數(shù)字化校驗(yàn)系統(tǒng)中安全閥整定壓力的不確定度分析

    采用數(shù)字壓力傳感器為核心的數(shù)字化校驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)常溫環(huán)境中，安全閥整定壓力的不確定度進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。本文由上海五岳泵閥制造有限公司轉(zhuǎn)載分享，上海五岳為專業(yè)的安全閥生產(chǎn)廠家，主要生產(chǎn)各類彈簧式安全閥，代理德國(guó)LESER安全閥，并終身為使用單位提供相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞：不確定度 安全閥 數(shù)字壓力傳感器

　　 引言

　　作為重要的安全附件，安全閥廣泛地應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備，對(duì)于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。整定壓力是影響安全閥性能的最主要參數(shù)之一，其準(zhǔn)確度影響安全閥泄壓時(shí)的靈敏程度。通常的校驗(yàn)平臺(tái)是觀察精度為0.4級(jí)的彈簧壓力表的示值來(lái)調(diào)節(jié)其整定壓力的高低。隨著科技的發(fā)展，高精度數(shù)字壓力傳感器應(yīng)用逐漸廣泛，本文就基于高精度數(shù)字壓力傳感器為核心的數(shù)字化安全閥校驗(yàn)系統(tǒng)，分析應(yīng)用于整定壓力校驗(yàn)產(chǎn)生的不確定度。

　　1 試驗(yàn)條件

　　試驗(yàn)條件：在常溫安全閥校驗(yàn)臺(tái)上，在常溫環(huán)境中(20±2℃)條件下，采用量程為0～5MPa，精度為0.1級(jí)的高精度數(shù)字壓力傳感器為核心的數(shù)字化安全閥校驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)公稱壓力為2.5MPa，壓力等級(jí)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(jìn)行整定，分析該系統(tǒng)產(chǎn)生的不確定度。整定過(guò)程滿足文獻(xiàn)[1]附錄B的要求，進(jìn)行5次獨(dú)立測(cè)試。

　　2 數(shù)學(xué)模型的建立及不確定度分析

　　2.1 數(shù)學(xué)模型

　　ΔP=P1-P0 (1)

　　式中：ΔP――某整定壓力點(diǎn)的整定偏差。

　　P1――對(duì)應(yīng)的某整定壓力。

　　P0――標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)壓力值的方差。

　　不確定度主要包括以下幾方面：

　　①示值重復(fù)性引入的不確定度分量U(P1)。

　　②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶來(lái)的不確定度，即高精度數(shù)字壓力傳感器產(chǎn)生的不確定度U(P2)。

　　③高精度數(shù)字壓力傳感器校驗(yàn)產(chǎn)生的不確定度U(P3)。

　　④其他因素產(chǎn)生的不確定度U(P4)。其中，U(P1)是影響對(duì)應(yīng)的某整定壓力P1的不確定度分量，其余影響標(biāo)準(zhǔn)壓力值的不確定度。

　　2.2 示值重復(fù)性引入的不確定度分量U1和自由度v1

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

　　式中：■i=■■pi≈P1。

　　pi――單次測(cè)試的示值數(shù)據(jù)。

　　■i――n次單獨(dú)測(cè)試的均值。

　　在本文中，示值重復(fù)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(chǎn)生的不確定度U2

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了量程為0～5MPa，精度等級(jí)為0.1級(jí)的高精度數(shù)字壓力傳感器，從文獻(xiàn)[3]可知，這類以“級(jí)”使用的儀器，在測(cè)點(diǎn)可能產(chǎn)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(xiàn)[2]可知，此類不確定度適用于B類評(píng)定，其產(chǎn)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(lái)源的可靠程度，由于該壓力表有權(quán)威部門(mén)出具的鑒定證書(shū)，具有極高的可靠性。因此，可以認(rèn)為該估計(jì)值具有90%的可信度，在文獻(xiàn)[2]得到對(duì)應(yīng)的自由度為v2=50。

　　2.4 高精度壓力表校驗(yàn)產(chǎn)生的不確定度U3和自由度v3

　　該壓力表校驗(yàn)采用了精度等級(jí)為0.02級(jí)，量程為0～6MPa的標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，同上可知，其可能產(chǎn)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(píng)定，其不確定度是由標(biāo)準(zhǔn)器檢測(cè)引入的，可信度視為100%。不在向上追溯標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計(jì)除精度原因外產(chǎn)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(yàn)過(guò)程中，可能影響到整定壓力不確定度的因素還有環(huán)境溫度波動(dòng)造成彈簧性質(zhì)的變化，進(jìn)而影響整定壓力;校驗(yàn)過(guò)程中，由于整定過(guò)程速率的變化造成的高精度數(shù)字壓力傳感器的微小變化;整定壓力采集數(shù)據(jù)點(diǎn)不設(shè)置在安全閥進(jìn)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(cè)試數(shù)值及不確定度分析

　　對(duì)該安全閥進(jìn)行了5次獨(dú)立的測(cè)試，采集的示值數(shù)據(jù)如下表所示：

　　根據(jù)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(kuò)展不確定度分析

　　擴(kuò)展不確定度評(píng)定按照置信概率為95%，其自由度為15時(shí)，由文獻(xiàn)[2]得到tp(15)=2.13，進(jìn)而可以確定該擴(kuò)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(duì)比，最大誤差為0.98%，高于《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》誤差不超過(guò)3%的要求。

　　4 總結(jié)與分析

　　①?gòu)奈闹锌梢钥闯觯呔葦?shù)字壓力傳感器為核心的數(shù)字化校驗(yàn)系統(tǒng)，整定壓力完全滿足安全閥相關(guān)規(guī)范的要求。

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

　　③數(shù)字化校驗(yàn)系統(tǒng)排除了人為讀數(shù)產(chǎn)生的誤差，其整定壓力具有更高的可靠性。