壓力差壓變送器的性能誤差

摘要:壓力差壓變送器制造廠提供的參考精度指標(biāo)與用戶在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)的整休性能誤差存在差距,通過研究分析找出了量程比溫度、靜壓是造成這一差距的主要原因。針對上述原因列出了各變送器制造廠家提供的計(jì)算數(shù)據(jù)或公式，給出了壓力差壓變送器整體性能誤差的計(jì)算公式。靜壓條件可能無法改變,但量程比可以通過正確設(shè)計(jì)選型來降低其影響。建議用戶確定變送器量程時(shí),盡量選擇小的量程比和環(huán)境溫度變化較小的場所安裝變送器。
0引言
　　壓力差壓變送器是日前應(yīng)用量較大的現(xiàn)場參數(shù)變送器,被廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。20.世紀(jì)六七十年代，壓力差壓變送器精度指標(biāo)為1.0%或0.5%。日前,絕大部分壓力差壓變送器的精度指標(biāo)為0.1%或0.075%，最高精度指標(biāo)為0.05%或0.025%1。精度是任何過程測量設(shè)備的關(guān)鍵性能指標(biāo),也是設(shè)備選型和維護(hù)需要考慮的一個(gè)重要因素。
　　但是上面提到的精度只是由壓力差壓變送器制造廠提供的指標(biāo)，在用戶生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí),如果用整體性能誤差來表述的話,只有極小部分現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)的整體性能誤差可能達(dá)到制造廠提供的指標(biāo)，大多數(shù)情況下兩者相去其遠(yuǎn)。本文將首先介紹有關(guān)壓力差壓變送器精度的概念,然后介紹實(shí)際影響壓力差壓變.送器精度的主要因素,最后介紹整體性能誤差的計(jì)算。
1變送器的參考精度
　　在每一-個(gè)壓力差壓變送器產(chǎn)品的說明資料中,制造廠家往往首先介紹精度指標(biāo)，正如很多樣本中附注介紹的那樣,它包括線性度、滯后和重復(fù)性。但也有制造廠家明確將這--指標(biāo)稱之為參考精度(referenceaccuracy,RA)。這個(gè)指標(biāo)只是一個(gè)供參考的精度，所以我們將制造廠家提供的“精度”指標(biāo)統(tǒng)稱為參考精度。
　　通常,制造廠家提供的參考精度指標(biāo)是在試驗(yàn)室條件下測試的精度,這是由變送器制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)和通過測試后提供的指標(biāo)。典型的試驗(yàn)室條件是:溫度為(20+5)℃,靜壓為0,相對濕度為45%~75%。大多數(shù)制造廠家對這--指標(biāo)的描述是保證±3σ的一致性。測試誤差正態(tài)分布如圖1所示。實(shí)際測試時(shí),大量的隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布規(guī)律。如果概率密度取±1σ,置信概率為68.2%;概率密度取±2σ,置信概率為95.4%;概率密度取±3σ,置信概率為99.7%。3σ為極限誤差,其概率含義是在1000次測試中只有3次測量誤差會(huì)超過3σ。由于一般測試中的測量次數(shù)只有幾十次,可以認(rèn)為出現(xiàn)測量誤差超過3σ的概率是很小的。

