关于确定基于Q-RPT 产品的压力测量不确定度的指南

FlukeCorporation,DHInstrumentsDivisionTechnicalNote8050TN11 关于确定基于Q-RPT的产品的压力测量不确定度的指南MichaelBair2009年8月7日前言本文分析了基于Q-RPT的产品的不确定度，其中包括PPC3、PPC4、PPCH、PPCH-G、RPM4和E-DWT。关于RPM4-AD(一款基于Q-RPT的空气数据校准参考)的不确定度分析，请参见文献7020TN101。上文中列出的产品采用Q-RPT测量压力。Q-RPT为一款石英参考压力传感器，该传感器的原理是将压力转换为频率输出。尽管Q-RPT属于可用的昀精密压力测量仪器，但是作为传递标准，它也必须进行校准，从而输出正确的压力值。本指南重点说明使用的校准参考装置、Q-RPT复现参考输出的能力，以及在规定校准间隔内维持这种复现性的能力。本文分为三个主要部分。第一部分通过列出了全部的不确定度分量及其灵敏度和不确定度应用背后的深层原因，进而提供了完成典型压力测量不确定度分析的全部信息；第二部分检测了基于Q-RPT的产品的不同测量模式；昀后一部分介绍PPC4的不确定度设置。在本文末尾提供了表格，其中列出了在不同测量模式、是否使用自动调零功能，以及是否并联使用条件下，不同等级的Q-RPT的不确定度分量及其值。在本文中，Q-RPT的测量指标根据“测量不确定度评定指南”2的建议进行了不确定度分析。分别讨论了所有影响，以帮助使用Q-RPT产品的计量人员来评估不确定度是否适用于其具体应用。本文的昀后部分将全部的不确定度按照量程、模式和等级在表格中进行了汇总。值得注意的是，尽管这一不确定度分析适用于主流的Q-RPT，但是个别Q-RPT的不确定度很可能小于整体的不确定度。希望本文能够成为使用基于Q-RPT产品的用户计算个别Q-RPT不确定度的一个参考。在阅读本文时，可从DHI索取一份能帮助用户的Excel电子表格。不确定度分量由于使用和校准可能存在差异，所以有必要定义影响Q-RPT昀终不确定度的限制条件。y工作模式y流体介质y环境y方向y参考不确定度y校准和自动调零的频率y控制精度y驻留时间工作模式本不确定度分析适用于以下工作模式：y绝压y表压y负表压y并联/差压工作模式对本文所列的昀终不确定度具有一定的影响。对于绝大多数情况而言，昀终不确定的差异很小，但不可忽略。流体介质用来传递压力的介质对Q-RPT的昀终不确定度计算具有一定的影响。这主要是由于Q-RPT用户采用流体柱高度修正引起的。Q-RPT使用的流体有：y氮气y空气（清洁、干燥）y氦气y癸二酸酯y水y其它以上所列的流体可从Q-RPT产品的菜单中进行选择。对于液压RPM4和PPCH，介质类别“其它”中可以是除癸二酸酯或水之外的液体。对于RPM4，液体可以是与RPM4内部压力组件兼容的任何液体。对于PPCH，由于控制依赖性的原因，则必需是DHI推荐的液体。在本项不确定度分析中，假设使用的介质为氮气或癸二酸酯。就空气、氦气或水而言，这些不确定度偏差并不明显。FlukeCorporation,DHInstrumentsDivisionTechnicalNote8050TN11  环境只要湿度不致于产生凝结，那么仅有的限制要求就是振动、温度及温度变化速率。本次不确定度分析的温度限制如下：y温度：10～40°Cy温度变化：小于5°C/小时y振动：满足MIL-T28800D标准请注意，大多数基于Q-RPT的产品的工作温度范围为15～35°C。由于E-DWT规定的范围为10～40°C，并且其它产品由于范围扩展而引起的不确定度增大并不明显，所以分析时采用了10～40°C。方向Q-RPT只要经过校准，并且在相同的位置使用，就对方向并不敏感。尽管没有量化，但是认为由于方向而可能引起的变化是能够通过使用自动调零功能消除的一个偏移量。参考不确定度在本项分析中选择使用的参考不确定度倾向于尽量保守，使仪器管理人员能够灵活选择可用的参考。