溫度對壓力變送器計量數據可靠性的影響

李璇，武士振，章云云，雷曉紅，郭紅衛

中國石化中原油田分公司技術監測中心 （河南 濮陽 457001）

隨著油田智能化、數字化改造的深入開展，智能化計量器具在油氣生產現場廣泛應用，起到了數據的采集、傳輸、控制、報警、監控等功能。為了保證計量數據準確、可靠，需要按照國家檢定規程或校準方法的要求開展計量器具定期檢測工作。但是，部分計量器具存在因生產系統持續運行不能拆卸、計量器具連接部分銹蝕不易拆卸、運輸和安裝過程易造成計量器具損壞、送檢期間需要配備大量備用表等問題，使計量器具無法按期開展檢測或造成檢測延遲，不能保證計量數據的準確可靠。因此，計量檢測工作需要走出實驗室，深入現場開展檢測或比對，保證計量器具量值溯源或傳遞的可靠性。但是現場檢測環境條件比較復雜，影響檢測結果的不確定因素較多，如溫度、高度、振動、電磁等，難以滿足檢定規程的要求。以壓力變送器為例，探討溫度對其檢測結果準確性的影響。

在JJG 882—2004《壓力變送器》[1]檢定規程中明確規定，檢定時環境溫度要求控制在（20±5）℃，而現場環境難以控制在這個范圍。溫度變化對檢測結果的影響，主要來源于標準器及被檢壓力變送器兩方面。

1 溫度對標準器的影響

JJG 882—2004《壓力變送器》[1]檢定規程規定：“在現場條件下，經分析因標準器及配套設備引入的擴展不確定度U95仍不超過被檢壓力變送器允許誤差絕對值的1/3～1/4時，方可進行現場檢測?！边@就需要在檢測前，對標準器是否滿足檢測條件進行評價，也就是在進行測量不確定度分析時，對標準器輸入的B類測量不確定度進行評定。

例如，一塊作為標準器的智能數字壓力校驗儀，測量范圍0～2.5 MPa，準確度等級0.05級，最大允許誤差為±0.001 25 MPa；輸出電流-30～30 mA，最大允許誤差為±0.02%讀數、1μA；溫度補償范圍：-10～50℃。被測壓力變送器測量范圍為0～2.5 MPa，準確度等級為0.5級。

建立數學模型：

其中：ΔI為壓力變送器的輸出誤差，mA；I為壓力變送器的輸出電流，mA；Im為壓力變送器輸出量程，mA；P為壓力變送器輸入壓力值，MPa；Pm為壓力變送器輸入量程，MPa；I0為壓力變送器輸出起始值，mA。

輸入壓力對壓力變送器輸出誤差的靈敏度系數為：

輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數為：

1.1 輸入量P的標準不確定度的評定

1）P的標準不確定度的主要來源是智能數字壓力校驗儀。在該量程的最大允許誤差不超過±0.001 25 MPa。

按均勻分布估計，則：

2）環境溫度的不確定度。溫度變化從2個方面影響其輸出：一是零點漂移，二是影響滿量程輸出。環境溫度超過規定5℃時，溫度影響引入的誤差為：

按均勻分布估計，則：

u(P1)和u(P2)的相對標準不確定度估計95%，則自由度：

v=200

由于u(P1)和u(P2)相互獨立，因此：

其有效自由度為：

1.2 輸入量I的標準不確定度的評定

I的標準不確定度的主要來源是輸出的直流電流的示值誤差。

輸出直流電流的示值誤差不超過±5μA，按均勻分布估計，則：

u（I）的相對標準不確定度估計95%，則自由度

v21=200

將上述不確定度分量列于表1。其中：i為不確定度來源序號；xi為不確定度來源；ai為xi的誤差分散區間半寬或誤差限；ki為包含因子；[u(xi)]為標準不確定度； ||ci為靈敏系數；ui(y)為變送器輸出的標準不確定度分量；vi為自由度。

表1 不確定度分量

1.3 合成標準不確定度的評定

由于u(P)和u(I)彼此間相互獨立，因此合成標準不確定度uc(ΔI)及有效自由度veff分別為：

veff取為∞。

由標準器帶來的合成標準不確定度uc(ΔI)為5.44μA。合成標準不確定度uc(ΔI)接近正態分布，同樣可以查t分布得到k95=1.96。因此校準時由標準器帶來的擴展不確定度為：

U95=k95×uc(ΔI)=1.96×5.44=10.67μA

被檢壓力變送器的允許誤差為80μA。規范中要求校準用標準及配套設備在校準中引入的擴展不確定度U95應不超過被校壓力變送器允許誤差絕對值的1/4，即20μA，因此本評定中標準器的選擇符合規范的要求。如果標準器選擇不能滿足要求，將會增大測量結果的不確定度。

