動態直接比較法在校準絕對壓力變送器中應用

摘要:隨著絕對壓力變送器制造技術的進步和其測量范圍的擴大，按照JJIG882--2004《壓力變送器》規程中要求的校準方法和標準器已經不能滿足其在中真空下的校準要求，文章介紹了通過采用動態直接比較法對絕對壓力變送器在30Pa~1.2kPa范圍進行校準的方法。
　　RH爐精煉工藝所要求的真空壓力通常在低真空10²~10²Pa和中真空10²~10^-1Pa范圍，在此工藝要求下，通常選用皮拉尼規或電容薄膜真空計或者絕對壓力變送器作為中、低真空過程檢測儀表。但在實際應用中，真空計不僅價格昂貴、互換性差，且諸如MKS系列真空計可能還會受到非商業因素的影響而無法采購。從計量校準角度來講，除國防計量系統和國家級計量測試研究院外，省市級地方法定計量檢定機構基本不具備該類儀表的檢定和校準條件，而外送檢定從經濟性和可操作性.上都有著較大的困難。
　　相較以上的不便，絕對壓力變送器無疑有著先天優勢。由于此類設備已標準化，通用性強，技術成熟，所以在工業現場廣泛采用，但是能否將絕對壓力變送器應用到中真空的檢測需要解決如下2個要求。
(1)要有適合的標準設備和校準裝置
　　根據JJG882--2004《壓力變送器》檢定規程，同時參考主流標準器供應商的產品說明，檢定絕對壓力變送器可選的標準器通常為0.05級、測量范圍為0~-100kPa的數字壓力計，即使是FLUKEPPC4EX-100K的數字壓力計，在搭配不同精度高傳感器下，其承諾的校準范圍也僅僅為絕對壓力1kPa~10MPa，二者測量范圍均未覆蓋中真空，其配套設備的性能同樣無法滿足中真空下的校準要求。
(2)要有適合的校準方法
　　根據與多個變送器制造商溝通了解，由于傳感器制造技術的進步，多數絕對壓力變送器的測量范圍可以覆蓋中真空，如E+H隨機出廠的校準報告中已經體現其已采用電容薄膜真空計作為真空標準，但出于商業和技術原因，在絕大多數絕對壓力變送器的供應商提供的選型手冊中，仍未對1kPa以下直至中真空測量范圍內的計量性能進.行承諾，如擬將絕對壓力變送器應用在30Pa~1.2kPa范圍，需要對其在該范圍的計量性能進行校準，而JJG882-2004《壓力變送器》檢定規程中提供的方法不能滿足需求。
　　綜上所述，只要解決上述矛盾，將通過校準的絕對壓力變送器應用在30Pa~1.2kPa是可以實現的。
1標準裝置的組成
　　參照了JJG729--1991《二等標準動態相對法真空檢定裝置》檢定規程的要求并根據實際需求適當簡化，設計建造了該動態直接比對法校準裝置，用于滿足測量范圍為30Pa~1.2kPa絕對壓力變送器的校準，原理圖如圖1所示。
 
1.1裝置的原理
　　準裝置的原理是將被校準的真空計與主標準器連接到裝置的真空室上，通過微調閥調節真空室中的氣體壓力，當真空室達到所需穩定均勻的平衡壓，力時，被校絕對壓力變送器和主標準器同時測量真空室中的壓力，并將測量結果直接比較，并給出示值誤差或校準曲線。
1.2裝置的組成
　　裝置選用了INFICON型號為CDG025D的量程為10Torr(1.33kPa)的電容薄膜真空計連同VGC401真空顯示控制單元作為該絕對壓力變送器校準裝置的標準器，用于校準測量1kPa以下的絕對壓力變送器，同時該裝置預留了未來100Torr(13.3kPa)，1000Torr(133kPa)的擴展接口，裝置中的主要配套設備包括，旋片式真空泵、真空室、主標準器(電容薄膜真空計)、壓力微調閥、管路等。
1.2.1真空泵選擇
　　假設系統極限壓強P極限為1Pa，需要先計算空載時的總放氣和漏氣率。
　　漏放率的計算:管道直徑DB=6mm，L=1500mm，圓柱形真空室體積V=0.02m³(預估)，內表面積S=0.48m²
設:(1)系統Q涵=0.0007Pa·L/s
(2)系統沖入干燥氮氣
(3)容器壁放氣量
　　已知:材料302不銹鋼(1Cr18Ni9)出氣率ρ10h=4x10^-7Pa·L/(s·cm²).
　　所以容器壁Q出=ρ10h·S=0.00192Pa·L/s
　　經估算，總充氣和漏氣量Q為1.83Pa·L/s.真空泵的有效抽速Se=Q/P極限=109.8L/min，取20%的設計余量和管道流導的影響，真空泵實際抽速應達到SL=1.2xSe=131.8L/min。根據泵的抽速即可為本系統選配適宜的真空泵。
1.2.2真空室的計算
　　真空室是比對法真空校準裝置設計的關鍵部分，根據JJG729-1991的要求，選用圓筒型容器作為真空室的主要形式，要求筒長與筒徑之比不大于3，在設計真空室的容積時，要大于連接到該容積被檢真空規總容積的20倍，該裝置的真空室的容積設計為20L，整套裝置備有3個標準ISO/KF接口和ISO/KF轉M20x1.5mm接口，同時可接3個標準的真空計和1個被校絕壓變送器，通過查說明書和經過計算標準真空計和被校變送器的總容積為0.015L，遠小于真空室的容積，真空室的尺寸符合要求。
2校準程序和基本計算
2.1校準程序
　　校準前必須確保標準器和被校變送器加電預熱2h以上，同時需確認管道密封良好，被校變送器過程接口清潔、無雜物。
　　首先將被校變送器正確安裝，位置如圖1所示。關閉微調閥和放氣閥后，打開真空泵及其連接管路.上的真空閥，對傳感器安裝接口及真空氣室進行抽氣，當真空顯示控制單元顯示的壓力值達到1Pa左右時，逐步打開微調閥，使氣瓶內的氣體通過微調閥進入真空氣室，通過平衡抽氣和氣瓶補氣達到動態的平衡后，真空顯示控制器的顯示值達到預定的校準壓力值時，讀取被校變送器示值，完成校準后，關閉真空泵及真空泵后的真空閥，關閉氣瓶和同時關閉真空氣室的微調閥后，打開放氣閥，待壓力達到大氣壓時，卸下變送器，校準結束。操作流程如圖2所示。
 
