數字化校驗系統中安全閥整定壓力的不確定度分析

    采用數字壓力傳感器為核心的數字化校驗系統，對常溫環境中，安全閥整定壓力的不確定度進行了簡要分析。本文由上海五岳泵閥制造有限公司轉載分享，上海五岳為專業的安全閥生產廠家，主要生產各類彈簧式安全閥，代理德國LESER安全閥，并終身為使用單位提供相關產品技術支持。

　　關鍵詞：不確定度 安全閥 數字壓力傳感器

　　 引言

　　作為重要的安全附件，安全閥廣泛地應用于承壓類特種設備，對于設備的安全穩定運行起著至關重要的作用。整定壓力是影響安全閥性能的最主要參數之一，其準確度影響安全閥泄壓時的靈敏程度。通常的校驗平臺是觀察精度為0.4級的彈簧壓力表的示值來調節其整定壓力的高低。隨著科技的發展，高精度數字壓力傳感器應用逐漸廣泛，本文就基于高精度數字壓力傳感器為核心的數字化安全閥校驗系統，分析應用于整定壓力校驗產生的不確定度。

　　1 試驗條件

　　試驗條件：在常溫安全閥校驗臺上，在常溫環境中(20±2℃)條件下，采用量程為0～5MPa，精度為0.1級的高精度數字壓力傳感器為核心的數字化安全閥校驗系統，對公稱壓力為2.5MPa，壓力等級為1.6～2.0，要求整定壓力為1.65MPa的彈簧直接載荷式安全閥進行整定，分析該系統產生的不確定度。整定過程滿足文獻[1]附錄B的要求，進行5次獨立測試。

　　2 數學模型的建立及不確定度分析

　　2.1 數學模型

　　ΔP=P1-P0 (1)

　　式中：ΔP――某整定壓力點的整定偏差。

　　P1――對應的某整定壓力。

　　P0――標準壓力值。

　　U2(ΔP)=U2(P1)+U2(P0) (2)

　　式中：U2(ΔP)――整定壓力偏差的方差。

　　U2(ΔP1)――某整定壓力的方差。

　　U2(ΔP0)――標準壓力值的方差。

　　不確定度主要包括以下幾方面：

　　①示值重復性引入的不確定度分量U(P1)。

　　②數據采集系統帶來的不確定度，即高精度數字壓力傳感器產生的不確定度U(P2)。

　　③高精度數字壓力傳感器校驗產生的不確定度U(P3)。

　　④其他因素產生的不確定度U(P4)。其中，U(P1)是影響對應的某整定壓力P1的不確定度分量，其余影響標準壓力值的不確定度。

　　2.2 示值重復性引入的不確定度分量U1和自由度v1

　　這類測量不確定度適用于A類評定，其典型的評定方法有貝塞爾法和極差法，詳見文獻[2]。本文采用常用的前者作為評定方法：S(P)=■ (3)

　　式中：■i=■■pi≈P1。

　　pi――單次測試的示值數據。

　　■i――n次單獨測試的均值。

　　在本文中，示值重復性引入的不確定度分量U(P1)=S(p)，其自由度為v1=n-1。

　　2.3 高精度壓力表允許誤差產生的不確定度U2

　　數據采集系統采用了量程為0～5MPa，精度等級為0.1級的高精度數字壓力傳感器，從文獻[3]可知，這類以“級”使用的儀器，在測點可能產生的最大允許誤差為0.005MPa，由此引起的不確定度可以視為以半寬為0.005 MPa的均勻分布。由文獻[2]可知，此類不確定度適用于B類評定，其產生的不確定分量U2為：

　　U(P2)=■ (4)

　　式中，Δp2――最大允許誤差。

　　U2的不確定度取決于信息來源的可靠程度，由于該壓力表有權威部門出具的鑒定證書，具有極高的可靠性。因此，可以認為該估計值具有90%的可信度，在文獻[2]得到對應的自由度為v2=50。

　　2.4 高精度壓力表校驗產生的不確定度U3和自由度v3

　　該壓力表校驗采用了精度等級為0.02級，量程為0～6MPa的標準活塞壓力計進行校驗，同上可知，其可能產生的不確定為0.0012MPa的最大允許誤差，符合半寬為0.0012MPa的均勻分布。此類不確定度同樣適用于B類評定，其不確定度是由標準器檢測引入的，可信度視為100%。不在向上追溯標準活塞壓力計除精度原因外產生的其他不確定度，因此取其自由度為∞。

　　2.5 其他不確定度U4

　　在校驗過程中，可能影響到整定壓力不確定度的因素還有環境溫度波動造成彈簧性質的變化，進而影響整定壓力;校驗過程中，由于整定過程速率的變化造成的高精度數字壓力傳感器的微小變化;整定壓力采集數據點不設置在安全閥進口處造成的微小壓力差。

　　上述的影響因素在此處皆視為可以忽略的，即U4=0。

　　3 測試數值及不確定度分析

　　對該安全閥進行了5次獨立的測試，采集的示值數據如下表所示：

　　根據前面分析，所得到的不確定度一覽表：

　　3.1 合成不確定度有效自由度分析

　　U(ΔP)=0.0044MPa

　　3.2 有效不確定度

　　veff=15.5，取有效不確定度為15。

　　3.3 擴展不確定度分析

　　擴展不確定度評定按照置信概率為95%，其自由度為15時，由文獻[2]得到tp(15)=2.13，進而可以確定該擴展不確定度：

　　ΔP=2.13×0.0044=0.0094MPa。

　　可以得到本次的整定壓力可以表示為：

　　P0=P1±ΔP=1.6568±0.0094MPa

　　與要求整定壓力1.65MPa對比，最大誤差為0.98%，高于《安全閥安全技術監察規程》誤差不超過3%的要求。

　　4 總結與分析

　　①從文中可以看出，高精度數字壓力傳感器為核心的數字化校驗系統，整定壓力完全滿足安全閥相關規范的要求。

　　②安全閥整定壓力最大誤差在該系統中得到了更好的控制，有效地提高安全閥動作的靈敏程度。

　　③數字化校驗系統排除了人為讀數產生的誤差，其整定壓力具有更高的可靠性。