海洋静力触探仪标准装置研究及不确定度评定.pdf
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1、第 2 期海洋静力触探仪标准装置研究及不确定度评定2024 年 4 月第 44 卷 第 2 期宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementApr.2024Vol.44No.2文章编号:1000-7202(2024)02-0001-08DOI:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.02.01海洋静力触探仪标准装置研究及不确定度评定钱 飞1,许素安2,高辰昊1,闫冰男1,马一开1,晏 天1(1.自然资源部南海海域海岛中心 自然资源部南海标准计量与信息中心,广州 510000;2.中国计量大学,杭州 310000
2、)摘要:为解决海洋静力触探仪量值溯源问题,结合设备测量过程中受温度影响的分析,根据量值溯源技术路线,设计构建了可在模拟海洋温度条件下开展海洋静力触探仪校准的标准装置。在对该标准装置的稳定性和开展试验的重复性考核的基础上,对校准试验结果进行了不确定度评定分析,分析表明海洋静力触探仪标准装置所复现的孔隙水压力标准值扩展不确定度为 0.017 MPa(k=2),锥尖阻力标准值扩展不确定度为 0.0310.270 kN(k=2),侧壁摩阻力标准值扩展不确定度为 0.0310.036 kN(k=2),构建的标准装置性能指标满足海洋静力触探仪的量值溯源需求。关键词:海洋静力触探仪;锥尖阻力;侧壁摩阻力;不
3、确定度中图分类号:TB93文献标识码:A收稿日期:2023-10-27;修回日期:2024-01-31基金项目:海洋观监测船舶码头运行维护(102121192080130009002)作者简介:钱飞(1989-),男,工程师,硕士,主要研究方向:海洋调查监测设备的计量检测方法。通讯作者:许素安(1975-),女,教授,博士,主要研究方向:计量检测技术。Research on Measurement Standard of Offshore Static ConePenetrometer and Uncertainty EvaluationQIAN Fei1,XU Suan2,GAO Chenh
4、ao1,YAN Bingnan1,MA Yikai1,YAN Tian1(1.South China Sea Sea Area and Island Center Ministry of Natural Resources,South China Sea StandardMetrology and Information Center Ministry of Natural Resources,Guangzhou 510000,China;2.China Jiliang University,Hangzhou 310000,China)Abstract:In order to solve th
5、e metrological traceability of offshore static cone penetrometer,the influence oftemperature on measurement is analyzed.On this basis,the measurement standard of offshore static cone penetrometer isdesigned.The uncertainty of measurement results is analyzed based on checking stability of the measure
6、ment standard andrepeatability of experiment.The results show that the uncertainty of pore pressure is 0.017 MPa(k=2),the uncertainty ofcone resistance is 0.0310.270 kN(k=2),and the uncertainty of sleeve friction resistance is 0.0310.036 kN(k=2).The measurement standard meets requirements for tracea
7、bility of offshore static cone penetrometer.Keywords:Offshore static cone penetrometer;Cone resistance;Sleeve friction resistance;Uncertainty0 引 言海洋静力触探仪一般采用电阻应变原理测量锥尖阻力和侧壁摩阻力,利用压阻效应测量孔隙水压力1-4。海洋静力触探仪测量数据的准确性对于海洋工程和海洋地质调查等项目的开展具有重要作用5,6。宇航计测技术2024 年针对海洋静力触探仪的量值溯源和测量准确性问题,国内外均有开展一定的研究工作。目前,国内已发布的相关规范
8、主要是 JJF 14392013,该方法利用标准测力仪、校准框架和压力罐等主要对陆地使用的静力触探仪各参数开展室温下的校准7。国外相关的标准主要是 ISO 22476-1:2022,在该标准中强调应开展温度对探头测量性能影响的检测8。黄宏庆等学者对作业过程中影响海洋静力触探测试成果的诸多因素及其影响程度进行了总结,提出标定温度与地下温度的差异会影响探头测量的准确性9,10;吴波鸿等学者对探头零荷载响应受温度的影响进行了研究,并指出需取得相应的标定系数11;蒋衍洋等学者指出应对时漂和温漂参数开展检查,并使用压力标准器和耐压设备对孔隙水压力进行标定12;考虑温度对海洋静力触探仪孔隙水压力测量的影响
