的計量性能評價,分別得到擴展不確定度為:
 
       差壓式 Urel = 0. 05% ; 靜壓式 U = 1. 5mm; 反射式 U = 2. 0mm( k 均取 2) 。
 
       依據 JJG 971 規定的( 4 ~ 5) 倍量傳關系,能夠檢定的液位計等級或非常大允許誤差分別為: 差壓式液位計準確度等級 0. 2 級,靜壓式液位計非常大允許誤差 ± 6mm,反射式液位計非常大允許誤差 ± 8mm,[1]能夠較好滿足工業級液位計的量傳需求。
 

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