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絕壓變送器的結構原理以及零點調整與分析

作時間:2019-03-29  來源:  作者:
   

 摘 要 首先分析了絕壓變送器的结构原理、使用环境、人为调试等方面影响产生零位漂移的现象;然后研究了不同量程的絕壓變送器在进行零点调整时产生的线性误差;非常后,针对小量程絕壓變送器校准过程中由于设备真空度不足造成的线性差问题,提出了采用“分子泵 - 机械泵”双级泵真空系统来进行零点调整的方法。

 
 引言
        壓力變送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备。它能感受压力并将压力信号转变为可传送的标准输出信号,如 4 ~ 20 mA 电流信号或 1~5 V 电压信号。壓力變送器因其具有工作可靠、准确度等级高、性能稳定、抗干扰能力强和测量信号传输距离远等优点,在工业现场得到了广泛的使用。壓力變送器根据压力类型可以分为表压变送器、差壓變送器和絕壓變送器。
 
        表压力是指高于大气压的绝对压力与大气压之差,或者相对将大气压作为零压力就称为表压力。一般压力仪表,若无特殊装置,其零点压力实际就是当时的大气压,表压力常用 pg 表示。差压是指两个压力之间的差值,或者是以大气压力以外的任意压力作为零点所表示的压力,用 pd表示。
 
        绝对压力(简称绝压)是相对于绝对真空所测得的压力,即从完全的零压力开始所测得的压力。它是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力,也叫不带条件起算的全压力。一般用 pa 或者 abs 表示绝对压力。
 
        从结构上来说,表压和差壓變送器的低压室膜片直接与大气接触,处于大气压环境时即为其压力零点。输出信号为 4~20 mA 的表压或差壓變送器在大气压环境中的理论输出电流值(简称理论输出值)为 4 mA。该类变送器在校准过程中若出现零点漂移现象,可利用调整工具在大气压环境下直接对其进行零点调整。对于输出信号为 4~20 mA 的絕壓變送器,其在真空状态下的理论输出值才为 4 mA,而现实条件下完全真空是不可能实现的。因此,在实际校准过程中对絕壓變送器进行零点调整时,应该考虑系统真空度对其零点产生的影响。
 
1 絕壓變送器的零位漂移
        在分析历年来客户送检变送器的校准数据时发现,相对于表压与差壓變送器,絕壓變送器更容易产生零点漂移,有的甚至在周期检定时输出值已严重超差。例如,分析某核电公司每年周期送检的大量 ROSEMOUNT 的 3051 系列变送器数据时发现,对于该系列的表压和差壓變送器,其周期稳定性较好,零位漂移较小,测量误差与回程误差均在允许范围内;而反观该系列的絕壓變送器,往往零位漂移严重,偏差较大。分析其原因,主要有以下几点:
 
        1)测量原理与结构方面,3051 系列的壓力變送器工作时,介质压力通过变送器高、低侧的隔离膜片和灌充油传递到 δ 室中心的测量膜片,该测量膜片是一张紧的弹性元件,用于检测作用在测量膜片上的差压。测量膜片的位移与差压成正比。测量膜片的位置由它两侧的电容固定极板通过直接数字电容电路检测出来,如图 1 所示。
 
        对于表压和差壓變送器,大气压如同时施压在传感膜片的低压侧,在高压侧无压力作用下,膜片两端为对称结构,容易实现压力平衡。但是,对于絕壓變送器,其低压侧始终保持一个参考压力(即高真空基准室),这样传感器膜片两端为非对称结构,也就是无论参考腔体漏气还是材料变形等因素均会导致零位变动,即发生零位漂移。
变送器敏感元件图
2)使用現場環境影響
        絕壓變送器的稳定性受温度影响较大。例如,核工厂内的冷却水管道上使用的变送器,往往接触介质的温度可达 100 ℃。当这些絕壓變送器在高温、真空状态下工作时,腔体内的隔离膜片因真空而外鼓,于是密封系统内的压力降低,填充液黏度随着下降,从而导致硅油的挥发性增强,沸点降低,热膨胀性增强,出现硅油部分气化、体积膨胀,使隔离膜片变形,进而产生零位漂移。而当这些仪表送进计量实验室进行周期检定时,应在 JJG 882-2004《壓力變送器》检定规程中规定的环境条件进行计量检定,并应按照检定规程的要求对变送器的零点进行调整。
 
3)使用人員的錯誤調整
        本院每年都会接收到数百台送检的絕壓變送器,其中,有些企业的一批量絕壓變送器均出现示值超差现象,究其原因发现,该企业仪表检修人员在检修絕壓變送器时常常会发生调整错误。例如,某单位送检的一批 3051 系列 10 MPa 量程、4~20 mA 输出的絕壓變送器,其在“真空状态”(即计量设备所能达到的非常大真空度)下的实际输出电流值(简称“实际输出值”)均比理论输出值小。分析原因发现,10 MPa 量程的絕壓變送器在大气压环境下(标准大气压为 101.321 kPa)的理论输出值为 4.162 mA,接近于 4 mA,这时,很多检修人员会误把这批变送器当作表压变送器处理,在大气压环境下直接对其进行清零操作而导致这些变送器在“真空状态”的实际输出值会低于理论输出值。相对“零点”调整的误操作,有些企业常常会对絕壓變送器的满量程进行错误调整。例如,量程为 0~100 kPa、4~20 mA 输出的絕壓變送器,其在 100 kPa 绝压下的理论输出值应为 20 mA,若在当地大气压为 102 kPa 时,其理论输出电流应为 20.32 mA。当检修人员发现这些变送器的输出电流高于 20 mA 时,会误在大气压状态下对该表进行满量程电流调整,致使该变送器量程扩大,也对其零位电流产生了影响。
 
