自动标准压力发生器检定规程编制过程中问题的探讨

2013-12-10李鑫武盛晓岩彭轶

计测技术 2013年1期

李鑫武，盛晓岩，彭轶

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

自动标准压力发生器(以下简称压力发生器)在压力计量行业又称数字式压力控制器。压力发生器在工作过程中可以自动产生并恒定压力，因此可以提高压力计量工作的自动化水平和工作效率;同时，压力发生器的便携性和对环境的适应能力，可以有效解决现场的压力测试仪器量传的问题。

随着科学技术的发展及新技术的应用，压力发生器在各种工业领域得到了越来越广泛的应用，对相应的检定规程的需求十分迫切，因此经全国压力计量技术委员会向国家质检总局申报，并已于2011 年通过审定并批准立项，由中航工业北京长城计量测试技术研究所为主要起草单位制定自动标准压力发生器检定规程，起草小组已于2012 年12 月向技术委员会上交了征求意见稿。本文对编制过程中遇到的几个问题进行了梳理总结，供大家交流和探讨。

1 自动标准压力发生器的概述

压力发生器是能输出标准压力，并能自动控制输出压力大小的数字压力计。其工作原理如图1 所示，通过压力发生器内的压力控制单元对传压介质的压力进行控制，输出标准压力量值，并通过压力传感器对被控的压力量值进行测量，在显示器上直接显示出来。压力发生器按传压介质可分为气体介质压力发生器和液体介质压力发生器。

图1 压力发生器工作原理示意图

2 自动标准压力发生器的技术指标

由于压力发生器近些年才在国内广泛使用，以前没有相关的检定规程，所以目前各级计量机构对送检的压力发生器均暂时参考数字压力计的检定规程进行检定。当前的数字压力计检定规程没有包含对压力发生器压力控制功能的检定方法，无法对其压力控制功能的各项技术指标做出评判和衡量。虽然压力发生器包含了数字压力计的功能，但二者的使用方式并不完全相同。如果压力发生器仅仅作为压力测量仪器使用，可以按照数字压力计检定规程中规定的各项技术指标进行检定;但是，当压力发生器作为压力标准器提供标准压力时，必须对其压力控制功能进行评定，从而保证压力发生器所提供的标准压力量值准确可靠。

考虑到压力发生器兼有数字压力计和压力控制的功能，并且参考国内外生产压力发生器的各种指标，将计量性能的考察分测量功能和控制功能两部分进行了考核。

其中测量功能参考JJG875 －2005 《数字压力计检定规程》相关内容，考察示值误差、回程误差、零位漂移、周期稳定性等方面内容。

国内外生产的压力发生器的控制功能技术指标一般包括:控制保持限值(稳定限值)、控制准确度(控制精度)、压力稳定时间(控制响应速度、转换时间、压摆率)、最低可控压力(控制低限)、典型测试容积(控制体积、标准负载)等。通过分析研究，起草小组认为对控制功能进行控制稳定性、压力控制超调量、控制响应时间、目标压力稳定持续时间等技术指标的考核。

控制稳定性为压力发生器输出的标准压力在一定时间内保持在有限边界区域内的性能。该性能综合考虑了控制保持限值(稳定限值)和控制准确度(控制精度)，是压力发生器最重要的控制功能技术指标，直接影响到压力发生器输出压力的量值。

压力控制超调量为压力发生器在接近目标压力值过程中，其压力值动态越过目标压力值的最大程度。压力发生器在控制过程中，一般都会出现升压过冲和降压回调现象，该指标是对升压过冲和降压回调的最大程度进行限制，主要是从防止超调引起被校仪表示值变化的角度来考虑。

控制响应时间为压力发生器从发生一个步进值的变化开始，到下一个目标压力值稳定输出时所需要的时间，该指标与国内外产品的压力稳定时间(控制响应速度、转换时间、压摆率)技术指标相对应。因为步进值和典型测试容积(控制体积、标准负载)直接影响控制响应时间，所以一般国外压力发生器是在典型负载容积(一般为50，100 cc 等)的情况下测量的控制响应时间，另外，步进值也不尽相同。为方便操作和达成统一，初步考虑在不外加负载容积，完成量程10%步进值时衡量控制响应时间。另外，对于压力变化率有特殊要求的压力仪表，或者压力发生器为大容积负载设计工作的仪表，可按生产厂家的负载容积及步进值要求进行检定。