9、问题,在前期研究中已提出了一种基于模拟海洋环境的孔隙水压力校准方法,实现了海洋静力触探仪孔压的准确测量和溯源13。文中在进一步分析温度对锥尖阻力和侧壁摩阻力测量影响的基础上,设计构建了相应的标准装置,具备了在模拟海洋温度条件下对孔隙水压力、锥尖阻力和侧壁摩阻力开展校准的功能,进一步减小海洋静力触探仪由于定标温度与实际使用温度差异所导致的附加误差。1 温度对测量的影响分析为进一步分析温度对海洋静力触探仪锥尖阻力和侧壁摩阻力测量的影响,结合仪器设备常见工作环境温度情况,选择在 0 至 40 范围内均匀选取 5 个温度点,分别在不同的温度条件下对锥尖阻力和侧壁摩阻力的示值误差进行测量并分析。1.1
10、温度对锥尖阻力测量的影响在0 至40 范围内均匀选取 5 个温度点,通过经量值溯源的 A 级铂热电阻测量海洋静力触探仪所处的试验温度,确保在5 个不同的温度下获得锥尖阻力示值。经统计分析,海洋静力触探仪在不同温度条件下1 kN 至6 kN 的锥尖阻力示值误差变化和锥尖阻力示值误差分布趋势,如图1 和图2 所示。通过图 1 可知不同温度条件下,相同校准点的锥尖阻力示值误差会发生变化,在试验温度与厂家对海洋静力触探仪定标时通过温湿度计测量的环图 1 不同温度条件下各锥尖阻力校准点示值误差变化Fig.1 Variation of cone resistance measurementerror un
11、der different temperature图 2 不同温度条件下锥尖阻力示值误差分布趋势Fig.2 Distribution trend of cone resistance measurementerror under different temperature境温度偏离 20 左右时,锥尖阻力示值误差变化量为 128 N,达到了其最大允许误差的 1/3。从图 2可知,校准温度点偏离标定时的环境温度越大时,锥尖阻力示值误差的分布范围均有进一步放大的趋势,各校准点对应示值误差的离散度更大。1.2 温度对侧壁摩阻力测量的影响在0 至40 范围内均匀选取5 个温度点,通过经量值溯源的 A
12、级铂热电阻测量海洋静力触探仪所处的试验温度,确保在 5 个不同的温度下获得侧壁摩阻力示值。经统计分析,海洋静力触探仪在不同温度条件下1 kN 至6 kN 的侧壁摩阻力示值误差变化和示值误差分布趋势,如图 3 和图 4 所示。通过图 3 可知不同温度条件下,相同校准点的侧壁摩阻力示值误差会发生变化,在试验温度与厂家对海洋静力触探仪定标时通过温湿度计测量的环境温度偏离 10 左右时,侧壁摩阻力示值误差变化量就达到了 95 N,接近其最大允许误差的1/3。2第 2 期海洋静力触探仪标准装置研究及不确定度评定图 3 不同温度条件下各侧壁摩阻力校准点示值误差变化Fig.3 Variation of sl
13、eeve friction resistance measurementerror under different temperature图 4 不同温度条件下侧壁摩阻力示值误差分布趋势Fig.4 Distribution trend of sleeve friction resistancemeasurement error under different temperature从图 4 可发现,校准温度点偏离标定时的环境温度越大时,侧壁摩阻力示值误差的分布范围同样均有进一步放大的趋势,各校准点对应示值误差的离散度更大。2 海洋静力触探仪标准装置设计基于上述分析得到的温度对海洋静力触探仪锥尖
14、阻力和侧壁摩阻力测量的影响结果,及已有的研究所指出的孔隙水压力示值误差也会受温度影响的结论,海洋静力触探仪校准过程需结合使用环境,开展特定温度条件下的校准,以确保其测量数据的准确和溯源。针对表 1 所示的海洋静力触探仪常用计量特性,根据 JJG 20452010 和 JJG 20231989 中量值溯源路径技术要求,构建海洋静力触探仪量值溯源的计量标准装置14,15。表 1 海洋静力触探仪计量特性Tab.1 Metrological characteristics of offshore static coneperetrometer计量项目额定负荷最大允许误差孔隙水压力/MPa4,5,7,2
15、0,30锥尖阻力/kN10,25,50,75,100侧壁摩阻力 kN10,11.53.0%FS本标准装置主要由压力计、标准测力仪(由标准测力仪力传感器和标准测力仪指示装置组成)、恒温压力槽和加力结构等组成,如图 5 所示。其中,压力计的准确度等级为 0.02 级,测量范围为070 MPa;标准测力仪的准确度等级为 0.1 级,测量范围为0100 kN;恒温压力槽的控温范围为-5 55,温度波动性优于 2 /30 min,压力罐耐压30 MPa;加力结构产生的力值范围为 0100 kN,力值稳定性优于 0.2%FS/5 min。图 5 海洋静力触探仪校准装置结构图Fig.5 Structure
16、diagram of calibration device for offshorestatic cone penetrometer压力计和恒温压力槽的组合用于孔隙水压力在模拟海洋温度环境条件下的校准,实物图如图 6所示。标准测力仪、恒温压力槽和加力结构的组合用于锥尖阻力和侧壁摩阻力在模拟海洋温度环境条件下的校准,实物图如图 7 所示。3宇航计测技术2024 年图 6 孔隙水压力校准实物图Fig.6 Physical diagram of pore pressure calibration图 7 锥尖阻力和侧壁摩阻力校准实物图Fig.7 Physical diagram of cone res