　　參考精度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，常?？梢宰鳛椴煌瑥S家壓力差壓變送器性能比較的基礎(chǔ)。但對于用戶在生產(chǎn)過程具體應(yīng)用時(shí)的性能來說,因?yàn)閰⒖季葍H適用于限定的量程比和規(guī)定的試驗(yàn)室條件,當(dāng)條件變化時(shí),它不能全面衡量壓力差壓變送器在工業(yè)應(yīng)用的整體性能[]。壓力差壓變送器的參考精度只是其中的一個(gè)因素,還有其他一-些影響精度的因素需要考慮。
2影響變送器精度的因素;
　　下面5個(gè)因素對壓力差壓變送器的總體性能產(chǎn)生明顯影響:量程比影響、溫度對零點(diǎn)的影響、溫度對量程的影響、靜壓對零點(diǎn)的影響、靜壓對量程的影響[4]。這5個(gè)影響因素可分別用TDE、TEz、TEr、SPEz、SPEr來表示。部分制造廠商在樣本中還列出了電源影響、震動(dòng)影響安裝位置影響等,但這些因素影響小，通常不予考慮。
　　某些制造廠商在樣本中列出了給定應(yīng)用條件下壓力差壓變送器總體性能的影響數(shù)據(jù),如3051壓力差壓變送器,參考精度為0.075%,其樣本產(chǎn)品給出了在下述條件下基于參考精度、環(huán)境溫度和壓力影響的綜合誤差為當(dāng)溫度=±28℃.6.9MPa靜壓的量程比為1:1到5:1時(shí),對壓力差壓變送器整體性能誤差的影響是0.15%量程。最高等級參考精度的3051S壓力差壓變送器給出了在下述條件下的基于參考精度、環(huán)境溫度和壓力影響的綜合誤差。當(dāng)溫度=±28℃、6.9MPa靜壓的量程比為1:1到5:1時(shí),對變送器整體性能誤差的影響是0.1%量程。這些總體性能的影響數(shù)據(jù)并不十分可靠，其資料中提供的某些型號、某些量程代號的溫度、壓力影響所造成的單項(xiàng)誤差就會(huì)超過相應(yīng)的綜合誤差值,如3051CD差壓變送器的量程,6.9MPa靜壓對該量程的影響就達(dá)到讀數(shù)的±0.4%。
　　壓力差壓變送器通常分為壓力、差壓這2大類,差壓變送器需考慮上述5個(gè)因素的影響,而壓力變送器只需考慮量程比影響及溫度影響。下面的分析是針對差壓變送器考慮的,而壓力變送器除了不考慮靜壓影響外,其余與差壓變送器相同。
2.1量程比影響
　　所有差壓變送器的樣本都會(huì)指定量程范圍和量程比,規(guī)定了量程上限值(upperrangelimit,URL)和量程下限值(lowerrangelimit,LRL),如圖2所示。如果變送器不帶量程遷移,則量程下限值LRL通常為0;如果變送器帶100%量程遷移,則量程下限值LRL等于-URL。例如差壓變送器H量程代碼的量程.上限值URL是160kPa,因帶100%量程遷移,則量程下限值LRL是-160kPa。在LRL和URL范圍內(nèi)(本例差壓范圍為-160~+160kPa),用戶可以設(shè)定量程低范圍值(lowerrangevalue,LRV)和量程高范圍值(upperrangevalue,URV)。樣本中同時(shí)會(huì)規(guī)定用戶可設(shè)定的最大量程變化范圍和最小量程變化范圍。

　　差壓變送器的制造商同時(shí)也會(huì)說明,他們所聲稱的參考精度不一定適用于用戶選擇的每一個(gè)量程。通常制造商采用以下公式計(jì)算:
TDE=±[ƒ1+ƒ2(URL/Span)](1)
式中:ff2為制造廠家給出的系數(shù)。
通常URL/Span以量程比符號r代替,公式可簡化為:.
