真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)不確定度分析

2013-06-09 何亞洲 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

  給出真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的完整不確定度描述,列出了校準(zhǔn)過(guò)程中詳細(xì)的影響因素,幫助解決真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中不確定度的計(jì)算問(wèn)題,并通過(guò)實(shí)際案例分析,將最終測(cè)量結(jié)果控制在合理而有效的范圍之內(nèi)。

  真空計(jì)是用來(lái)測(cè)量絕壓狀態(tài)下大氣壓力的儀器,廣泛運(yùn)用于軍工、電子、醫(yī)療食品、電力、冶金、化工等各種領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展,行業(yè)中對(duì)真空計(jì)的要求也在不斷地提升,精度已普遍達(dá)到10-2Pa 左右。由于真空系統(tǒng)是包含真空規(guī)管、真空泵(羅茨泵機(jī)械泵、分子泵等) 、各種連接管道以及真空擋板閥門在內(nèi)的一套完整的測(cè)試系統(tǒng),體積龐大,且在現(xiàn)場(chǎng)安裝位置固定,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)真空系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn),現(xiàn)代化的集成生產(chǎn)逐漸要求對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。對(duì)真空系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)也是今后真空校準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)。

  真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中很重要的方面就是校準(zhǔn)不確定度問(wèn)題。由于現(xiàn)場(chǎng)條件多變,環(huán)境參數(shù)不穩(wěn)定,因此相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn),現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定因素更多,情況更加復(fù)雜,需要考慮更多的不確定度影響因素,以取得合理的校準(zhǔn)結(jié)果。

1、真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)模型分析

  下面對(duì)于10-3 ~105Pa 的真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度作出分析。

  對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的真空計(jì),其修正值的計(jì)算公式如下:

K = pstd - psys - puuc (1)

  式中:K 為真空計(jì)示值修正值,Pa;pstd為標(biāo)準(zhǔn)壓力值,Pa; psys為系統(tǒng)補(bǔ)償值,Pa;puuc為被測(cè)真空計(jì)示值,Pa。

  根據(jù)公式(1) 可知,影響真空計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度因素主要包括標(biāo)準(zhǔn)器、被測(cè)真空計(jì)以及校準(zhǔn)系統(tǒng)三個(gè)方面,其中每個(gè)影響量又包含若干個(gè)影響因素。下面分別就標(biāo)準(zhǔn)器、被測(cè)真空計(jì)以及校準(zhǔn)系統(tǒng)引入的不確定度作單獨(dú)分析。

1.1、標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度

  標(biāo)準(zhǔn)壓力值pstd由以下公式給出:

pstd= pref - pz + δp1 + δp2 + δp3 + δp4 + δp5 (2)

  式中:pref為參考標(biāo)準(zhǔn)的示值,Pa;pz為參考標(biāo)準(zhǔn)的零點(diǎn)偏差,Pa;δp1為校準(zhǔn)證書(shū)給出的修正值,Pa;δp2為示值漂移誤差( 多數(shù)情況下此值為0) ,Pa;δp3為長(zhǎng)期穩(wěn)定性誤差,Pa;δp4為溫度波動(dòng)引起的誤差,Pa;δp5為其他影響量引起的誤差,Pa。所以,由標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

由標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1.2、被測(cè)真空計(jì)引入的不確定度

  被測(cè)真空計(jì)值由下式給出:

puuc = pind - p0 + δp6 + δp7 (4)

  式中: puuc為被測(cè)真空計(jì)值,Pa;pind為被測(cè)真空計(jì)顯示值,Pa;p0為被測(cè)真空計(jì)零點(diǎn)偏差,Pa;δp6為被測(cè)真空計(jì)漂移誤差,Pa;δp7為被測(cè)真空計(jì)其他影響量誤差,Pa。

  所以,被測(cè)真空計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

被測(cè)真空計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1.3、校準(zhǔn)系統(tǒng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

  校準(zhǔn)系統(tǒng)引起的影響量為:

psys = δp8 + δp9 + δp10 (6)

  式中:psys為校準(zhǔn)系統(tǒng)補(bǔ)償值,Pa;δp8為由連接件的溫差引起的影響量,Pa;δp9為泄漏引起的影響量,Pa; δp10為讀數(shù)穩(wěn)定性引起的影響量,Pa。

  所以,校準(zhǔn)系統(tǒng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

校準(zhǔn)系統(tǒng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1.4、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

  由以上可知合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

1.5、擴(kuò)展不確定度

  取包含因子k = 2,擴(kuò)展不確定度為:

U = kuc(k = 2)

2、實(shí)例分析

  下面以一只測(cè)量范圍為1~100Pa 的熱傳導(dǎo)真計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)為例,計(jì)算其在10Pa 點(diǎn)的不確定度。其中,標(biāo)準(zhǔn)器示值為10. 213Pa, 系統(tǒng)補(bǔ)償值為0.001Pa,被測(cè)真空計(jì)示值為10.247Pa ( 表1 ~ 3 中均為參考值,應(yīng)用時(shí)以實(shí)際示值為準(zhǔn)) 。

表1 標(biāo)準(zhǔn)器引入不確定度計(jì)算匯總表

標(biāo)準(zhǔn)器引入不確定度計(jì)算匯總表 

表2 被測(cè)真空計(jì)引入不確定度表

被測(cè)真空計(jì)引入不確定度表 

表3 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)引入的不確定度表

標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)引入的不確定度表 

  由表1 ~3 計(jì)算得ustd =1.09 × 10-2Pa,u uuc = 8.20 ×10-3Pa,usys = 1.30 × 10-2 Pa,其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

 

3、結(jié)束語(yǔ)

  通過(guò)以上分析可知,在真空計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中,由于條件復(fù)雜多變,要充分考慮各種不確定因素對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果帶來(lái)的影響,但往往由于影響因素過(guò)多我們無(wú)法全面估計(jì),因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況做出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估和適當(dāng)?shù)暮Y選,可以忽略那些影響量過(guò)小或無(wú)法估計(jì)而又不至于對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生很大偏差的影響量,才能保證最終得到的校準(zhǔn)結(jié)果在合理而有效的范圍之內(nèi)。