溫度對壓力變送器計量數據可靠性的影響

摘要：隨著智能化計量器具在現場的大量應用,計量器具的現場檢測成為大勢所趨,然而現場檢測不能滿足檢定規程中對溫度的控制,這對檢測結果造成影響,無法保證計量數據的可靠。以壓力變送器為例,分析溫度對檢測結果的影響,并提出溫度對檢測結果影響的解決方法。
       隨著油田智能化、數字化改造的深人開展,智能化計量器具在油氣生產現場廣泛應用,起到了數據的采集、傳輸、控制報警、監控等功能。為了保證計量數據正確、可靠，需要按照檢定規程或校準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系統持續運行不能拆卸、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,不能保證計量數據的可靠。因此,計量檢測工作需要走出實驗室,深人現場開展檢測或比對,保證計量器具量值溯源或傳遞的可靠性。但是現場檢測環境條件比較復雜,影響檢測結果的不確定因素較多,如溫度、高度、振動、電磁等，難以滿足檢定規程的要求。以壓力變送器為例,探討溫度對其檢測結果正確率的影響。
        在JJG882--2004《壓力變送器》"檢定規程中明確規定,檢定時環境溫度要求控制在(20+5)C,而現場環境難以控制在這個范圍。溫度變化對檢測結果的影響,主要來源于標準器及被檢壓力變送器兩方面。“在現場條件下，經分析因標準器及配套設備引人的擴展不確定度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,方可進行現場檢測。”這就需要在檢測前，對標準器是否滿足檢測條件進行評價,也就是在進行測量不確定度分析時,對標準器輸人的B類測量不確定度進行評定。
       例如,一-塊作為標準器的智能數字壓力校驗儀,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、1μA;溫度補償范圍:-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。
建立數學模型:

        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為:

        輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數為:

1.1輸入量P的標準不確定度的評定
1)P的標準不確定度的主要來源是智能數字壓.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。環境溫度超過規定5C時,溫度影響引入的誤差為:

1.2輸入量1的標準不確定度的評定
      i 的標準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)的相對標準不確定度估計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的誤差分散區間半寬或誤差限;ki為包含因子;[u(xi)]為標準不確定度;|ci|為靈敏系數;ui(y)為變送器輸出的標準不確定度分量;?i為自由度。

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

        由標準器帶來的合成標準不確定度u.(△I為5.44μA。合成標準不確定度u.(△I接近正態分布,同樣可以查t分布得到k95=1.96。因此校準時由標準器帶來的擴展不確定度為:
U95=k95×u.(△I)=1.96x5.44=10.67μA
       被檢壓力變送器的允許誤差為80μA。規范中要求校準用標準及配套設備在校準中引人的擴展不確定度U95應不超過被校壓力變送器允許誤差絕對值的1/4,即20μA,因此本評定中標準器的選擇符合規范的要求。如果標準器選擇不能滿足要求,將會增大測量結果的不確定度。
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)需要選擇試驗的環境溫度。環境溫度的影響應在制造商規定的溫度范圍內測量,一般可參照使用說明書;若未規定溫度值,根據GB/T17214.1-1998《工業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和嚴酷度,選定溫度限制范圍。考慮各油氣田所在區.域溫度情況,并參考17個壓力變送器廠家的使用說明書,除去惡劣環境條件,選定在-20~50℃溫度限值范圍內開展試驗。
2)選擇試驗方法。在GB/T17614.1--1998《工業過程控制系統用變送器第1部分:性能評定方法》“7試驗程序和試驗報告中規定:環境溫度試驗方法詳細描述參照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環境溫度影響”開展試驗。
       利用允差為+2℃,環境溫度的變化速率小于1℃/min的高、低溫試驗箱溫度。試驗標準壓力值以規程規定為主,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,待溫度穩定且保持不少于3h后,進行溫度影響示值誤差試驗。
       對參與試驗的26塊壓力變送器,分別讀取試驗數據。根據試驗數據計算不同溫度下的壓力示值誤差,選出部分典型數據進行匯總(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。出現這類問題主要的原因是溫度補償裝置出現問題。傳感器是由金屬材料和半導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系,采取適當的補償措施對傳感器的溫度附加誤差進行修正，可提高測量的正確率。
        傳感器的溫度補償一般可分為內部補償和外部補償2種。內部補償是通過設計傳感器的結構,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;外部補償方式主要分為硬件補償方法和軟件補償。任何一部分出現問題都會導致溫度補償故障,使壓力變送器出現不合格,此種不合格的壓力變送器需返廠修理。因此,在現場檢測時,如果現場溫度無法控制,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定、可靠,是系統計量中期望的情況。
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降低溫度對檢測結果影響的方法
1)標準器出廠時都有使用溫度補償范圍,在規定的范圍內,溫度對其影響量較小，在進行標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，標準器對測量結果已經產生了明顯的影響,解決方法是:①可以選擇更高精度等級的標準器,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種結果中，重點對第3種進行分析。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《物聯網壓力變送器規范》“5.3有關影響量的影響”中規定(表3)。

       依據表3可以看出,環境溫度變化量影響量在.下限值溫度系數及量程溫度系數中可給予放寬。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境溫度影響量允許值范圍內，而且現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在現場使用,對計量數據的可靠性影響較小。
       通過溫度對標準器與被檢壓力變送器影響的分析,建議現場檢測時,環境溫度在0~40℃的開展檢測工作;在規程規定的15~25℃的按檢定規程開展檢測工作;超出15~25℃時,壓力變送器的零位及滿量程大允許誤差應放寬并給出測量結果不.確定度。以此來確定現場檢測壓力變送器的性能是否滿足生產需要,提高計量數據的可靠性。