溫度對壓力變送器計量數(shù)據(jù)可靠性的影響

摘要：隨著智能化計量器具在現(xiàn)場的大量應(yīng)用,計量器具的現(xiàn)場檢測成為大勢所趨,然而現(xiàn)場檢測不能滿足檢定規(guī)程中對溫度的控制,這對檢測結(jié)果造成影響,無法保證計量數(shù)據(jù)的可靠,。以壓力變送器為例,分析溫度對檢測結(jié)果的影響,并提出溫度對檢測結(jié)果影響的解決方法,。
       隨著油田智能化、數(shù)字化改造的深人開展,智能化計量器具在油氣生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用,起到了數(shù)據(jù)的采集,、傳輸,、控制報警、監(jiān)控等功能,。為了保證計量數(shù)據(jù)正確,、可靠，需要按照檢定規(guī)程或校準(zhǔn)方法的要求開展計量器具定期檢測工作,。但是,部分計量器具存在因生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)運行不能拆卸,、計量器具連接部分銹蝕不易拆卸、運輸和安裝過程易造成計量器具損壞,、送檢期間需要配備大量備用表等問題,使計量器具無法按期開展檢測或造成檢測延遲,不能保證計量數(shù)據(jù)的可靠,。因此,計量檢測工作需要走出實驗室,深人現(xiàn)場開展檢測或比對,保證計量器具量值溯源或傳遞的可靠性。但是現(xiàn)場檢測環(huán)境條件比較復(fù)雜,影響檢測結(jié)果的不確定因素較多,如溫度,、高度,、振動、電磁等,，難以滿足檢定規(guī)程的要求,。以壓力變送器為例,探討溫度對其檢測結(jié)果正確率的影響。
        在JJG882--2004《壓力變送器》"檢定規(guī)程中明確規(guī)定,檢定時環(huán)境溫度要求控制在(20+5)C,而現(xiàn)場環(huán)境難以控制在這個范圍,。溫度變化對檢測結(jié)果的影響,主要來源于標(biāo)準(zhǔn)器及被檢壓力變送器兩方面,。“在現(xiàn)場條件下，經(jīng)分析因標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備引人的擴(kuò)展不確定度Ugs仍不超過被檢壓力變送器允許誤差絕對值的1/3~1/4時,方可進(jìn)行現(xiàn)場檢測。”這就需要在檢測前,，對標(biāo)準(zhǔn)器是否滿足檢測條件進(jìn)行評價,也就是在進(jìn)行測量不確定度分析時,對標(biāo)準(zhǔn)器輸人的B類測量不確定度進(jìn)行評定,。
       例如,一-塊作為標(biāo)準(zhǔn)器的智能數(shù)字壓力校驗儀,測量范圍0~2.5MPa,精度等級0.05級,最大允許誤差為+0.00125MPa;輸出電流-30~30mA,最大允許誤差為+0.02%讀數(shù)、1μA;溫度補(bǔ)償范圍:-10~50C,。被測壓力變送器測量范圍為0~2.5MPa,精度等級為0.5級。
建立數(shù)學(xué)模型:

        其中:△I為壓力變送器的輸出誤差,mA;I為壓力變送器的輸出電流,mA;L為壓力變送器輸出量程,mA;P為壓力變送器輸人壓力值,MPa;P為壓力變送器輸人量程,MPa;l,。為壓力變送器輸出起始值,mA,。輸人壓力對壓力變送器輸出誤差的靈敏度系數(shù)為:

        輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為:

1.1輸入量P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定
1)P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源是智能數(shù)字壓.力校驗儀。在該量程的最大允許誤差不超過±0.00125MPa,。
按均勻分布估計,則:

2)環(huán)境溫度的不確定度,。溫度變化從2個方面影響其輸出:一是零點漂移,二是影響滿量程輸出。環(huán)境溫度超過規(guī)定5C時,溫度影響引入的誤差為:

1.2輸入量1的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定
      i 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源是輸出的直流電流的示值誤差,。
輸出直流電流的示值誤差不超過+5μA,按均勻分布估計，則:

u(I)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度估計95%,則自由度U21=200
       將上述不確定度分量列于表1,。其中:i為不確定度來源序號;xi為不確定度來源;ai為xi的誤差分散區(qū)間半寬或誤差限;ki為包含因子;[u(xi)]為標(biāo)準(zhǔn)不確定度;|ci|為靈敏系數(shù);ui(y)為變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量;?i為自由度。

1.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定
       由于u(P)和u(I)彼此間相互獨立,因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I及有效自由度Veft分別為:

