无线压力数据采集仪校准方法研究*

周四清 吴双双 曾 麟 宋 扬

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)



无线压力数据采集仪校准方法研究*

周四清 吴双双 曾 麟 宋 扬

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

根据无线压力数据采集仪的实际使用环境，搭建了采集仪校准装置，提出了压力示值和温度特性的校准方法，解决了无线压力数据采集仪量值溯源问题。试验结果和不确定度评定结果表明，该方法满足量值传递要求。

无线压力；采集仪；压力罐

0 引言

压力灭菌器、高压试验机等都安装有压力监测仪表[1]。由于密封性要求以及数字化的结构，拆卸后进行实验室校准较为不便，易影响压力容器密封性，且与实际情况存在一定差异。随着无线传感技术的发展，无线压力数据采集仪已应用于密闭容器内压力校准[2]。无线压力数据采集仪的使用环境不同于常规压力测量仪器，不具备压力接头，使用最高温度通常超过100℃。目前无线压力数据采集仪的计量校准均在常温下进行。校准环境条件与实际使用存在较大差异，特别是传感器和测量电路通常具有一定的温度系数，校准结果无法直接用于其他温度下的压力测量验证。本文就无线压力数据采集仪在不同温度下的压力示值校准方法进行了探讨。

1 无线压力数据采集仪工作原理

无线压力数据采集仪的结构原理如图1所示。压力传感器输出电信号经信号调理单元放大，由A/D转换电路转换为数字信号送入微处理器进行数据处理，通过RF模块发射给接收终端或者将数据存入存储器[3]。无线压力数据采集仪通常先设置工作模式、采集间隔、启停条件，然后置入压力密闭容器，设备加压，读取无线压力数据采集仪示值和采集时间。

图1 无线压力数据采集仪工作原理

2 无线压力数据采集仪校准方法

根据无线压力数据采集仪的主要用途，其关键计量性能有压力示值、温度特性。

2.1 校准装置

采集仪校准采用比较法进行校准。搭建的压力示值校准装置如图2所示，由压力罐、数字压力计、进气阀、排气阀、恒温槽和温度传感器组成。使用装置时将无线压力数据采集仪置入压力罐，将压力罐盖拧紧保证密封后，外部压力气源经进气阀给压力罐加压。数字压力计作为标准器指示压力罐的压力实际值；恒温槽为压力罐提供一个温度可调节的恒温环境；温度传感器用来监测恒温槽内温度。

1.温度传感器；2.排气阀；3.数字压力计4.进气阀；5.无线压力数据采集仪；6.压力罐；7.恒温槽图2 采集仪校准装置示意图

2.2 压力示值校准

无线压力数据采集仪的校准过程为通过进气阀控制压力的大小，待压力稳定后读取数字压力计的示值，带无线发射功能的采集仪读取实时示值，只具备记录功能采集仪记录读取标准器示值的时间，待校准完成后取出采集仪按时间读取采集仪该时刻的压力测量值。选取采集仪压力测量范围内的逐点进行校准，按式(1)计算每个校准点的示值误差和回程误差。

Δp=pR-pS

(1)

式中:Δp为采集仪示值误差，kPa或MPa；pR为采集仪各校准点正、反行程示值，kPa或MPa；pS为标准器各校准点示值，kPa或MPa。

2.3 温度特性校准

采集仪使用温度范围较大，其在不同温度下的压力测量性能是校准的要点。温度特性就是在同一压力测量条件下，不同温度对采集仪压力测量结果的影响。

利用外部气源给压力罐加压至校准压力点，开启恒温槽给压力罐恒温，读取温度传感器测的压力罐内部温度。待压力稳定、压力罐内外温度平衡后，读取标准器和被检采集仪示值。逐点提高恒温槽的温度，并通过排气阀保持压力罐压力在校准点附近。在采集仪工作温度范围内逐点进行测量，压力测量误差按式(1)计算。

3 无线压力数据采集仪压力校准不确定度

我们以一台标称范围为-100～400kPa，准确度为0.4级的无线压力数据采集仪为例，在80℃下200kPa压力校准点进行不确定度评定。

3.1 测量模型与灵敏系数

测量模型见式(1)，求偏导得出各项的灵敏系数：

(2)

3.2 测量不确定度来源

系统测量不确定度分为A类和B类不确定度，不确定度来源包括以下分量：

1)测量重复性引入的A类不确定度

该不确定度的主要来源如下：温度引起的压力波动和标准器短期不稳定性均会影响采集仪测量结果的重复性[4，5]。

对被校采集仪在80℃，200kPa的测量点上进行多次测量，测得值：200.7，200.8，200.7，200.6，200.9，200.7，200.8，200.7，200.9，200.7kPa。

按式(3)计算单次实验标准差：

(3)

则标准不确定度为：

u(pR)=0.10kPa

(4)

2)标准器数字压力计引入的不确定度

(5)

3.3 标准不确定度的合成

由于不确定度分量独立不相关，则合成不确定度为：

(6)

3.4 扩展不确定度

取置信概率为95%，k=2，则扩展不确定度为：

U95=0.26kPa

(7)

被检采集仪在200kPa的最大允许误差为±2 kPa，校准不确定度小于被检采集仪最大允许误差1/3,满足校准要求。

4 结束语

目前市场上的无线压力数据采集仪准确度等级为0.4级，不确定度评定符合量值传递要求。选取了国外2个厂家的无线压力数据采集仪进行了试验，试验结果与出厂检测结果相符，表明校准方法科学可行，满足无线压力记录仪量值传递的需求。

[1] 林宏杰,张凡波,孟亮.基于数字压力计的气密性检漏仪研究[J].计量技术,2013(10):37-38

[2] 姬生福.基于无线通信的压力数据采集系统[D].青岛科技大学,2012

[3] 刘洪刚.压力数据采集系统的实现与试验研究[D].北京化工大学,2013

[4] 常萱.检定数字压力计影响测量结果因素的探讨[J].计量技术,2014(2)

[5] 倪育才.实用测量不确定度评定.第3版.北京：中国计量出版社，2010

湖南省科技计划项目(2013SK3291);湖南省质量技术监督局科技计划项目(2014KYJH25)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.15