| 絕壓變送器的結(jié)構(gòu)原理以及零點調(diào)整與分析 |
| 信息來源： 絕壓變送器 | 2021-07-30 點擊量： 12158 |
摘 要 首先分析了絕壓變送器的結(jié)構(gòu)原理、使用環(huán)境、人為調(diào)試等方面影響產(chǎn)生零位漂移的現(xiàn)象；然后研究了不同量程的絕壓變送器在進(jìn)行零點調(diào)整時產(chǎn)生的線性誤差；非常后，針對小量程絕壓變送器校準(zhǔn)過程中由于設(shè)備真空度不足造成的線性差問題，提出了采用“分子泵 - 機(jī)械泵”雙級泵真空系統(tǒng)來進(jìn)行零點調(diào)整的方法。
引言
壓力變送器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成氣動信號或電動信號進(jìn)行控制和遠(yuǎn)傳的設(shè)備。它能感受壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚魉偷臉?biāo)準(zhǔn)輸出信號，如 4 ~ 20 mA 電流信號或 1~5 V 電壓信號。壓力變送器因其具有工作可靠、準(zhǔn)確度等級高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)和測量信號傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣泛的使用。壓力變送器根據(jù)壓力類型可以分為表壓變送器、差壓變送器和絕壓變送器。
表壓力是指高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差，或者相對將大氣壓作為零壓力就稱為表壓力。一般壓力儀表，若無特殊裝置，其零點壓力實際就是當(dāng)時的大氣壓，表壓力常用 pg 表示。差壓是指兩個壓力之間的差值，或者是以大氣壓力以外的任意壓力作為零點所表示的壓力，用 pd表示。
絕對壓力（簡稱絕壓）是相對于絕對真空所測得的壓力，即從完全的零壓力開始所測得的壓力。它是液體、氣體或蒸汽所處空間的全部壓力，也叫不帶條件起算的全壓力。一般用 pa 或者 abs 表示絕對壓力。
從結(jié)構(gòu)上來說，表壓和差壓變送器的低壓室膜片直接與大氣接觸，處于大氣壓環(huán)境時即為其壓力零點。輸出信號為 4~20 mA 的表壓或差壓變送器在大氣壓環(huán)境中的理論輸出電流值（簡稱理論輸出值）為 4 mA。該類變送器在校準(zhǔn)過程中若出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，可利用調(diào)整工具在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行零點調(diào)整。對于輸出信號為 4~20 mA 的絕壓變送器，其在真空狀態(tài)下的理論輸出值才為 4 mA，而現(xiàn)實條件下完全真空是不可能實現(xiàn)的。因此，在實際校準(zhǔn)過程中對絕壓變送器進(jìn)行零點調(diào)整時，應(yīng)該考慮系統(tǒng)真空度對其零點產(chǎn)生的影響。
1 絕壓變送器的零位漂移
在分析歷年來客戶送檢變送器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，相對于表壓與差壓變送器，絕壓變送器更容易產(chǎn)生零點漂移，有的甚至在周期檢定時輸出值已嚴(yán)重超差。例如，分析某核電公司每年周期送檢的大量 ROSEMOUNT 的 3051 系列變送器數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，對于該系列的表壓和差壓變送器，其周期穩(wěn)定性較好，零位漂移較小，測量誤差與回程誤差均在允許范圍內(nèi)；而反觀該系列的絕壓變送器，往往零位漂移嚴(yán)重，偏差較大。分析其原因，主要有以下幾點：
1）測量原理與結(jié)構(gòu)方面，3051 系列的壓力變送器工作時，介質(zhì)壓力通過變送器高、低側(cè)的隔離膜片和灌充油傳遞到 δ 室中心的測量膜片，該測量膜片是一張緊的彈性元件，用于檢測作用在測量膜片上的差壓。測量膜片的位移與差壓成正比。測量膜片的位置由它兩側(cè)的電容固定極板通過直接數(shù)字電容電路檢測出來，如圖 1 所示。
對于表壓和差壓變送器，大氣壓如同時施壓在傳感膜片的低壓側(cè)，在高壓側(cè)無壓力作用下，膜片兩端為對稱結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)壓力平衡。但是，對于絕壓變送器，其低壓側(cè)始終保持一個參考壓力（即高真空基準(zhǔn)室），這樣傳感器膜片兩端為非對稱結(jié)構(gòu)，也就是無論參考腔體漏氣還是材料變形等因素均會導(dǎo)致零位變動，即發(fā)生零位漂移。
2）使用現(xiàn)場環(huán)境影響
