矿用水位传感器示值误差的测量不确定度评定

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0 引言

矿用水位传感器广泛应用于煤矿井下水仓以及其它需要测量水位的场所。矿用水位传感器通常由差压敏感元件、转换器和输出电路等构成，利用差压敏感元件取得压力信号，经智能处理后，由数码管直接显示水位值，同时通过信号线输出相对应的电流或频率信号。矿用水位传感器计量准确度如何，与煤矿企业的安全保障息息相关。因此，对矿用水位传感器的准确计量就显得尤为重要。本文就矿用水位传感器校准时示值误差的测量不确定度进行了详细的分析与评定。

1 测量方法

依据JJF(晋)37-2020《矿用水位传感器》校准规范，在温度为(20±5)℃，相对湿度≤75%的环境条件下，采用准确度等级0.05级，测量范围为(0～250)kPa的数字式压力计作为测量标准，采用测量范围为(0～250)kPa的手动压力泵作为压力源，对准确度2.5级，测量范围为(0～10)m的GUY10矿用水位传感器进行测量。

测量过程：校准前用测量上限对应的1.5倍压力值输入矿用水位传感器做1～2次升压及密封性试验，选取零点和测量上限的20%、40%、60%、90%5个点作为传感器的校准点，然后由测量范围下限到测量范围上限读取正行程各校准点的显示值，当达到满量程时，保持1min，而后逐步减至测量下限，并读取反行程各校准点的显示值。传感器各校准点示值与标准值对应的水位值之差即为传感器各校准点的示值误差。

2 测量模型

2.1 测量模型

式中：△Li为传感器各校准点的示值误差，m；Li为传感器各校准点的示值，m；ps为校准设备各校准点的标准值，Pa；ρ为水的密度，通常取1.0×103kg/m3；g为当地的重力加速度，m/s2。

2.2 灵敏度系数

3 标准不确定度分量的来源

1)输入量Li的标准不确定度来源有两个方面：传感器的测量重复性引入的标准不确定度分量u1(Li)；传感器的分辨力引入的标准不确定度分量u2(Li)。

2)输入量ps的标准不确定度u(ps)。

3)输入量ρ

引入的标准不确定度分量u(ρ)和输入量g引入的标准不确定度分量u(g)都较小，因此这两个分量可以不作考虑。

4 输入量的标准不确定度评定

4.1 输入量Li的标准不确定度u(Li)的评定

4.1.1 传感器的测量重复性引入的标准不确定度分量u1(Li)，采用A类方法进行评定。重复性试验条件下，分别在零点和测量上限的20%、40%、60%、90%5个校准点上各做10次重复测量，求出各点重复测量平均值为，示值误差单次测得值的实验标准偏差按式0.029进行计算，在实际测量过程中，测量结果为单次测量的示值，所以其标准不确定度分量为：u1(Li)=s。各校准点重复性试验测量结果见表1。

表1 重复性试验测量结果 单位：m

4.1.2 传感器的分辨力引入的标准不确定度分量u2(Li)，采用B类方法进行评定。由传感器说明书可知，仪器分辨力为0.01m，即区间半宽度为0.005m，假设为均匀分布，即k=，则u2(Li)=0.005/=0.003m。

一般在重复性引入的标准不确定度分量和分辨力引入的标准不确定度分量两个中取其中一个较大者作为输入量Li的标准不确定度，所以选取u1(Li)。

4.2 输入量ps的标准不确定度u(ps)的评定 示值误差测量时，ps的不确定度来源主要由数字式压力计的最大允许误差引入，采用B类方法进行评定。由数字式压力计检定证书可知，其准确度等级为0.05级，则数字式压力计的最大允许误差区间半宽度a=0.05%×满量程=0.125 kPa，区间内误差服从均匀分布，取包含因子k=，则其标准不确定度分量为：u(ps)

5 合成标准不确定度的评定

5.1 标准不确定度分量一览表见表2

表2 标准不确定度分量一览表

表3 合成标准不确定度一览表 单位：m

6 扩展不确定度的评定

示值误差测量时，取包含因子k=2，则扩展不确定度为：U =k×uc，各测量点扩展不确定度见表4。

表4 扩展不确定度一览表 单位：m

7 测量不确定度报告

在零点校准点上：U =0.03m，k=2。

在测量上限的20%校准点上：U =0.05m，k=2。

在测量上限的40%校准点上：U=0.06m，k=2。

在测量上限的60%校准点上：U=0.07m，k=2。

在测量上限的90%校准点上：U=0.08m，k=2。

8 结束语

通过对矿用水位传感器示值误差的测量不确定度评定可以看出，对测量不确定度影响大的是测量重复性和测量标准装置引入的不确定分量，而由传感器的分辨力引入得不确定度分量很小可忽略不计，水的密度和当地的重力加速度引入的标准不确定度分量都较小，两个分量可以不作考虑。这对计量技术服务机构开展矿用水位传感器的校准工作具有重要的指导意义。