指针压力表智能检定系统误差分析及检测精度评价方法_屠岩.pdf

收稿日期:2023 02 09基金项目:基于电磁平衡原理的活塞式压力计自动校准系统关键技术研究 项目(2021MK046)第一作者:屠岩(1997)，男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为机械仪表(压力表)智能化检测。通信作者:朱海清(1965)，男，江西丰城人，江南大学机械工程学院副教授，硕士生导师，研究方向为为过程装备、特种设备检测技术与检测设备研发。E mail:809075521 qq com指针压力表智能检定系统误差分析及检测精度评价方法屠岩1，屠彬彬2，朱海清1，黎少鸿1(1 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122;2 浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018)摘要:该文首先介绍了指针压力表检定要求与检定流程及智能化检定技术对压力表检定工艺的改进;随后提出了一套指针压力表智能检定系统并介绍了各部分主要功能;接着通过 14 点稳压标准压力试验分析指针压力表智能检定系统的误差，根据正态性检验、重复性分析及不确定度分析的结果表明，指针压力表智能检定系统造压精度满足 0 05%FS 要求，且误差呈正态分布。最后提出了指针压力表示值检测精度评价方法，为智能化检定装置提供了分级依据。关键词:指针压力表;智能检定;误差分析;不确定度;检测精度中图分类号:TH823 2文章编号:1000 0682(2023)04 0098 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 018Error analysis of intelligent verification system of pointer pressure gauge andmeasurement accuracy evaluation methodTU Yan1，TU Binbin2，ZHU Haiqing1，LI Shaohong1(1 College of Mechanical Engineering，Jiangnan Universityg，Jiangsu Wuxi 214122，China;2 Zhejiang Province Instituteof Metrology，Zhejiang Hangzhou 310018，China)Abstract:This paper first introduces the verification requirements and verification process of pointerpressure gauge and the improvement of intelligent verification technology to the verification process ofpressure gauge Then a set of intelligent verification system of pointer pressure gauge is put forward andthe main functions of each part are introduced Then，the error of the intelligent verification system ofpointer pressure gauge was analyzed through the 14 point standard pressure test According to the re-sults of normality test，repeatability analysis and uncertainty analysis，the pressure building accuracy ofthe intelligent verification system of pointer pressure gauge meets the requirement of 0 05%FS，and theerror is normally distributed Finally，a method to evaluate the detection accuracy of pointer pressure rep-resentation value is proposed，which provides a classification basis for intelligent verification deviceKeywords:pointer pressure gauge;intelligent verification;error analysis;uncertainty;detection precision0引言指针式压力表是常用的压力示值仪表，其结构简单，应用广泛。经调研发现目前各计量检定机构或压力表生产制造厂采用的检定方式仍多以人工检定方式为主，压力表检定流程复杂，劳动强度大，人工检定的效率较低、检定结果易受主观因素影响导致检定精度降低1。