2.2基本計算
　　通過手動調節，將標準器的設定點誤差控制在±5Pa以內，當標準示值穩定后，連續記錄5次被校表示值然后取平均值，并進行誤差計算。
△A=`Ad-As
　　式中:△A為絕對壓力變送器示值誤差，Pa;`Ad為被校變送器示值算術平均值，Pa;As為標準器示值，Pa。
3絕對壓力變送器的計量性能驗證
　　根據校準操作程序和計算方法，隨機抽取2臺在使用的不同廠商的絕對壓力變送器進行校準，測量范圍設定為0~1200Pa，為驗證變送器實際計量性能，根據JJG882--2004的要求，選擇的校準范圍為24~1200Pa。
　　先分別將變送器按24Pa進行零點調整后，進行兩組校準，在此過程中變送器不做其他調整，兩臺絕對壓力變送器的測量數據如表1和表2所示。
 
 
4校準過程測量不確定度評定
　　真空校準過程中需要考慮的不確定度通常包括環境因素、標準器的分辨力、真空室內的氣體均勻性、裝置的穩定性和是否有吸放氣效應等多種因素。經過分析歸納，校準過程中主要的不確定度來源包括標準器引入的不確定度、重復性引入的不確定度和標準裝置壓力穩定性引入的不確定度。
4.1標準器引入的不確定度
　　校準絕對壓力變送器除包括電容薄膜真空計之外，還包括電測標準設備的不確定度。這里1#標準器采用的是inficon公司的電容薄膜真空計，經過上級校準機構使用比較法真空標準裝置校準后給出的不確定度Urel=0.6%，其引入的不確定度分量為ub1=0.3%。2#標準器采用的是FLUKE8808A，20mA檔的不確定度為Urel=0.02%，其引入的不確定度分量為ub2=0.01%。
4.2重復性引入的不確定度
　　以被校絕對壓力變送器設定測量范圍1.2kPa,在50Pa環境下進行了10次重復性實驗，測試數據分別為:54.2、52、51.6、50.5、48.5、47.7、50.9、52、53.3、54Pa，平均值為51.47Pa,單次測量標準差為2.16Pa。
　　在重復性條件下測量10次，日常校準中以5次測量算術平均值作為測量結果，則:
 
4.3標準壓力穩定性引入的不確定度
　　由于該裝置的結構和性能限制，壓力的穩定度最大能控制在±5Pa，此區間服從均勻分布，則有:
 
4.4合成標準不確定度
　　因各輸入量獨立，互不影響，則有:
 
4.5擴展不確定度
　　取包含因子k=2，真空裝置校準的擴展不確定度為Urel=0.4%。
5注意事項
(1)絕對壓力變送器的動態校準方法不同于普通壓力變送器的逐點造壓/疏空后的示值快速比對。真空校準前抽氣至1Pa的目的在于確認其連接的氣密性和穩定性;逐點校準過程中通入氮氣調整壓力的目的是最大限度降低空氣雜質和消除不均勻性的影響。如真空室內未達到穩定狀態，其校準結果將會嚴重失真，所以其達到穩定校準條件的耗時要遠大于普通壓力檢定。
(2)使用比較法真空校準裝置校準絕對壓力變送器中的不確定度主要取決于主要標準器的不.確定度，如條件允許，應盡可能選用更高一級的標準器。
(3)為將泄漏控制到最小，密封材料和連接件的密封性能至關重要。普通壓力變送器過程接口及其密封材料與真空系統中常用的規格有明顯區別。如常用規格為NPT等椎管螺紋纏繞四氟纏.繞帶以及M20x1.5直管螺紋墊四氟墊圈或橡膠墊圈組合，而中、低真空系統中常用KFHSO快速接頭和0型密封圈(通常為普通橡膠和丁基橡膠)，因此校準前需要考慮不同接頭密封性能的區別和轉換需求。
(4)從計量性能驗證數據分析，絕對壓力變送器可以作為中真空壓力的測量設備，但受限于傳感器類型和廠商的制造水平，建議校準后根據需求進行遷移，或根據繪制的校準曲線使用。(5)此校準裝置為手動操作，為達到JJG729-1991中穩定度的要求，建議在雙人配合下進行操作。
(5)此校準裝置為手動操作，為達到JJG729-1991中穩定度的要求，建議在雙人配合下進行操作。
(6)因現在絕大多數智能變送器均帶有表頭輸出，同時其變送輸出的帶來的不確定度基本可以忽略不計，因此，在本文中未提及絕對壓力變送器的輸出部分的計算，實際應用中如有需要，應參照JJG882-2004進行。
6結束語
　　根據實踐，在遵循真空設計規范的前提下，通過比較法真空校準裝置校準測量范圍在30Pa以.上絕對壓力變送器是經濟、可行的。