        由標(biāo)準(zhǔn)器帶來的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I為5.44μA,。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u.(△I接近正態(tài)分布,同樣可以查t分布得到k95=1.96,。因此校準(zhǔn)時由標(biāo)準(zhǔn)器帶來的擴(kuò)展不確定度為:
U95=k95×u.(△I)=1.96x5.44=10.67μA
       被檢壓力變送器的允許誤差為80μA,。規(guī)范中要求校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)及配套設(shè)備在校準(zhǔn)中引人的擴(kuò)展不確定度U95應(yīng)不超過被校壓力變送器允許誤差絕對值的1/4,即20μA,因此本評定中標(biāo)準(zhǔn)器的選擇符合規(guī)范的要求,。如果標(biāo)準(zhǔn)器選擇不能滿足要求,將會增大測量結(jié)果的不確定度。
2溫度對被檢壓力變送器的影響
       為了說明環(huán)境溫度的變化對被檢壓力變送器的影響,需要通過大量的試驗分析,。
1)需要選擇試驗的環(huán)境溫度,。環(huán)境溫度的影響應(yīng)在制造商規(guī)定的溫度范圍內(nèi)測量,一般可參照使用說明書;若未規(guī)定溫度值,根據(jù)GB/T17214.1-1998《工業(yè)過程測量和控制裝置工作條件第一部分:氣候條件》凹中各種場所等級的氣候條件參數(shù)和嚴(yán)酷度,選定溫度限制范圍?？紤]各油氣田所在區(qū).域溫度情況,并參考17個壓力變送器廠家的使用說明書,除去惡劣環(huán)境條件,選定在-20~50℃溫度限值范圍內(nèi)開展試驗。
2)選擇試驗方法,。在GB/T17614.1--1998《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用變送器第1部分:性能評定方法》“7試驗程序和試驗報告中規(guī)定:環(huán)境溫度試驗方法詳細(xì)描述參照IEC61298-3”,而GB/T18271.3一2017《過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序第3部分:影響量影響的試驗》4等同采用IEC61298-3,。因此，試驗方法主要參照GB/T18271.3--2017中“5環(huán)境溫度影響”開展試驗,。
       利用允差為+2℃,環(huán)境溫度的變化速率小于1℃/min的高,、低溫試驗箱溫度。試驗標(biāo)準(zhǔn)壓力值以規(guī)程規(guī)定為主,按量程一般均勻選取5~6個試驗點(包括零點及滿量程),。將壓力變送器放入高,、低溫試驗箱中,以10℃為間隔,逐漸升溫(降溫)至溫.度范圍.上(下)限,待溫度穩(wěn)定且保持不少于3h后,進(jìn)行溫度影響示值誤差試驗。
       對參與試驗的26塊壓力變送器,分別讀取試驗數(shù)據(jù),。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算不同溫度下的壓力示值誤差,選出部分典型數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總(表2),。

       通過試驗可以看出，壓力變送器的具有代表性的3種結(jié)果分別為:
1)除20℃合格,其他溫度點均不合格,如序號為1的壓力變送器,。出現(xiàn)這類問題主要的原因是溫度補(bǔ)償裝置出現(xiàn)問題,。傳感器是由金屬材料和半導(dǎo)體材料制作而成的敏感元件,它的靜特性與溫度有非常密切的關(guān)系,采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施對傳感器的溫度附加誤差進(jìn)行修正，可提高測量的正確率,。
        傳感器的溫度補(bǔ)償一般可分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償2種,。內(nèi)部補(bǔ)償是通過設(shè)計傳感器的結(jié)構(gòu),完善制造工藝,控制敏感材料特性等方式來減小溫度的影響;外部補(bǔ)償方式主要分為硬件補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償。任何一部分出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致溫度補(bǔ)償故障,使壓力變送器出現(xiàn)不合格,此種不合格的壓力變送器需返廠修理,。因此,在現(xiàn)場檢測時,如果現(xiàn)場溫度無法控制,建議對于檢測不合格的壓力變送器送至實驗室再次開展檢測工作,。
2)在所有的溫度下均合格,如序號為2的壓力變送器,。該種壓力變送器性能穩(wěn)定,、可靠,是系統(tǒng)計量中期望的情況。
3)在-20℃時不合格,其他點均合格的壓力變送器,如序號4的壓力變送器;在-10℃,、-20℃不合格,其它點合格的壓力變送器,如序號3的壓力變送器,。
3降低溫度對檢測結(jié)果影響的方法
1)標(biāo)準(zhǔn)器出廠時都有使用溫度補(bǔ)償范圍,在規(guī)定的范圍內(nèi),溫度對其影響量較小，在進(jìn)行標(biāo)器的不確定度評定后,基本能夠滿足要求,。如果溫度變化較大,，標(biāo)準(zhǔn)器對測量結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的影響,解決方法是:①可以選擇更高精度等級的標(biāo)準(zhǔn)器,以減小B類不確定度評定時引人的不確定度分量;②對每個檢測點的檢測結(jié)果給出測量不確定度。
2)在溫度對被檢壓力變送器影響的3種結(jié)果中,，重點對第3種進(jìn)行分析,。通過表2可以看出，-10℃和-20℃示值超差點均為壓力上限處,。因此,可參照GB/T34073-2017《物聯(lián)網(wǎng)壓力變送器規(guī)范》“5.3有關(guān)影響量的影響”中規(guī)定(表3),。

       依據(jù)表3可以看出,環(huán)境溫度變化量影響量在.下限值溫度系數(shù)及量程溫度系數(shù)中可給予放寬。也就是說,如果只是在零位及滿量程時示值超差,，可根據(jù)每10℃給出的放寬量判斷壓力變送器是否符合要求,。因此,可看出超差的5塊壓力變送器的大示值誤差均在環(huán)境溫度影響量允許值范圍內(nèi)，而且現(xiàn)場壓力變送器使用的壓力點一.般在量程的1/3~2/3處,，即可以判斷該類壓力變送器可繼續(xù)在現(xiàn)場使用,對計量數(shù)據(jù)的可靠性影響較小,。
       通過溫度對標(biāo)準(zhǔn)器與被檢壓力變送器影響的分析,建議現(xiàn)場檢測時,環(huán)境溫度在0~40℃的開展檢測工作;在規(guī)程規(guī)定的15~25℃的按檢定規(guī)程開展檢測工作;超出15~25℃時,壓力變送器的零位及滿量程大允許誤差應(yīng)放寬并給出測量結(jié)果不.確定度。以此來確定現(xiàn)場檢測壓力變送器的性能是否滿足生產(chǎn)需要,提高計量數(shù)據(jù)的可靠性,。