因此在压力仪表检定行业中，利用计算计技术的智能化检定代替人工手动或半自动检定早已成为趋势2。该文依据压力表检定规程要求，设计开发了一套指针压力表智能检定系统，并进行了稳压标准压力试验。拟通过统计学相关理论对得到的相关实验数据进行误差分析、正态性分析、重复性分析及89工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期不确定度分析，并探索出一套适用于指针压力表智能检定系统的检测精度评价方法，这将对压力表计量检定工作效率的提高及压力仪表计量水平的提升具有重要意义。1压力表检定要求与检定流程1 1检定要求根据压力表检定规程中的相关规定，一般压力表的检定要求如表 1 所示3。表 1一般压力表检定要求项目要求标准器标准器最大允许误差绝对值应不大于被检压力表最大允许误差的 1/4，可选年稳定性合格的 0 05 级以上数显压力表环境条件温度为(20 5);相对湿度为85%工作介质6 MPa 以下为空气、以上为无腐蚀性液体检定项目包括外观、零位误差、示值误差、回程误差、轻敲位移、指针平稳性等1 2检定流程压力表测试的检定工作流程为:开始检定时，检定人员观察被检表是否满足零位误差，并选取检定点;随后控制系统控制标准压力源的压力输出，依次完成定点升压与降压检定，并在最高点保压 3 分钟;最后再检定零位误差以及完成检定数据的记录。检定工作流程如图 1 所示。图 1指针压力表检定工作流程图2压力表智能检定技术及检定工艺研究2 1智能检定技术对现有检定工艺的改进(1)利用计算机自动记录检测过程中的所有检定数据及表的信息，并自动生成无纸化检定报告，所有检定任务过程中采集的图像以及检定数据都能追溯。检测数据有了对应的被检表实物照片进行溯源，可纠正读数错误，大幅度提高检定的可靠性，也确保了计量结果的公正与公开;(2)可获取到读取被检表示值瞬间的标准器实际压力值，使示值误差真实、准确;(3)对压力发生器的压力控制精度要求可根据数显标准表最大允许误差范围进行放宽，降低设备的成本、提高检定效率;(4)设备可采用多检测工位、实现多表的同步检测，进一步提升检定效率。2 2检定工艺要求根据压力表检定规程规定及压力表检定工作具体情况，压力表在实现智能化检定时，有以下几点检定工艺要求必须满足:(1)检定点压力控制精度要在数显标准表的最大允许误差之内;压力变化仅可单方向的趋近检定点，应尽量避免压力“超调”现象;(2)对每个检定点之间的升、降压时间也有要求，即要让被检表的弹簧管变形充分稳定，这样得到的读数才客观;经实测表明，过快的升、降压均会导致不合格率明显上升。3指针压力表智能检定系统设计该文设计的智能检定系统整体结构包括四部分:控制模块、软件模块、压力采集模块与标准压力源模块，如图 2 所示，通过机器视觉技术、PLC 控制技术以及信息化技术可实现指针压力表检定的智能化。图 2智能检定系统整体结构示意图992023 年第 4 期工业仪表与自动化装置指针压力表智能检定系统各模块原理及具体功能为:(1)控制模块通过串口通信方式与计算机进行通讯接受指令与上传信号;(2)标准压力源模块的压力信号输出由控制模块自动控制，并通过系统压力管道回路连接至被检压力表与数显压力表;(3)数据采集模块与计算机相连，通过数显标准表采集当前压力管路的压力值以及通过上位机软件采集被检压力表图像并传输至计算机;(4)软件模块的视觉读表软件采用 C+语言编程，调用 OpenCV4 0 库函数，实现对被检表图像的处理与解析，并将其封装成动态链接库文件嵌入上位机软件以自动识别指针压力表当前的指针示数;C/S 架构的上位机检定软件采用 C#语言编写，可实现检测任务管理及检定流程的自动化，包括通过串口通讯实现一键与 PLC 通讯、调用海康威视相机接口拍摄图片并通过嵌入上位机软件的视觉读表程序识别压力表读数、计算检定误差数据并最终生成检定报告、将检定数据与图片等存储到 MySQL 数据库中，以便于日后进行数据追溯。4智能检定系统实测结果与分析4 114 点稳压标准压力试验选取量程为 60 MPa 的0 05 级数显标准表置于智能检定系统的压力输出端，则最大允许误差为0 03 MPa。连续重复测量 8 次，记录数显压力表的 14 点稳压标准压力试验数据结果如表 2 所示。对表 2 数据进行计算处理后，得到 14 点稳压标准压力试验数据结果分析表如表 3 所示。分析表 3 数据可知，正行程与反行程的最大示值误差、回程误差均在最大允许误差 0 03 MPa 范围内，即该文设计的指针压力表智能检定系统的造压精度达到了 0 05%FS。表 214 点稳压标准压力试验数据结果表设定值/MPa0 00010 00020 00030 00040 00050 00060 000正行程 1/MPa0 00110 00220 01830 00540 00650 00460 007反行程 1/MPa0 0059 99820 00929 99839 99449 99859 999正行程 2/MPa0 00110 00820 01230 00340 00550 00360 004反行程 2/MPa0 0049 99219 99329 99739 99649 99659 997正行程 3/MPa0 00010 00420 01330 00240 00450 00160 006反行程 3/MPa0 0039 99619 99929 