絕壓變送器的穩(wěn)定性受溫度影響較大。例如，核工廠內(nèi)的冷卻水管道上使用的變送器，往往接觸介質(zhì)的溫度可達(dá) 100 ℃。當(dāng)這些絕壓變送器在高溫、真空狀態(tài)下工作時，腔體內(nèi)的隔離膜片因真空而外鼓，于是密封系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低，填充液黏度隨著下降，從而導(dǎo)致硅油的揮發(fā)性增強(qiáng)，沸點降低，熱膨脹性增強(qiáng)，出現(xiàn)硅油部分氣化、體積膨脹，使隔離膜片變形，進(jìn)而產(chǎn)生零位漂移。而當(dāng)這些儀表送進(jìn)計量實驗室進(jìn)行周期檢定時，應(yīng)在 JJG 882-2004《壓力變送器》檢定規(guī)程中規(guī)定的環(huán)境條件進(jìn)行計量檢定，并應(yīng)按照檢定規(guī)程的要求對變送器的零點進(jìn)行調(diào)整。
3）使用人員的錯誤調(diào)整
本院每年都會接收到數(shù)百臺送檢的絕壓變送器，其中，有些企業(yè)的一批量絕壓變送器均出現(xiàn)示值超差現(xiàn)象，究其原因發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)儀表檢修人員在檢修絕壓變送器時常常會發(fā)生調(diào)整錯誤。例如，某單位送檢的一批 3051 系列 10 MPa 量程、4~20 mA 輸出的絕壓變送器，其在“真空狀態(tài)”（即計量設(shè)備所能達(dá)到的非常大真空度）下的實際輸出電流值（簡稱“實際輸出值”）均比理論輸出值小。分析原因發(fā)現(xiàn)，10 MPa 量程的絕壓變送器在大氣壓環(huán)境下（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為 101.321 kPa）的理論輸出值為 4.162 mA，接近于 4 mA，這時，很多檢修人員會誤把這批變送器當(dāng)作表壓變送器處理，在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行清零操作而導(dǎo)致這些變送器在“真空狀態(tài)”的實際輸出值會低于理論輸出值。相對“零點”調(diào)整的誤操作，有些企業(yè)常常會對絕壓變送器的滿量程進(jìn)行錯誤調(diào)整。例如，量程為 0~100 kPa、4~20 mA 輸出的絕壓變送器，其在 100 kPa 絕壓下的理論輸出值應(yīng)為 20 mA，若在當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?102 kPa 時，其理論輸出電流應(yīng)為 20.32 mA。當(dāng)檢修人員發(fā)現(xiàn)這些變送器的輸出電流高于 20 mA 時，會誤在大氣壓狀態(tài)下對該表進(jìn)行滿量程電流調(diào)整，致使該變送器量程擴(kuò)大，也對其零位電流產(chǎn)生了影響。
2 絕壓變送器校準(zhǔn)過程中的零點調(diào)整
目前，對絕壓變送器采用壓力控制器配合機(jī)械泵的方法進(jìn)行檢定與校準(zhǔn)，見圖 2 所示。
采 用 FLUKE PPC4 壓 力 控 制 器 作 為 壓 力 標(biāo) 準(zhǔn)器，其量程為 0~110 kPa，非常大允許誤差為 ±0.01%。機(jī)械泵采用 EDWARDS 的 RV5 系列，極限壓力為 3 Pa。在使用該套設(shè)備對絕壓變送器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)時發(fā)現(xiàn)，由于各連接管路線路較長且無法實現(xiàn)線路的完全密封，實際使用過程中系統(tǒng)極限壓力僅能穩(wěn)定在絕壓 50 Pa 左右。
在對壓力變送器進(jìn)行測量誤差項目的校準(zhǔn)時，依據(jù) JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條的規(guī)定進(jìn)行操作：檢定前，用改變輸入壓力的辦法對輸出下限值和上限值進(jìn)行調(diào)整，使其與理論的下限值和上限值一致。一般可以通過調(diào)整“零點”和“滿量程”來完成。由于設(shè)備的局限性，日常檢定校準(zhǔn)工作中，只能以50 kPa 真空度作為絕壓零位對絕壓變送器進(jìn)行零點調(diào)整。在對一系列不同量程的絕壓變送器調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)：按照同樣方法調(diào)校大量程絕壓變送器（一般指絕壓變送器量程大于大氣壓）非常終測量誤差滿足準(zhǔn)確度要求，線性合乎標(biāo)準(zhǔn)。但是對于小量程絕壓變送器（一般指絕壓變送器量程小于大氣壓），其線性與準(zhǔn)確度往往不符合要求。