2 溫度對被檢壓力變送器的影響

為了說明環境溫度的變化對被檢壓力變送器的影響，需要通過大量的試驗分析。

1）需要選擇試驗的環境溫度。環境溫度的影響應在制造商規定的溫度范圍內測量，一般可參照使用說明書；若未規定溫度值，根據GB/T 17214.1—1998《工業過程測量和控制裝置工作條件第一部分：氣候條件》[2]中各種場所等級的氣候條件參數和嚴酷度，選定溫度限制范圍?？紤]各油氣田所在區域溫度情況，并參考17個壓力變送器廠家的使用說明書，除去惡劣環境條件，選定在-20～50℃溫度限值范圍內開展試驗。

2）選擇試驗方法。在GB/T 17614.1—1998《工業過程控制系統用變送器第1部分：性能評定方法》[3]“7試驗程序和試驗報告中規定：環境溫度試驗方法詳細描述參照IEC 61298-3”，而GB/T 18271.3—2017《過程測量和控制裝置通用性能評定方法和程序第3部分：影響量影響的試驗》[4]等同采用IEC 61298-3。因此，試驗方法主要參照GB/T 18271.3—2017中“5環境溫度影響”開展試驗。

利用允差為±2℃，環境溫度的變化速率小于1℃/min的高、低溫試驗箱溫度。試驗標準壓力值以規程規定為主，按量程一般均勻選取5～6個試驗點（包括零點及滿量程）。將壓力變送器放入高、低溫試驗箱中，以10℃為間隔，逐漸升溫（降溫）至溫度范圍上（下）限，待溫度穩定且保持不少于3 h后，進行溫度影響示值誤差試驗。

對參與試驗的26塊壓力變送器，分別讀取試驗數據。根據試驗數據計算不同溫度下的壓力示值誤差，選出部分典型數據進行匯總（表2）。

通過試驗可以看出，壓力變送器的具有代表性的3種結果分別為：

表2 壓力變送器各溫度點示值誤差匯總表

1）除20℃合格，其他溫度點均不合格，如序號為1的壓力變送器。出現這類問題最主要的原因是溫度補償裝置出現問題。傳感器是由金屬材料和半導體材料制作而成的敏感元件，它的靜特性與溫度有非常密切的關系，采取適當的補償措施對傳感器的溫度附加誤差進行修正，可提高測量的準確性。

傳感器的溫度補償一般可分為內部補償和外部補償2種。內部補償是通過設計傳感器的結構，完善制造工藝，控制敏感材料特性等方式來減小溫度的影響；外部補償方式主要分為硬件補償方法和軟件補償。任何一部分出現問題都會導致溫度補償故障，使壓力變送器出現不合格，此種不合格的壓力變送器需返廠修理。因此，在現場檢測時，如果現場溫度無法控制，建議對于檢測不合格的壓力變送器送至實驗室再次開展檢測工作。

2）在所有的溫度下均合格，如序號為2的壓力變送器。該種壓力變送器性能穩定、可靠，是系統計量中最期望的情況。

3）在-20℃時不合格，其他點均合格的壓力變送器，如序號4的壓力變送器；在-10℃、-20℃不合格，其它點合格的壓力變送器，如序號3的壓力變送器。

3 降低溫度對檢測結果影響的方法

1）標準器出廠時都有使用溫度補償范圍，在規定的范圍內，溫度對其影響量較小，在進行標準器的不確定度評定后，基本能夠滿足要求。如果溫度變化較大，標準器對測量結果已經產生了明顯的影響，解決方法是：①可以選擇更高準確度等級的標準器，以減小B類不確定度評定時引入的不確定度分量；②對每個檢測點的檢測結果給出測量不確定度。

2）在溫度對被檢壓力變送器影響的3種結果中，重點對第3種進行分析。通過表2可以看出，-10℃和-20℃示值超差點均為壓力上限處。因此，可參照GB/T 34073—2017《物聯網壓力變送器規范》[5]“5.3有關影響量的影響”中規定（表3）。

表3 環境溫度變化影響量

依據表3可以看出，環境溫度變化量影響量在下限值溫度系數及量程溫度系數中可給予放寬。也就是說，如果只是在零位及滿量程時示值超差，可根據每10℃給出的放寬量判斷壓力變送器是否符合要求。因此，可看出超差的5塊壓力變送器的最大示值誤差均在環境溫度影響量允許值范圍內，而且現場壓力變送器使用的壓力點一般在量程的1/3～2/3處，即可以判斷該類壓力變送器可繼續在現場使用，對計量數據的可靠性影響較小。

通過溫度對標準器與被檢壓力變送器影響的分析，建議現場檢測時，環境溫度在0～40℃的開展檢測工作；在規程規定的15～25℃的按檢定規程開展檢測工作；超出15～25℃時，壓力變送器的零位及滿量程最大允許誤差應放寬并給出測量結果不確定度。以此來確定現場檢測壓力變送器的性能是否滿足生產需要，提高計量數據的可靠性。