99839 99649 99760 000正行程 4/MPa0 00010 00120 01330 00340 00250 00360 008反行程 4/MPa0 0049 99719 99729 99639 99749 99159 999正行程 5/MPa0 00110 00720 01330 00440 00250 00260 004反行程 5/MPa0 0039 99320 00229 99839 99349 99459 996正行程 6/MPa0 00110 00220 01830 00140 00450 00460 007反行程 6/MPa0 0059 99720 00929 99939 99649 99259 993正行程 7/MPa0 00110 00620 01130 00640 00650 00360 006反行程 7/MPa0 0049 99919 99329 99639 99349 99460 000正行程 8/MPa0 00010 00320 01330 00540 00150 00160 008反行程 8/MPa0 0019 99819 99929 99539 99249 99359 992表 314 点稳压标准压力试验数据结果分析表设定值/MPa0 00010 00020 00030 00040 00050 00060 000正行程最大示值误差/MPa0 0010 0080 0180 0060 0060 0040 008反行程最大示值误差/MPa0 0050 0010 0090 0010 0030 0020 000最大回程误差/MPa0 0120 0190 0140 0160 0140 0120 0134 2误差正态性检验将上述表 2 中的 8 次稳压试验数据结果与设定值相减后，将所得数据导入 SPSS 软件进行正态性检验。SPSS 中正态性检验的方法有两种:一是柯尔莫戈洛 夫 斯 米 诺 夫 检 验(Kolmogorov Smirnovtest)，简称 K S 检验;二是夏皮洛 威尔克检验001工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期(ShapiroWilk test)，简称 S W 检验4。由于该文实验数据为小样本数据，一般以 S W 检验的结果为准。则从 SPSS 软件中导出的 S W 正态性检验结果见下表 4。表 4S W 正态性检验结果表检定点统计自由度显著性0 0000 854160 01510 0000 970160 84420 0000 888160 05230 0000 924160 19340 0000 896160 07050 0000 891160 05860 0000 914160 134分析表 4 数据，同时考虑到零位时会进行调零校正操作，忽略零检定点数据，则表 4 数据的显著性均大于 0 05，这表明压力表智能检定系统测得的标准压力数据误差满足正态分布规律。4 3重复性分析压力控制器检定规程规定:在同一检定点通过3 次测量得到上切换值之间的最大差值和下切换值之间的最大差值，两者中较大的差值相对于量程的百分比即为压力控制器的重复性误差5。故该文在使用相同检定条件下，重复进行 3 次正反行程稳压试验。并在每次试验开始前对数显标准表进行调零操作，保证每次实验之间具有相互独立性。记录数显标准表的压力示值如下表 5 所示。采用压力控制器规程中的重复性误差计算方法对表 5 数据进行计算，可得系统在各检定点的标准压力示值重复性误差如下表 6 所示。分析表 6 数据可知，该文设计的压力表智能检定系统在各检定点的标准压力重复性误差均小于 0 05%，满足压力控制器规程要求。表 5标准器压力示值重复性试验数据结果表设定值/MPa0 00010 00020 00030 00040 00050 00060 000正行程 1/MPa0 00110 00420 01330 00640 00450 00560 007正行程 2/MPa0 0049 99719 99729 99739 99649 99659 999正行程 3/MPa0 00210 00720 01330 00140 00450 00360 002反行程 1/MPa0 0059 99720 00429 99939 99449 99759 996反行程 2/MPa0 00110 00320 00130 00640 00650 00460 004反行程 3/MPa0 0019 99819 99729 99539 99249 99659 996表 6标准器压力示值重复性试验数据重复性误差表设定值/MPa0000100002000030000400005000060000重复性误差/%00070017002700180023001500134 4不确定度分析4 4 1测量不确定度的分类及评定方法测量不确定度表用于表征测量结果可靠程度，通常分为不确定度 A 类评定和 B 类评定。(1)A 类评定测量不确定度 A 类评定是在测量条件下多次测量并对样本进行统计分析的不确定度评定的方法。一般采用贝塞尔公式法进行 A 类不确定度的评定，贝塞尔公式为:s(x)=1n(n 1)ni=1(xi x)2(1)式中:s(x)为 A 类不确定度分量;n 为独立测量的重复次数;xi为第 i 次独立测量结果;x为独立测量结果的算术平均值6 7。