目标压力稳定持续时间为压力发生器保持其稳定输出目标压力值的时间。将压力发生器作为压力标准器提供标准压力时，能在一定时间范围内保持其控制目标压力的稳定性十分重要，否则将直接影响压力发生器校准仪表时提供标准压力的可靠性。

3 控制稳定性技术指标

控制稳定性是压力发生器最重要的控制功能技术指标，直接影响到压力发生器输出压力的量值，是压力发生器不确定度评定的主要分量。

一般来说，压力发生器在t1时间进入稳定输出目标压力值阶段，输出的压力值会在一定时间内(t2－t1)保持在有限边界区域内，如图2 所示，控制稳定性就是要考核压力发生器在一定时间内(t2－t1)压力控制输出的最大值Pmax和最小值Pmin偏离目标压力值P 的程度，一般用Pmax及Pmin与目标压力值P 的差值绝对值的最大值来衡量。

图2 压力发生器控制稳定性示意图

为保证检定过程科学合理，在进行控制稳定性检定时不应直接读取被检压力发生器的示值，而应选择另一数字压力计进行监测，即参考数字压力计。参考数字压力计应选择重复性好、分辨力高(分辨力优于被检压力发生器示值最大允许误差绝对值的1/10)的数字压力计，其测量范围应大于或等于被检压力发生器测量范围。另外，为了避免人为影响，且可在短时间内记录压力极值，需要采用数采方式记录参考数字压力计测量的压力值。

4 不确定度评定

如果压力发生器仅作为压力测量仪器使用，可以按照数字压力计评定方法，对其测量压力的不确定度进行评定;当压力发生器作为压力标准器提供标准压力时，在不确定度分析时，在数字压力计不确定度评定的基础上，应加入其控制功能的不确定度分量。所以，我们需要先整理一下数字压力计的不确定度评定，再以此为基础对压力发生器输出压力进行不确定度评定。

4.1 数字压力计不确定度评定

目前，数字压力计不确定度评定主要为数字压力计作为被测器具的情况，即对上一级压力标准测量数字压力计的测量结果进行不确定度评定，一般将示值误差作为测量结果，并对其进行不确定度评定。测量模型如公式(1)所示。

式中:Δp 为示值误差;pr为数字压力计示值;ps为标准压力值。

当数字压力计作为计量标准时，主要依靠最大允许误差来衡量其性能，而忽视了压力测量的不确定度评定，用压力测量的不确定度来衡量，可以更全面地反映其作为计量标准的性能和水平。数字压力计作为测量标准，其压力测量的不确定度分量应包括数字压力计的示值、周期稳定性、零位漂移、示值的温度修正、示值的高度差修正等。

此外，我们往往忽略数字压力计作为标准，其标准压力值很难像活塞式压力计那样稳定，不管数字压力计采用何种方式(手动或自动控制)输出压力，其实际输出值不可能完全达到设定值。手动控制压力时，一般会在设定值一定范围内认为其输出压力值为标准压力设定值，一般这个范围相对于被检仪表的允差可以忽略;自动控制压力时(即自动标准压力发生器)，不管采用静态控制还是动态控制方式，控制应保证输出压力值在设定值一定范围之间，这个范围即为“控制稳定性”。

4.2 压力发生器输出压力值的不确定度评定

通过以上分析，当压力发生器作为测量标准时，其输出压力值的不确定度评定应包括压力发生器的示值、周期稳定性、零位漂移、温度修正、高度差修正等分量，此外，还应包括控制稳定性分量。

压力发生器输出压力值的不确定度评定测量模型如公式 (2)所示。

式中:p 为压力发生器的实际输出压力值;pi为压力发生器的示值;pc为压力发生器的控制稳定性;ps为压力发生器的示值周期稳定性;pz为压力发生器的零位漂移影响;(1 + αt)为压力发生器的温度修正项;ρgh 为压力发生器和被测仪表参考位置高度差修正项。

在分析控制稳定性pC引入的不确定度分量时，可以引用溯源证书上控制稳定性的实际测试值，也可以引用达到的检定规程中的控制稳定性指标，还可以引用厂家提供的控制稳定性指标(控制保持限值)。

在分析示值pI引入的不确定度分量时，如溯源证书为校准证书，则可直接引用证书上给出的示值的扩展不确定度;如溯源证书为检定证书，则可引用示值最大允许误差。采用校准证书，应对每个校准点进行修正使用，可提高使用的准确度，减少示值引入的不确定度;采用检定证书，则不需修正，使用方便，但示值引入的不确定度分量相对较大。