17、istance and sleevefriction resistance calibration3 海洋静力触探仪标准装置技术性能分析3.1 标准值复现稳定性3.1.1 孔隙水压力标准值复现稳定性利用压力计 2020 年至 2022 年的量值溯源数据,对压力计的稳定性进行统计分析,稳定性数值均处于最大允许误差的绝对值范围内16-18,如图 8所示。3.1.2 力标准值复现稳定性利用两台标准测力仪 2019 年至 2022 年的量值溯源数据,对标准测力仪在10 kN 和50 kN 点处的示值误差分别进行统计分析,均处于稳定性为 0.1%的要求范围内19-24,如图 9 和图 10 所示。图 8
18、 压力计稳定性曲线Fig.8 Stability of pressure gauge图 9 标准测力仪 10 kN 处的示值误差变化Fig.9 Variation of measurement error of standarddynamometer at 10 kN图 10 标准测力仪 50 kN 处的示值误差变化Fig.10 Variation of measurement error of standarddynamometer at 50 kN3.2 校准结果的重复性利用构建的标准装置,对表2 中所列的 2 cm2海洋静力触探仪在20 温度条件下开展各参数的校准。通过校准海洋静力触探仪
19、得到各参数相应的重复性测量数据。4第 2 期海洋静力触探仪标准装置研究及不确定度评定表 2 2 cm2海洋静力触探仪计量性能Tab.2 Metrological characteristics of 2 cm2offshorestatic cone penetrometer测量参数额定负荷最大允许误差孔隙水压力5 MPa锥尖阻力10 kN侧壁摩阻力10 kN3.0%FS3.2.1 孔隙水压力校准结果的重复性利用压力计对海洋静力触探仪在 1.5 MPa 校准点重复测量 3 次得到一组数据,如表 3 所示。表 3 孔隙水压力重复性测量数据Tab.3 Measurement repeatabilit
20、y of pore pressure测量序号标准压力值/MPa孔隙水压力示值/MPa11.5001.50221.5001.50431.5001.504利用极差法计算得到孔隙水压力测量重复性引入的标准不确定度分量 up。up=RpC n=0.0021.69 3=0.000 7 MPa式中:Rp 海洋静力触探仪孔隙水压力测量极差,MPa;C 3 次重复测量对应的极差系数;n 测量次数。3.2.2 锥尖阻力校准结果的重复性利用额定负荷为10 kN 的标准测力仪对海洋静力触探仪在 1 kN 校准点重复测量 3 次得到一组数据,如表 4 所示。表 4 锥尖阻力重复性测量数据Tab.4 Measureme
21、nt repeatability of cone resistance测量序号标准力值/kN锥尖阻力示值/kN11.0001.08121.0001.08031.0001.085利用极差法计算得到锥尖阻力测量重复性引入的标准不确定度分量 ucf。ucf=RcfC n=0.0051.69 3=0.001 7 kN式中:Rcf 海洋静力触探仪锥尖阻力测量极差,kN。3.2.3 侧壁摩阻力校准结果的重复性利用额定负荷为10 kN 的标准测力仪对海洋静力触探仪在10 kN 校准点重复测量3 次得到一组数据,如表 5 所示。表 5 侧壁摩阻力重复性测量数据Tab.5 Measurement repeata
22、bility of sleeve frictionresistance测量序号标准力值/kN侧壁摩阻力示值/kN110.0009.735210.0009.727310.0009.733利用极差法计算得到侧壁摩阻力测量重复性引入的标准不确定度分量 usf。usf=RsfC n=0.0081.69 3=0.002 7 kN式中:Rsf 海洋静力触探仪侧壁摩阻力测量极差,kN。4 不确定度评定分析4.1 孔隙水压力校准结果的不确定度评定4.1.1 数学模型=u+2m-u2su2F100%(1)式中:孔隙水压力示值误差;u+2m 在进程时获得的孔隙水压力示值,MPa;u2s 进程的孔隙水压力标准值,M
23、Pa;u2F 海洋静力触探仪孔隙水压力的额定负荷,MPa。对式(1)求偏导,获得灵敏系数 c1p和 c2p分别为c1p=u+2m=1u2F(2)c2p=u2s=-1u2F(3)4.1.2 不确定度分量来源1)海洋静力触探仪孔隙水压力示值引入的标准不确定度分量 u1pa.孔隙水压力测量重复性引入的标准不确定度分量 u11p,采用 A 类评定方法。根据表3 中海洋静力触探仪在 1.5 MPa 校准点5宇航计测技术2024 年重复测量得到的3 组数据,得 u11p=up=0.000 7 MPa。b.海洋静力触探仪孔隙水压力测量分辨率Dp=0.001 MPa,由其引入的标准不确定度分量u12p,采用
24、B 类评定方法,一般服从均匀分布,包含因子 k=3,即u12p=Dp2k=0.0012 3=0.000 3 MPac.根据文献中的方法测量获得孔隙水压力受温度影响系数约为 0.004 MPa/13。由于恒温压力槽温度波动性优于 2 /30 min,由其引入的标准不确定度分量 u13p,采用 B 类评定方法,一般服从均匀分布,即u13p=1 0.004 MPa/3=0.002 3 MPa因为 u11p大于 u12p,并且 u11p已包含了 u12p,所以u11p和 u12p之间只考虑 u11p。u1p=(u211p+u213p)=0.002 4 MPa2)由孔隙水压力标准值引入的标准不确定度分量
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