TDE=±(ƒ1+ƒ2)(2)
　　比如,對于264DSH量程代碼的差壓變送器,在1:1到15:1的量程比范圍內(nèi)，變送器的精度仍為參考精度(0.075%)。如用戶選擇的量程超過15:1的量程比,則給出了以下計(jì)算公式:
TDE=±0.005%r(3)
　　大多數(shù)差壓變送器在10:1的量程比范圍內(nèi),精度仍為參考精度,不受量程比的影響。但仍有相當(dāng)數(shù)量的差壓變送器保證參考精度的量程比小于10:1,這一指標(biāo)甚至還有3:1和2:1;且同一型號產(chǎn)品的不同量程代號,保證參考精度的量程比也可能出現(xiàn)很大的差別，這都是用戶在計(jì)算受量程比影響后的精度時(shí)需特別注意的。
　　一般來說，TDE≥RA。當(dāng)變送器量程選擇不當(dāng)時(shí),如選用變送器的設(shè)定量程位于大量程比的位置,有可能使差壓變送器整體性能誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過參考精度規(guī)定的誤差[5]。以量程代號C的差壓變送器為例,其量程范圍是0.4~40kPa。按產(chǎn)品樣本介紹，如果選擇的量程在(0~4)kPa~(0~40)kPa之間時(shí),精度指標(biāo)可以達(dá)到該產(chǎn)品樣本所列參考精度指標(biāo)(0.075%);如果選擇的量程在(0~0.4)kPa~(0~4)kPa之間時(shí),精度指標(biāo)就不是該產(chǎn)品樣本所列的參考精度指標(biāo),而需要按公式計(jì)算附加誤差(即在原有0.075%基礎(chǔ)上增加這個(gè)附加誤差值)。
TDE=±(0.005%r-0.05%)(4)
　　如果選其最小量程(0~0.4)kPa,按上式計(jì)算,附加誤差指標(biāo)為0.45%,對應(yīng)0.075%產(chǎn)品的TDE為0.525%,是原有誤差的7倍。
　　當(dāng)傳統(tǒng)壓力差壓變送器的量程比大于10:1時(shí),精度通常開始降低。針對這--問題,出了一一個(gè)新的S系列壓力差壓變送器。這種變送器采用了專利技術(shù)FoxCal,在變送器的固件中存儲(chǔ)11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),即量程上限(URL)的2.5%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、85%和100%,自動(dòng)選擇基于輸人的正確曲線。
　　采用11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)定方法,即使變送器在高量程比80:1時(shí),仍能保持其參考精度。?？怂共_公司S系列變送器與傳統(tǒng)變送器的量程比性能比較如圖3所示。雖然該系列變送器通常只應(yīng)用在40:1的量程比,但這已經(jīng)是競爭對手量程比的3~4倍。這樣在計(jì)算量程比影響時(shí)，就不用再從樣本尋找計(jì)算公式，并作復(fù)雜的計(jì)算了?，F(xiàn)有產(chǎn)品有50kPa、250kPa的差壓變送器和1.4MPa、4.2MPa的壓力變送器。以40:1量程比計(jì)算，可覆蓋(1.25~250)kPa的差壓變送器量程和35kPa~4.2MPa的壓力變送器量程。

2.2溫度影響
　　在過程應(yīng)用中,過程溫度、環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生很大的變化，肯定會(huì)與變送器測試時(shí)的參考條件不同,這也意味著性能將與所介紹的參考精度不同。溫度變化會(huì)影響變送器的零點(diǎn)精度和量程精度,通常采用與式(2)形式相似的公式計(jì)算:
TE=±(f+f2r)(5)
　　式中:TE為溫度影響,可用來計(jì)算TEz或TEr;fSf2為制造廠家給出的系數(shù)。
　　有的變送器制造商分別給出了溫度對零點(diǎn)精度和量程精度的影響數(shù)據(jù),如差壓變送器,樣本中給出了在-40~+80℃之間對零點(diǎn)精度和量程精度的影響數(shù)據(jù)分別為0.1%,即TEz=0.1%、TEr=0.1%。
當(dāng)溫度為28C時(shí),橫河公司EJA-110E差壓變送器對零點(diǎn)精度和量程精度的綜合影響為:
TE=±(0.07%Span+0.02%URL)(6)
式(6)似乎與式(1)形式不-樣,但實(shí)際上這是誤差絕對值的計(jì)算公式,當(dāng)我們用實(shí)際量程Span除以式(6)時(shí),可得到:
TE=±[0.07%+0.02%(URL/Span)](7)
TE=±(0.07%+0.02%r)(8)
以西門子公司SITRANSPDSI差壓變送器為例，-10~+60℃之間溫度變化對零點(diǎn)精度和量程精度的綜合影響為:
TE=±(0.1%+0.08%r)(9)
　　差壓變送器的參考精度為0.075%，量程比為6:1。在最大量程時(shí),溫度對零點(diǎn)、量程的綜合影響為+0.25%/55℃。在最小量程時(shí),溫度對零點(diǎn)、量程的綜合影響為±2%/55℃。
　　溫度對差壓變送器的影響在接近最大量程(即小量程比)時(shí)很小，但在接近最小量程(即大量程比)時(shí)影響就很大,有時(shí)甚至超出了我們的想象。比如西門子公司SITRANSPDSII差壓變送器在溫度對零點(diǎn)精度和量程精度的綜合影響公式中,如果輸人最大量程比為100,則得到TE為8.01%。而實(shí)際上早期的樣本資料中,r前面的系數(shù)ƒ2還是0.1,計(jì)算結(jié)果還將超過10%。即使是代表差壓變送器較高水平的EJA-110E差壓變送器,其M量程代號輸人最大量程比為100,則得到TE為2.07%,與其參考精度0.055%相比，增大了37倍。再如F量程代號給出的28℃溫度對零點(diǎn)精度和量程精度綜合影響的數(shù)據(jù):±(0.08%Span+0.18%URL)。
轉(zhuǎn)換后可得:
TE=±(0.08%+0.18%r)(10)
F量程代號總量程比為10:1,保證參考精度的量程比為2.5:1。將r等于10、2.5分別代人上式，則所得TE分別為1.88%、0.53%,這相當(dāng)于參考精度的34.2倍和9.6倍。
2.3靜壓影響
類似于溫度和量程的影響，靜壓對變送器的零點(diǎn)和量程的精度也有實(shí)質(zhì)性影響。這些影響通常采用與式(2)形式相似的公式計(jì)算:
SPE=±(f+fr)(11)
式中:SPE為靜壓影響,可用來計(jì)算SPEz或SPEr;ffr，為制造廠家給出的系數(shù)。
擴(kuò)散硅差變送器靜壓對零點(diǎn)和量程的綜合影響為:0.2%/10MPa。
西門子最高精度的SITRANSP500差壓變送器(量程25kPa)靜壓對零點(diǎn)和量程的影響分別為:
SPEz=0.035%r/7MPa(12)
SPEr=0.03%量程/7MPa(13)
差壓變送器M、H、V量程靜壓對零點(diǎn)和量程的影響分別為:
SPEz=0.028%URL/10MPa(14)
SPEr=0.1%量程/10MPa(15)
　　以上公式中不包含量程比r的影響，但橫河公司附加說明SPEz得出的是最大量程的百分比。如果將所得的數(shù)值與最大量程比時(shí)的量程相比，靜壓對零點(diǎn)的影響就非常大了。
3整體性能誤差
　　一旦差壓變送器的量程已設(shè)置,則參考精度、量程設(shè)置影響、溫度影響和靜壓影響等相關(guān)的誤差都已確定,那么用戶已具備確定整體性能誤差(totalprobableerror,TPE)必要的元素。整體性能誤差也可稱為總概率誤差，它可以用來衡量用戶使用的差壓變送器在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際工況下可能產(chǎn)生的誤差大小[4]，TPE誤差計(jì)算應(yīng)按誤差平方總和的方根計(jì)算:

　　因?yàn)槊颗_(tái)差壓變送器量程的設(shè)置、應(yīng)用現(xiàn)場溫度和靜壓的條件都會(huì)有所不同，所以即使用戶使用的是同一制造商、同一型號甚至是同一量程代號的產(chǎn)品,其整體性能誤差也有差別,甚至?xí)泻艽蟮牟顒e。
壓力變送器的整體性能誤差分析與計(jì)算同差壓變送器,只是無須考慮靜壓影響。
4結(jié)束語
　　壓力差壓變送器適用于壓力、差壓、流量、物位、密度的檢測，壓力差壓測量量程比、溫度、靜壓的參數(shù)不,將會(huì)影響變送器的性能。一方面,了解了這些參數(shù)對壓力差壓變送器性能影響的程度;另一方面,通過正確設(shè)計(jì),降低了這些參數(shù)對壓力差壓變送器性能影響的程度,如確定變送器量程時(shí)盡量選擇小的量程比和選擇環(huán)境溫度變化小的場所安裝變送器。
按所列出的公式,計(jì)算出所選擇的壓力差壓變送器的整體性能誤差,再與期望值進(jìn)行比較,確認(rèn)當(dāng)前的選型是否合適,以保證在特定應(yīng)用中的壓力差壓變送器能達(dá)到期望值。