然而，还是假设使用一个活塞式压力计作为参考。也可以选择其它装置作为Q-RPT的参考，例如水银压力计，但是由于活塞式压力计能够校准所有的Q-RPT量程，以及考虑到其固有的重复性，所以推荐使用。在使用活塞式压力计的很多情况下，即使与Q-RPT的指标相比，其相对不确定度可能较高，但是其重复性和线性度要好得多。这就使得在曲线拟合及分析Q-RPT的一致性时具有较高的置信度。校准和自动调零频率本项分析中假设校准间隔为1年。对定期使用自动调零(频率足以消除Q-RPT的零位漂移)和校准间隔内不使用自动调零的两种情况均进行了评估和不确定度分析。对表压模式，总是认为使用自动调零功能。控制精度对于压力自动控制产品，例如PPC3、PPC4、PPCH和PPCH-G，可考虑在控制精度中包括一个附加不确定度。只有当控制器处于动态控制模式及操作者仅使用前面板显示屏，或者当目标压力被用于测量时，才需要这种附加不确定度。当通过远程查询时，无论在哪种控制模式下，控制器返回的压力值均为实测压力，而不是设置的压力。驻留(短期稳定度)所有的压力系统和组成部分都需要一个固有时间才能达到平衡或稳定。对于高压校准应用来说，这点尤其重要，并且也正是建议在设置压力和比对之间等待一个驻留时间的原因。在使用Q-RPT的情况下，当发生任何明显的瞬时压力变化后，都需要30秒的稳定时间，以确保Q-RPT及被比对系统的稳定度位于规定的不确定度范围之内。对于手动压力控制，若控制时间足够，建议在设置压力之后，等待30秒的驻留时间再读取读数。Q-RPT分级Q-RPT昀初是用活塞式压力计来进行特征化的，从而确定并尽可能修正线性度偏差。根据特征化获得的不确定度结果对Q-RPT进行分级。Q-RPT可用的等级和及不确定度如下：y特级(p级)：±(0.008%读数，或0.0024%自动量程，取大值)y标准级(s级)：±(0.01%读数，或0.003%Q-RPT量程，取大值)y标准级-中量程(s级)：±(0.013%读数，或0.0039%Q-RPT量程，取大值)A20M～A140My标准级-高量程(s级)：±(0.018%读数，或0.0054%Q-RPT量程，取大值)A200M和A280My量程级(f级)：±(0.015%自动量程)yEDWT(e级)：±(0.02%读数，或0.002%Q-RPT量程，取大值)特级和量程级的不确定度适用于所有Q-RPT的30-100%范围内的自动量程。只有BG15K和G15K量程级例外，其不确定度适用于低至Q-RPT量程的10%的自动量程。特级BA100KQRPT不会自动调节量程至低于Q-RPT的100%量程。RPM4参考压力测量仪可利用两个Q-RPT测量相同的压力。这种工作模式被称为并联模式，Q-RPT不确定度未被修正，并且以2的平方根为系数减小。并联模式下的产品不确定度低于独立Q-RPT时的产品不确定度。不确定度分量本节定义了所有影响Q-RPT的不确定度分量。简要介绍了每项不确定度、k=2时的扩展不确定度及其对压力的敏感度、分布类型，还介绍了k=1时的标准不确定度。参考参考引起的压力不确定度取决于Q-RPT量程。表1列出了所有量程下所需的参考不确定度清单。在DHI进行校准时的参考不确定度通常优于表1所列的值，但是表1中的所列值被扩展至能够使用其它参考，而无需修改计算的不确定度。对于特级和量程级Q-RPT，本文末尾的Q-RPT不确定度表中所列的绝对不确定度以自动量程的百分比(%)表示。为保守起见，表1中所列的绝对不确定度为适用的昀小自动量程的不确定度，也就是说，对于所有特级和所有量程级Q-RPT，为Q-RPT量程的30%，对于量程级BG15K和G15K为Q-RPT量程的10%。