2 絕壓變送器校准过程中的零点调整
        目前,对絕壓變送器采用壓力控制器配合机械泵的方法进行检定与校准,见图 2 所示。
壓力變送器校准系统
        采 用 FLUKE PPC4 压 力 控 制 器 作 为 压 力 标 准器,其量程为 0~110 kPa,非常大允许误差为 ±0.01%。机械泵采用 EDWARDS 的 RV5 系列,极限压力为 3 Pa。在使用该套设备对絕壓變送器进行检定和校准时发现,由于各连接管路线路较长且无法实现线路的完全密封,实际使用过程中系统极限压力仅能稳定在绝压 50 Pa 左右。
 
        在对壓力變送器进行测量误差项目的校准时,依据 JJG 882-2004 中 6.2.3.3 条的规定进行操作:检定前,用改变输入压力的办法对输出下限值和上限值进行调整,使其与理论的下限值和上限值一致。一般可以通过调整“零点”和“满量程”来完成。由于设备的局限性,日常检定校准工作中,只能以50 kPa 真空度作为绝压零位对絕壓變送器进行零点调整。在对一系列不同量程的絕壓變送器调整过程中发现:按照同样方法调校大量程絕壓變送器(一般指絕壓變送器量程大于大气压)非常终测量误差满足准确度要求,线性合乎标准。但是对于小量程絕壓變送器(一般指絕壓變送器量程小于大气压),其线性与准确度往往不符合要求。分析原因可以发现,对于大量程絕壓變送器,如对准确度等级 0.1 级、测量范围 0~100 kPa 的絕壓變送器进行校准时,当系统抽到真空 50 Pa 时,此时该絕壓變送器理论输出电流为 4.008 mA,如以此为绝压零位,将絕壓變送器输出值调整为 4 mA,再加压至绝压 100 kPa,将输出值调整为 20 mA。调校成功后依据检定规程对其输出值进行校准,发现测量误差和线性均符合要求。分析可知,对于 0.1 级,测量范围为 0 ~ 100 kPa、输出值为 4 ~ 20 mA 的絕壓變送器,其输出的非常大允许误差为 0.016 mA。
 
        在使用真空系统对其进行零点调整时,舍去的 0.008 mA在其误差允许范围内,因此,以绝压 50 Pa 为绝压零位调零,不会对其线性产生影响。但是,对于小量程絕壓變送器,如对准确度等级 0.1 级、测量范围为 0 ~ 40 kPa abs 的絕壓變送器进行检定时,当压力稳定在绝压 50 Pa 时,絕壓變送器理论输出值为4.020 mA,该电流值大于絕壓變送器的非常大允许误差值 0.016 mA。因此,调零舍去的电流值会对其测量误差造成影响,导致絕壓變送器测量误差超差。另外,JJG 882-2004 中 6.2.3.3 条规定,絕壓變送器的零点绝对压力应尽可能小,由此引起的误差应不超过允许误差的 1/20~1/10。对于 4 ~ 20 mA 输出的 0.1 级絕壓變送器,其允许误差为 ±0.016 mA,按照该条规定,零点绝对压力引起的误差应不超过±(0.000 8~0.001 6)mA,而对于目前实验室使用的校准系统,其 50 Pa 的极限真空度所引起的误差已经远远超过了规程规定的絕壓變送器的零点绝对压力误差要求。因此,想要使用该系统对絕壓變送器零点调整,必须进行改进。
 
3 解決辦法
        为保证絕壓變送器的零点绝对压力尽可能小,一种方法是使用真空泵对变送器进行直接抽压,如图 3 所示
机械泵抽真空法
        该方法可以避免气路过长和控制器等产生的泄露对机械泵真空度的影响,使用机械泵对絕壓變送器直接抽压。输出电流恒定不变时,可认为此时压力稳定在了真空泵的极限压力处,可以进行零点调整。该方法避免了系统不必要的泄漏对真空度的影响,但由于系统连接管路细且短,其真空度难以稳定,且无法显示系统实时真空值,因此,实际校准过程中无法使用该方法。
 
        为了保证系统可以稳定在较小的真空度并可以实时显示,在结合真空校准的基础上,提出使用“分子泵 - 机械泵”双级泵真空系统来实验絕壓變送器的零点调整与低值读取。具体设计原理如图 4 所示。
分子泵、机械泵机组
        被检絕壓變送器安装完毕后,进行抽真空操作,开启机械泵及相应阀门,低真空计显示 20 Pa 以下后,打开电磁阀,启动分子泵;低真空计显示 0.1 Pa 以下时开启高真空计查看真空度; 该设备结合真空计量的方法,可以实现机械泵与分子泵的转换,并实时显示系统真空度,采用薄膜真空计作为标准器,可以通过校准溯源至真空标准,进而完成低真空度下絕壓變送器的零点调整。
 
4 結語
        絕壓變送器在实际使用过程中,由于环境因素、人为因素等影响,往往会产生零点漂移。因此,当絕壓變送器送至实验室进行校准时,常常需要零点调整。本文在目前使用的壓力變送器校准装置基础上,分析了不同量程下絕壓變送器因零点调整产生的线性误差影响。非常后针对小量程絕壓變送器,提出了一种使用“分子泵 - 机械泵”双级泵真空系统来进行零点调整的方法,取得了较好的实验效果。
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