(2)B 类评定B 类测量不确定度的评定是用不同于 A 类不确定度评定的方法进行测量的不确定度分量，其来源一般为技术说明书、检定证书等8 9。4 4 2压力表智能检定系统不确定度分析压力仪表的检定工作环境为实验室恒温环境，若不考虑温度的影响，指针压力表智能检定系统工的不确定度主要由测量重复性以及校验时工作位置差所引入。(1)测量重复性引入的不确定度此种不确定度由重复测量引起，属于 A 类不确定度。则可选取上文表 2 中前 5 组试验数据作为基础数据进行不确定度评定，首先计算出这 5 组数据的平均值 x并根据贝塞尔公式(1)计算出各点的实验标准差 s(x)，如下表 7 所示。随后选取表 7 中s(x)的最大值作为平均值的实验标准差，即测量重复性引入的不确定度为 0 002 7 MPa。1012023 年第 4 期工业仪表与自动化装置表 7测量重复性试验数据结果表设定值/MPa0 00010 00020 00030 00040 00050 00060 000平均值 x/MPa0 002 29 999 820 006 930 000 439 999 549 998 960 002 0s(x)/MPa0 000 60 001 70 002 70 001 00 001 50 001 40 001 4(2)检定工作位置差引入的不确定度压力表智能检定系统进行检定工作时，由于压力发生装置的工作位置与被检表的受压面不在同一水平面上，中间有一段连接管路，在被检表接入系统检定工位的过程中，不可避免的会带入一定的体积空气，从而在两个参考水平面之间有气柱存在，形成压力差。由此引入的不确定度称为检定工作位置差引入的不确定度10 11。若忽略介质密度和重力加速度的影响，假设系统引入清洁空气，即空气密度与压力近似成正比，气柱高度差为 h，标准空气密度为 0，则检定工作位置差引入的不确定度可表示为:u=0gh3(2)由上述假设条件知:0=1 29 kg/m3、g=9 8m/s2、h=200 mm，将它们带入式(2)中可得检定工作位置差引入的不确定度为 1 45 106MPa。(3)合成标准不确定度由测量不确定度评定与表示规程知合成不确定度公式为:uc=ui2=0 002 7 MPa(3)式中:uc为合成不确定度;ui为第 i 个不确定度分量。则指针压力表智能检定系统的合成不确定度为 0 002 7 MPa。5指针压力表示值检测精度评价方法研究由上文知该文设计的智能压力表检定系统的精度满足指针压力表检定工作需求，为进一步提升系统的适用性，可针对指针压力表示值检测精度提出一套评价方法，具体包括以下几点:(1)将被检表的取样(不同量程、精度等级、外径大小)进行标准化。即可在送检时将相同量程、精度等级、直径的表分类放置，批量送入多工位压力表智能检定装置进行批量检定;(2)根据数显标准器压力值、被检表图片是否具备同步性，将设备的精度进行分级，理论上同步误差越小，精度越高。经实测，精密压力表智能检定设备同步误差通常在 1 秒内;(3)对数据复核与检测精度分级评价。由于测试数据有图片进行溯源，且可对读数进行修改纠偏，因此视觉识别理论上不存在风险。可采用自动驾驶那套分级方法，把视觉读表分成不同等级，如:辅助读表(D1 级)、普通表视觉读表(D2 级)、精密表视觉辅助读表(D3 级)、视觉精确读表(D4 级)等。6结束语该文首先介绍了指针压力表的检定要求与检定流程及智能化检定技术对压力表检定工艺的改进;随后设计研发一套指针压力表智能检定系统，并通过统计学相关理论对实验数据进行了误差分析，结果表明指针压力表智能检定系统造压精度满足0 05%FS要求，且误差呈正态分布;最后提出了一套指针压力表智能检定系统的检测精度评价方法，为智能化检定装置提供了分级依据。参考文献:1伍开宇 机械指针式压力表的智能检测系统研究 D 无锡:江南大学，2022 2渠晴晴 仪表检定中压力供给系统的设计与开发 D 青岛:中国石油大学(华东)，2014 3 国家质量监督检验检疫总局 弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程:JJG 52 2013 S 2013 12 24 4 黄石敏 自动压力校验系统的设计与开发 D 杭州:中国计量学院，2012 5 国家质量监督检验检疫总局 压力控制器检定规程:JJG 544 2011 S 2012 06 28 6 国家质量监督检验检疫总局 测量不确定度评定与表示:JJF 1095 1 2012 S 2013 06 03 7 王同宾，许瑞丰 精密压力表全省比对参考值示值误差测量不确定度评定 J 工业计量，2022，32(S1):45 47 8 蔡一凡 测量不确定度估算在测量仪器选择中的应用 J 铁道技术监督，2022，50(07):15 18 9 丁娟娟，李新峰 对压力表测量结果不确定度评定的探讨 J 橡塑技术与装备，2022，48(07):1 5 10 粟正宇，杨修能 一般压力表示值误差测量结果的不确定度评定 J 工业计量，2020，30(06):64 65 11 陈光辉 一般压力表的示值误差不确定度的简单评定 J 流体测量与控制，2022，3(01):19 21201工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期