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温度对压力变送器计量数据可靠性的影响
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温度对压力变送器计量数据可靠性的影响

时间:2019-11-15 09:41:35
摘 要 随着智能化计量器具在现场的大量应用,计量器具的现场检测成为大势所趋,然而现场检测不能满足检定规程中对温度的控制,这对检测结果造成影响,无法保证计量数据的准确可靠。以压力变送器为例,分析温度对检测结果的影响,并提出温度对检测结果影响的解决方法。
随着油田智能化、数字化改造的深入开展,智能化计量器具在油气生产现场广泛应用,起到了数据的采集、传输、控制、报警、监控等功能。为了保证计量数据准确、可靠,需要按照国家检定规程或校准方法的要求开展计量器具定期检测工作。但是,部分计量器具存在因生产系统持续运行不能拆卸、计量器具连接部分锈蚀不易拆卸、运输和安装过程易造成计量器具损坏、送检期间需要配备大量备用表等问题,使计量器具无法按期开展检测或造成检测延迟,不能保证计量数据的准确可靠。因此,计量检测工作需要走出实验室,深入现场开展检测或比对,保证计量器具量值溯源或传递的可靠性。但是现场检测环境条件比较复杂,影响检测结果的不确定因素较多,如温度、高度、振动、电磁等,难以满足检定规程的要求。以压力变送器为例,探讨温度对其检测结果准确性的影响。
在JJG 882—2004《压力变送器》[1] 检定规程中明确规定,检定时环境温度要求控制在(20±5)℃,而现场环境难以控制在这个范围。温度变化对检测结果的影响,主要来源于标准器及被检压力变送器两方面。
1 温度对标准器的影响
JJG 882—2004《压力变送器》[1] 检定规程规定:“在现场条件下,经分析因标准器及配套设备引入的扩展不确定度U 95 仍不超过被检压力变送器允许误差绝对值的1/3~1/4时,方可进行现场检测。”这就需要在检测前,对标准器是否满足检测条件进行评价,也就是在进行测量不确定度分析时,对标准器输入的B类测量不确定度进行评定。
例如,一块作为标准器的智能数字压力校验仪,测量范围0~2.5 MPa,准确度等级0.05级,非常大允许误差为±0.001 25 MPa;输出电流-30~30 mA,非常大允许误差为±0.02 %读数、1 μA;温度补偿范围:-10~50 ℃。被测压力变送器测量范围为 0~2.5MPa,准确度等级为0.5级。
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其中:ΔI为压力变送器的输出误差,mA;I为压力变送器的输出电流,mA;I m 为压力变送器输出量程,mA;P为压力变送器输入压力值,MPa;P m 为压力变送器输入量程,MPa;I 0 为压力变送器输出起始值,mA。输入压力对压力变送器输出误差的灵敏度系数为:
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输出电流对变送器输出误差的灵敏系数为:
不确定度分量列于表1。其中: i 为不确定度来源序号; x i 为不确定度来源; a i 为 x i 的误差分散区间半宽或误差限; k i 为包含因子;[u(x i )]为标准不企业微信截图_20191115101917.jpg企业微信截图_20191115101927.jpg确定度; | | c i 为灵敏系数;u i (y)为变送器输出的标准不确定度分量; v i 为自由度。
1.3 合成标准不确定度的评定
由于u( P )和u( I )彼此间相互好立,因此合成标准不确定度 u c (ΔI ) 及有效自由度 v eff 分别为:
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由标准器带来的合成标准不确定度 u c (ΔI ) 为5.44 μA。合成标准不确定度 u c (ΔI ) 接近正态分布,同样可以查t分布得到 k 95 =1.96 。因此校准时由标准器带来的扩展不确定度为:
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被检压力变送器的允许误差为80 μA。规范中要求校准用标准及配套设备在校准中引入的扩展不确定度U 95 应不超过被校压力变送器允许误差绝对值的1/4,即20 μA,因此本评定中标准器的选择符合规范的要求。如果标准器选择不能满足要求,将会增大测量结果的不确定度。
