煤矿用差压传感器校准方法的研究和实现①
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摘 要：煤矿井下测量仪器设备在煤矿生产中起重要作用，计量结果的准确性、可靠性直接影响煤矿的安全生产。加强煤矿安全测量仪器的计量检定和校准是实现煤炭工业持续健康发展的重要保障，也是加强煤矿安全生产工作的迫切要求。煤矿用差压传感器具有检测精度高、性能稳定、寿命长等特点，目前逐渐成为煤矿井下检测甲烷的测量仪器，数量逐年增多。煤矿用差压传感器广泛用于煤矿井下的压差监测，是煤矿安全生产和计量管理重要的计量器具，目前还没有相应的计量检定规程或校准规范，使用单位和检测机构在传感器量值溯源和传递上没有依据。现将传感器校准方法研究提供给大家参考、讨论。
关键词：煤矿用差压传感器 校准方法 研究 实现
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0012-02
1 引言
煤矿用差压传感器（以下简称传感器）是主要用于矿井风机、风门密闭、通风巷道等地的差压进行连续监测、并实时显示被测点的差压值和报警监控的功能。目前还没有相应的计量检定规程或校准规范，使用单位和检测机构在传感器量值溯源和传递上没有依据。现将传感器检定研究提供给大家参考、讨论。
2 传感器的工作原理
传感器通过采集头取得差压后，由压力传感器元件进行电信号的转换，放大后，经过单片机处理，再分配给各单元，最终在显示屏显示压力值和输出数字量或模拟量信号传输到关联设备，实现远程集中监控。
3 传感器校准项目及基本误差校准方法
3.1 传感器标准
接通电源，待传感器零点稳定后，用标准压力发生器对传感器量程的50%的校准点进行标准，在以后的校准中不得再次标准。
3.2 传感器的基本误差校准方法
3.2.1 校准点的选择
校准点的选择应按量程基本均布，一般应包括上限值、下限值在内不少于5个点。
3.2.2 校准方法
校准从下限开始平稳地输入压力信号到各校准点，读取并记录传感器的显示值或输出信号值（换算为压力值）至上限;保持1min，然后反方向平稳改变压力信号到各检测点，读取并记录传感器的显示值或输出信号值（换算为压力值）至下限，这为一次循环。如此进行3个循环的校准，取其算术平均值与标准器示值的差值与满量程之比，为示值误差。传感器的示值误差按公式（1）计算。
（1）
式中：
——传感器的示值误差，%;
——传感器的测量平均值，kPa;
——标准器的示值，kPa;
——传感器的满量程（即上限值与下限值之差），kPa。
3.2.3 信号传输误差
按3.3.2方法重复测定3次，取其算术平均值与传感器显示值或传感器输出信号值（换算为压力值）的差值，即传感器的信号传输误差。
（2）
式中：
Gm——输出电信号上限对应的压力值，kPa;
G0——输出电信号下限对应的压力值，kPa;
Pm——输出电信号上限标称值，Hz;
P0——输出电信号下限标称值，Hz;
——各点的输出信号的算术平均值，Hz;
——各点的输出信号的算术平均值换算的压力值，kPa。
再按式（3）计算传感器各点的信号传输误差。取最大的为传感器的信号传输误差。
（3）
式中：
——各点的信号传输误差;
——各点的输出信号的算术平均值换算的压力值，kPa;
——各点的显示值算术平均值，kPa。
4 示值誤差的测量不确定度分析
4.1 测量对象
量程为（-15kPa～5kPa）的煤矿用差压传感器 ，最大允许误差为2.0%FS。
4.2 测量时环境条件
温度：21℃;湿度：（50～53）%RH。
4.3 测量模型
（4）
式中：
δ——仪器的示值误差，%;
——仪器的测量平均值，kPa;
x0——标准器的示值，kPa;
xm——仪器的满量程（即上限值与下限值之差），kPa。
灵敏系数可通过对公式（1）求导得出：
4.4 不确定度分量的计算
4.4.1 重复性引入的不确定度
被检仪器测量重复性，可以通过重复性条件下的用标准压力发生器连续多次测量煤矿用差压传感器得到测量数列，采用A类评定方法评定。
4.4.2 标准压力发生器引入的不确定度分量u（p）
采用B类评定方法。根据MT 393-1995《煤矿用差压传感器通用技术条件》要求，标准压力发生器准确度级别不低于0.05级，这里取最大值0.05%FS， 即0.05kPa，设服从均匀分布，则其引入不确定度分量为：
4.5 合成标准不确定度
各输入分量互不相关，按不确定度传播律进行合成：
根据公式（2）、（3）、（4），将各不确定度分量值带入，计算各校准点的灵敏系数、合成标准不确定度汇总如表2。
4.6 扩展不确定度
取包含因子k=2，则各校准点扩展不确定度如表3所示。
5 结果分析
通过分析各校准点的合成不确定度与本规程拟定的示值误差指标，煤矿用差压传感器最大允许误差为±2.0%FS，即±0.4kPa，与表3数据比较，结果表明各个校准点的示值误差测得值的不确定度与规程拟定的最大允许误差限之比均满足小于或等于1：3，符合JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》、MT 393-1995《煤矿用差压传感器通用技术条件》和JJF1033-2016《计量标准考核规范》的相关要求，说明规程制定的技术指标合理，校准方案可行可靠。
参考文献
[1] JJF1059.1-2012，测量不确定度的评定与表示[S].北京：中国标准出版社，2012.
[2] MT 393-1995，矿用差压传感器通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，1995.
[3] JJF1094-2002，测量仪器特性评定[S].北京：中国标准出版社，2012.
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