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，對于大量程絕壓變送器，如對準(zhǔn)確度等級 0.1 級、測量范圍 0~100 kPa 的絕壓變送器進(jìn)行校準(zhǔn)時，當(dāng)系統(tǒng)抽到真空 50 Pa 時，此時該絕壓變送器理論輸出電流為 4.008 mA，如以此為絕壓零位，將絕壓變送器輸出值調(diào)整為 4 mA，再加壓至絕壓 100 kPa，將輸出值調(diào)整為 20 mA。調(diào)校成功后依據(jù)檢定規(guī)程對其輸出值進(jìn)行校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)測量誤差和線性均符合要求。分析可知，對于 0.1 級，測量范圍為 0 ~ 100 kPa、輸出值為 4 ~ 20 mA 的絕壓變送器，其輸出的非常大允許誤差為 0.016 mA。
在使用真空系統(tǒng)對其進(jìn)行零點調(diào)整時，舍去的 0.008 mA在其誤差允許范圍內(nèi)，因此，以絕壓 50 Pa 為絕壓零位調(diào)零，不會對其線性產(chǎn)生影響。但是，對于小量程絕壓變送器，如對準(zhǔn)確度等級 0.1 級、測量范圍為 0 ~ 40 kPa abs 的絕壓變送器進(jìn)行檢定時，當(dāng)壓力穩(wěn)定在絕壓 50 Pa 時，絕壓變送器理論輸出值為4.020 mA，該電流值大于絕壓變送器的非常大允許誤差值 0.016 mA。因此，調(diào)零舍去的電流值會對其測量誤差造成影響，導(dǎo)致絕壓變送器測量誤差超差。另外，JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條規(guī)定，絕壓變送器的零點絕對壓力應(yīng)盡可能小，由此引起的誤差應(yīng)不超過允許誤差的 1/20~1/10。對于 4 ~ 20 mA 輸出的 0.1 級絕壓變送器，其允許誤差為 ±0.016 mA，按照該條規(guī)定，零點絕對壓力引起的誤差應(yīng)不超過±（0.000 8~0.001 6）mA，而對于目前實驗室使用的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其 50 Pa 的極限真空度所引起的誤差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)程規(guī)定的絕壓變送器的零點絕對壓力誤差要求。因此，想要使用該系統(tǒng)對絕壓變送器零點調(diào)整，必須進(jìn)行改進(jìn)。
3 解決辦法
為保證絕壓變送器的零點絕對壓力盡可能小，一種方法是使用真空泵對變送器進(jìn)行直接抽壓，如圖 3 所示
該方法可以避免氣路過長和控制器等產(chǎn)生的泄露對機(jī)械泵真空度的影響，使用機(jī)械泵對絕壓變送器直接抽壓。輸出電流恒定不變時，可認(rèn)為此時壓力穩(wěn)定在了真空泵的極限壓力處，可以進(jìn)行零點調(diào)整。該方法避免了系統(tǒng)不必要的泄漏對真空度的影響，但由于系統(tǒng)連接管路細(xì)且短，其真空度難以穩(wěn)定，且無法顯示系統(tǒng)實時真空值，因此，實際校準(zhǔn)過程中無法使用該方法。
為了保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定在較小的真空度并可以實時顯示，在結(jié)合真空校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出使用“分子泵 - 機(jī)械泵”雙級泵真空系統(tǒng)來實驗絕壓變送器的零點調(diào)整與低值讀取。具體設(shè)計原理如圖 4 所示。
被檢絕壓變送器安裝完畢后，進(jìn)行抽真空操作，開啟機(jī)械泵及相應(yīng)閥門，低真空計顯示 20 Pa 以下后，打開電磁閥，啟動分子泵；低真空計顯示 0.1 Pa 以下時開啟高真空計查看真空度； 該設(shè)備結(jié)合真空計量的方法，可以實現(xiàn)機(jī)械泵與分子泵的轉(zhuǎn)換，并實時顯示系統(tǒng)真空度，采用薄膜真空計作為標(biāo)準(zhǔn)器，可以通過校準(zhǔn)溯源至真空標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而完成低真空度下絕壓變送器的零點調(diào)整。
4 結(jié)語
絕壓變送器在實際使用過程中，由于環(huán)境因素、人為因素等影響，往往會產(chǎn)生零點漂移。因此，當(dāng)絕壓變送器送至實驗室進(jìn)行校準(zhǔn)時，常常需要零點調(diào)整。本文在目前使用的壓力變送器校準(zhǔn)裝置基礎(chǔ)上，分析了不同量程下絕壓變送器因零點調(diào)整產(chǎn)生的線性誤差影響。非常后針對小量程絕壓變送器，提出了一種使用“分子泵 - 機(jī)械泵”雙級泵真空系統(tǒng)來進(jìn)行零點調(diào)整的方法，取得了較好的實驗效果。
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