2 温度对被检压力变送器的影响
为了说明环境温度的变化对被检压力变送器的影响,需要通过大量的试验分析。
1)需要选择试验的环境温度。环境温度的影响应在制造商规定的温度范围内测量,一般可参照使用说明书;若未规定温度值,根据GB/T 17214.1—1998《工业过程测量和控制装置 工作条件 第一部分:气候条件》[2] 中各种场所等级的气候条件参数和严酷度,选定温度限制范围。考虑各油气田所在区域温度情况,并参考17个压力变送器厂家的使用说明书,除去恶劣环境条件,选定在-20~50 ℃温度限值范围内开展试验。
2)选择试验方法。在GB/T 17614.1—1998《工业过程控制系统用变送器 第1部分:性能评定方法》[3]“7 试验程序和试验报告中规定:环境温度试验方法详细描述参照IEC 61298-3”,而GB/T 18271.3—2017《过程测量和控制装置 通用性能评定方法和程序 第3部分:影响量影响的试验》[4] 等同采用IEC 61298-3。因此,试验方法主要参照 GB/T18271.3—2017中“5环境温度影响”开展试验。利用允差为±2 ℃,环境温度的变化速率小于1 ℃/min的高、低温试验箱温度。试验标准压力值以规程规定为主,按量程一般均匀选取5~6个试验点(包括零点及满量程)。将压力变送器放入高、低温试验箱中,以10 ℃为间隔,逐渐升温(降温)至温度范围上(下)限,待温度稳定且保持不少于3 h后,进行温度影响示值误差试验。
对参与试验的26块压力变送器,分别读取试验数据。根据试验数据计算不同温度下的压力示值差,选出部分典型数据进行汇总(表2)。通过试验可以看出,压力变送器的具有代表性20191115101946.jpg的3种结果分别为:
1)除20 ℃合格,其他温度点均不合格,如序号为1的压力变送器。出现这类问题非常主要的原因是温度补偿装置出现问题。传感器是由金属材料和半导体材料制作而成的敏感元件,它的静特性与温度有非常密切的关系,采取适当的补偿措施对传感器的温度附加误差进行修正,可提高测量的准确性。传感器的温度补偿一般可分为内部补偿和外部补偿2种。内部补偿是通过设计传感器的结构,完善制造工艺,控制敏感材料特性等方式来减小温度的影响;外部补偿方式主要分为硬件补偿方法和软件补偿。任何一部分出现问题都会导致温度补故障,使压力变送器出现不合格,此种不合格的压力变送器需返厂修理。因此,在现场检测时,如果现场温度无法控制,建议对于检测不合格的压力变送器送至实验室再次开展检测工作。
2)在所有的温度下均合格,如序号为2的压力变送器。该种压力变送器性能稳定、可靠,是系统计量中非常期望的情况。
3)在-20℃时不合格,其他点均合格的压力变送器,如序号4的压力变送器;在-10℃、-20℃不合格,其它点合格的压力变送器,如序号3的压力变送器。
3 降低温度对检测结果影响的方法
1)标准器出厂时都有使用温度补偿范围,在规定的范围内,温度对其影响量较小,在进行标准器的不确定度评定后,基本能够满足要求。如果温度变化较大,标准器对测量结果已经产生了明显的影响,解决方法是:①可以选择更高准确度等级的标准器,以减小B类不确定度评定时引入的不确定度分量;②对每个检测点的检测结果给出测量不确定度。
2)在温度对被检压力变送器影响的3种结果中,重点对第3种进行分析。通过表2可以看出,-10 ℃和-20 ℃示值超差点均为压力上限处。因此,可参照 GB/T 34073—2017《物联网压力变送器规范》[5]“5.3有关影响量的影响”中规定(表3)。
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依据表3可以看出,环境温度变化量影响量在下限值温度系数及量程温度系数中可给予放宽。也就是说,如果只是在零位及满量程时示值超差,可根据每10 ℃给出的放宽量判断压力变送器是否符合要求。因此,可看出超差的5块压力变送器的非常大示值误差均在环境温度影响量允许值范围内,而且现场压力变送器使用的压力点一般在量程的1/3~2/3处,即可以判断该类压力变送器可继续在现场使用,对计量数据的可靠性影响较小。通过温度对标准器与被检压力变送器影响的分析,建议现场检测时,环境温度在0~40 ℃的开展检测工作;在规程规定的15~25 ℃的按检定规程开展检测工作;超出15~25 ℃时,压力变送器的零位及满量程非常大允许误差应放宽并给出测量结果不确定度。以此来确定现场检测压力变送器的性能是否满足生产需要,提高计量数据的可靠性。
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