微压力校准装置测量不确定度分析

　　0　引言

　　近年来,微压力校准的需求越来越多,其气压参数的测试范围由原来的-500 m~20 km提高到要求能够覆盖-500 m~30 km之间的任何海拔高度,同时要求能够敏感微小压力的变化。为了解决上述问题,我们成功地研制了满足上述海拔高度范围、量程为0·5~130 kPa的微压力校准装置,该装置满足了国防系统微压力检定校准的需求,填补了国内微压力领域高精度小量程校准方面的空白。本文以自主研制的微压力校准装置为基础,介绍了其工作原理,并进行了测量不确定度分析。

　　1　微压力校准装置工作原理

　　微压力校准装置是基于流体静力学原理和帕斯卡定律设计的,它的工作原理如图1所示。当活塞系统工作时,被测气体压力p通过管路系统导入活塞系统。当活塞和所加的专用砝码的重力之和与被测压力平衡时,活塞应稳定悬浮于活塞筒中并处于工作位置。根据微压力校准装置的工作原理,同时考虑其实际工作环境条件的影响,在表压模式下工作时,微压力校准装置产生的压力值由式(1)确定:

式中:A为活塞有效面积, m2;m为质量, kg;m0为专用砝码质量, kg;m1为活塞组件的质量, kg;g为活塞压力计所处地点的重力加速度, m/s2;ρa为空气密度, kg/m3;ρm0为专用砝码密度, kg/m3;ρm1为活塞组件的密度, kg/m3;A0为活塞在标准大气压和20℃下的有效面积, m2;t为活塞组件温度,℃;θ为活塞轴线与重力方向的夹角;α为活塞组件线性热膨胀系数,℃-1;λ为活塞系统压力形变系数, MPa-1;pi为接近实际压力值的一名义值, MPa。

　　2　微压力校准装置表压模式工作时测量不确定度

　　2·1　测量不确定度来源

　　根据微压力校准装置工作原理,同时考虑检定校准时该校准装置的工作位置平面与被检器具的感压面存在的高度差h而产生气柱压力差δp,则表达式(1)改写为

　　由表达式(1), (2)及工程经验可知,微压力校准装置不确定度来源及相应的概率分布如表1所示。

　　2·2　测量不确定度分析

　　为计算方便,将(2)式分为两个部分:校准装置产生的p0和校准时工作位置差产生的δp。假设各不确定度分量相互独立,各部分的不确定度分析如下:

　　2·2·1　p0的不确定度分析

　　1)活塞有效面积的不确定度ur(A)由式(1)可知

　　即专用砝码质量产生的相对不确定度为

　　2·2·2　δp的不确定度分析

　　微压力校准装置的操作介质为洁净的空气,可以认为空气的密度与压力近似成正比。假设高度差的测量不确定度为Δh,标准空气密度为ρ0,标准大气压力为p0,忽略介质密度和重力加速度的影响,δp的相对不确定度可以简单表示为