不确定度类型：相对和绝对灵敏度：1%读数/%读数，或1Pa/Pa分布：视为正态分布标准不确定度：参见表1FlukeCorporation,DHInstrumentsDivisionTechnicalNote8050TN11 Q-RPT相对@95%[%读数]绝对@95%[Pa]相对K=1[%rdg]绝对K=1[Pa]A280M、A200M0.0051000.002550A140M、A100M、A70M0.004500.00225A40M、A20M0.004250.00212.5A14M、A10M、A7M、A3.5M0.003200.001510A2M、A1.4M0.00330.00151.5A700K、A350K0.00310.00150.5A200、A160K、A100K、BA100K0.0030.20.00150.1G200K、G100K0.0030.10.00150.05BG15K、G15K0.0030.0050.00150.0025表1.参考不确定度线性度、迟滞和重复性(精度)Q-RPT作为传递标准的昀重要特性之一就是精度。精度是线性度、迟滞和重复性的组合。不含重复性的线性度和迟滞的组合被称为一致性。在本项不确定度分析中，一致性作为Q-RPT的调整技术指标独立于重复性单独列出。精度通常包括分辨率特性，但是Q-RPT的分辨率不会限制昀终合成的不确定度。线性度线性度是Q-RPT的实际输出偏离理论直线而引入的不确定度分量。利用活塞式压力计作为参考对Q-RPT进行全面特征化，根据特征化结果并利用一个专用的数学模型对Q-RPT的线性度进行了调整。同时，根据特征化结果中每个Q-RPT的线性度，对Q-RPT进行分级。考虑到特征化测试中使用的数据量很大，并且该模型具有“解决”非线性的能力，所以认为大多数Q-RPT具有相似的线性度。然而，量程下的重复性、迟滞以及不可检测的非线性部分会限制得到的线性度水平。值得注意的是，线性度对不确定度贡献的评估是在被特征化量程的起点和终点再加上其上和其下各0.5%Q-RPT量程范围内进行的。例如，如果在10～350kPa(1.25～50psi)的范围内对A350KQRPT(350kPa[50psi]绝压量程)进行特征化，那么如果不经参考验证，则并不能保证低于8.25kPa(1.2psi)绝压时在技术指标范围之内。绝大多数情况下，特征范围与DHI出具的校准报告上所列的校准范围相同。会存在一定的偏差，例如一个A700KQ-RPT就被特征化至800kPa绝压，以便用于表压模式。Q-RPT量程校准量程校准量程----------------------[kPa][psi]A280MATM–280000ATM-40000A200MATM–200000ATM-30000A140MATM–140000ATM-20000A100MATM–100000ATM-15000A70MATM–70000ATM-10000A40MATM–40000ATM-6000A20MATM–20000ATM-3000A14MATM–14000ATM-2000A10MATM–10000ATM-1500A7MATM–7000ATM-1000A3.5M70-350010-500A2M70-200010-300A1.4M35-14005-200A700K18-7002.6-100A350K350-1050-1.5A200K200-1030-1.5A160K160-623-0.9A116K116-616.8-0.9A100K110-616-0.9BA100K70-11010-16G200K0-2000-30G100K0-1000-14.5G15K0-150-2.2BG15K-15-15-2.2-2.2表2.Q-RPT的校准范围表2列出了Q-RPT在Fluke-DHI的校准范围。注意，这些量程是当前程序上的指导，可根据用户的指标要求或将来改善进行修改。各个Q-RPT的线性度被认为是独立的，但是单个Q-RPT在校准期间的线性度是一致的。Q-RPT的线性度可能会随着Q-RPT的老化而变化，但是在5年之内不会很普遍。DHI一直以来都在校准Q-RPT。如果线性度发生了变化，任何时候均可重复特征化过程。当温度发生大的变化时，线性度可能会发生变化。然而在10～40°C温度范围