真空计现场校准不确定度分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏省计量科学研究院 作者:何亚洲

  给出真空计现场校准的完整不确定度描述,列出了校准过程中详细的影响因素,帮助解决真空计现场校准过程中不确定度的计算问题,并通过实际案例分析,将最终测量结果控制在合理而有效的范围之内。

  真空计是用来测量绝压状态下大气压力的仪器,广泛运用于军工、电子、医疗食品、电力、冶金、化工等各种领域。随着科技的发展,行业中对真空计的要求也在不断地提升,精度已普遍达到10-2Pa 左右。由于真空系统是包含真空规管真空泵(罗茨泵机械泵分子泵等) 、各种连接管道以及真空挡板阀门在内的一套完整的测试系统,体积庞大,且在现场安装位置固定,无法实现对真空系统的实验室校准,现代化的集成生产逐渐要求对真空系统进行现场校准。对真空系统的现场校准也是今后真空校准的发展趋势。

  真空计现场校准过程中很重要的方面就是校准不确定度问题。由于现场条件多变,环境参数不稳定,因此相对于实验室校准,现场校准的不确定因素更多,情况更加复杂,需要考虑更多的不确定度影响因素,以取得合理的校准结果。

1、真空计现场校准模型分析

  下面对于10-3 ~105Pa 的真空计现场校准的不确定度作出分析。

  对于现场校准的真空计,其修正值的计算公式如下:

K = pstd - psys - puuc (1)

  式中:K 为真空计示值修正值,Pa;pstd为标准压力值,Pa; psys为系统补偿值,Pa;puuc为被测真空计示值,Pa。

  根据公式(1) 可知,影响真空计现场校准的不确定度因素主要包括标准器、被测真空计以及校准系统三个方面,其中每个影响量又包含若干个影响因素。下面分别就标准器、被测真空计以及校准系统引入的不确定度作单独分析。

1.1、标准器引入的不确定度

  标准压力值pstd由以下公式给出:

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

  式中:pref为参考标准的示值,Pa;pz为参考标准的零点偏差,Pa;δp1为校准证书给出的修正值,Pa;δp2为示值漂移误差( 多数情况下此值为0) ,Pa;δp3为长期稳定性误差,Pa;δp4为温度波动引起的误差,Pa;δp5为其他影响量引起的误差,Pa。所以,由标准器引入的标准不确定度为:

由标准器引入的标准不确定度

1.2、被测真空计引入的不确定度

  被测真空计值由下式给出:

puuc = pind - p0 + δp6 + δp7 (4)

  式中: puuc为被测真空计值,Pa;pind为被测真空计显示值,Pa;p0为被测真空计零点偏差,Pa;δp6为被测真空计漂移误差,Pa;δp7为被测真空计其他影响量误差,Pa。

  所以,被测真空计引入的标准不确定度为:

被测真空计引入的标准不确定度

1.3、校准系统引入的标准不确定度

  校准系统引起的影响量为:

psys = δp8 + δp9 + δp10 (6)

  式中:psys为校准系统补偿值,Pa;δp8为由连接件的温差引起的影响量,Pa;δp9为泄漏引起的影响量,Pa; δp10为读数稳定性引起的影响量,Pa。

  所以,校准系统引起的标准不确定度为:

校准系统引起的标准不确定度

1.4、合成标准不确定度

  由以上可知合成标准不确定度为:

合成标准不确定度

1.5、扩展不确定度

  取包含因子k = 2,扩展不确定度为:

U = kuc(k = 2)

2、实例分析

  下面以一只测量范围为1~100Pa 的热传导真计现场校准为例,计算其在10Pa 点的不确定度。其中,标准器示值为10. 213Pa, 系统补偿值为0.001Pa,被测真空计示值为10.247Pa ( 表1 ~ 3 中均为参考值,应用时以实际示值为准) 。

表1 标准器引入不确定度计算汇总表

标准器引入不确定度计算汇总表 

表2 被测真空计引入不确定度表

被测真空计引入不确定度表 

表3 标准系统引入的不确定度表

标准系统引入的不确定度表 

  由表1 ~3 计算得ustd =1.09 × 10-2Pa,u uuc = 8.20 ×10-3Pa,usys = 1.30 × 10-2 Pa,其合成标准不确定度为:

合成标准不确定度

 

3、结束语

  通过以上分析可知,在真空计的现场校准过程中,由于条件复杂多变,要充分考虑各种不确定因素对校准结果带来的影响,但往往由于影响因素过多我们无法全面估计,因此应当根据现场的实际情况做出恰当的评估和适当的筛选,可以忽略那些影响量过小或无法估计而又不至于对最终结果产生很大偏差的影响量,才能保证最终得到的校准结果在合理而有效的范围之内。

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