摘 要 隨著智能化計量器具在現(xiàn)場的大量應用,計量器具的現(xiàn)場檢測成為大勢所趨,然而現(xiàn)場檢測不能滿足檢定規(guī)程中對溫度的控制,這對檢測結果造成影響,無法保證計量數(shù)據的準確可靠。以壓力變送器為例,分析溫度對檢測結果的影響,并提出溫度對檢測結果影響的解決方法。
隨著油田智能化、數(shù)字化改造的深入開展,智能化計量器具在油氣生產現(xiàn)場廣泛應用,起到了數(shù)據的采集、傳輸、控制、報警、監(jiān)控等功能。為了保證計量數(shù)據準確、可靠,需要按照guojia檢定規(guī)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(tǒng)持續(xù)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(shù)據的準確可靠。因此,計量檢測工作需要走出實驗室,深入現(xiàn)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(xiàn)場檢測環(huán)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(guī)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(guī)程中明確規(guī)定,檢定時環(huán)境溫度要求控制在(20±5)℃,而現(xiàn)場環(huán)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(guī)程規(guī)定:“在現(xiàn)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U 95 仍不超過被檢壓力變送器允許誤差覺對值的1/3~1/4時,方可進行現(xiàn)場檢測。”這就需要在檢測前,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(shù)字壓力校驗儀,測量范圍0~2.5 MPa,準確度等級0.05級,#大允許誤差為±0.001 25 MPa;輸出電流-30~30 mA,#大允許誤差為±0.02 %讀數(shù)、1 μA;溫度補償范圍:-10~50 ℃。被測壓力變送器測量范圍為 0~2.5MPa,準確度等級為0.5級。
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;I m 為壓力變送器輸出量程,mA;P為壓力變送器輸入壓力值,MPa;P m 為壓力變送器輸入量程,MPa;I 0 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(shù)為:
輸出電流對變送器輸出誤差的靈敏系數(shù)為:
不確定度分量列于表1。其中: i 為不確定度來源序號; x i 為不確定度來源; a i 為 x i 的誤差分散區(qū)間半寬或誤差限; k i 為包含因子;[u(x i )]為標準不確定度; | | c i 為靈敏系數(shù);u i (y)為變送器輸出的標準不確定度分量; v i 為自由度。
1.3 合成標準不確定度的評定
由于u( P )和u( I )彼此間相互好立,因此合成標準不確定度 u c (ΔI ) 及有效自由度 v eff 分別為:
由標準器帶來的合成標準不確定度 u c (ΔI ) 為5.44 μA。合成標準不確定度 u c (ΔI ) 接近正態(tài)分布,同樣可以查t分布得到 k 95 =1.96 。因此校準時由標準器帶來的擴展不確定度為:
被檢壓力變送器的允許誤差為80 μA。規(guī)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U 95 應不超過被校壓力變送器允許誤差覺對值的1/4,即20 μA,因此本評定中標準器的選擇符合規(guī)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(huán)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(huán)境溫度。環(huán)境溫度的影響應在制造商規(guī)定的溫度范圍內測量,一般可參照使用說明書;若未規(guī)定溫度值,根據GB/T 17214.1—1998《工業(yè)過程測量和控制裝置 工作條件 地衣部分:氣候條件》[2] 中各種場所等級的氣候條件參數(shù)和嚴酷度,選定溫度限制范圍?紤]各油氣田所在區(qū)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(huán)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(yè)過程控制系統(tǒng)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(guī)定:環(huán)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/T18271.3—2017中“5環(huán)境溫度影響”開展試驗。利用允差為±2 ℃,環(huán)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(guī)程規(guī)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(wěn)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(shù)據。根據試驗數(shù)據計算不同溫度下的壓力示值差,選出部分典型數(shù)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:
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(xiàn)這類問題#主要的原因是溫度補償裝置出現(xiàn)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?shù)难a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(xiàn)問題都會導致溫度補故障,使壓力變送器出現(xiàn)不合格,此種不合格的壓力變送器需返廠修理。因此,在現(xiàn)場檢測時,如果現(xiàn)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(wěn)定、可靠,是系統(tǒng)計量中#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(guī)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(lián)網壓力變送器規(guī)范》[5]“5.3有關影響量的影響”中規(guī)定(表3)。
依據表3可以看出,環(huán)境溫度變化量影響量在下限值溫度系數(shù)及量程溫度系數(shù)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#大示值誤差均在環(huán)境溫度影響量允許值范圍內,而且現(xiàn)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(xù)在現(xiàn)場使用,對計量數(shù)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(xiàn)場檢測時,環(huán)境溫度在0~40 ℃的開展檢測工作;在規(guī)程規(guī)定的15~25 ℃的按檢定規(guī)程開展檢測工作;超出15~25 ℃時,壓力變送器的零位及滿量程#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(xiàn)場檢測壓力變送器的性能是否滿足生產需要,提高計量數(shù)據的可靠性。