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    絕壓變送器的零點(diǎn)漂移分析及調整
    信息來(lái)源: 絕壓變送器 | 2024-07-03 點(diǎn)擊量: 5786

       摘 要 首先分析了絕壓變送器的結構原理、使用環(huán)境、人為調試等方面影響產(chǎn)生零位漂移的現象;然后研究了不同量程的絕壓變送器在進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)產(chǎn)生的線(xiàn)性誤差;非常后,針對小量程絕壓變送器校準過(guò)程中由于設備真空度不足造成的線(xiàn)性差問(wèn)題,提出了采用分子泵 - 機械泵雙級泵真空系統來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)調整的方法。

     
      引言
     
      壓力變送器是一種將壓力轉換成氣動(dòng)信號或電動(dòng)信號進(jìn)行控制和遠傳的設備。它能感受壓力并將壓力信號轉變?yōu)榭蓚魉偷臉藴瘦敵鲂盘?,?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、準確度等級高、性能穩定、抗干擾能力強和測量信號傳輸距離遠等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)現場(chǎng)得到了廣泛的使用。壓力變送器根據壓力類(lèi)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(chēng)為表壓力。一般壓力儀表,若無(wú)特殊裝置,其零點(diǎn)壓力實(shí)際就是當時(shí)的大氣壓,表壓力常用 pg 表示。差壓是指兩個(gè)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(diǎn)所表示的壓力,用 pd表示。
     
      絕對壓力(簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)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。
     
      從結構上來(lái)說(shuō),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(shí)即為其壓力零點(diǎn)。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(jiǎn)稱(chēng)理論輸出值)為 4 mA。該類(lèi)變送器在校準過(guò)程中若出現零點(diǎn)漂移現象,可利用調整工具在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行零點(diǎn)調整。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,而現實(shí)條件下完全真空是不可能實(shí)現的。因此,在實(shí)際校準過(guò)程中對絕壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí),應該考慮系統真空度對其零點(diǎn)產(chǎn)生的影響。
     
      1 絕壓變送器的零位漂移
     
      在分析歷年來(lái)客戶(hù)送檢變送器的校準數據時(shí)發(fā)現,相對于表壓與差壓變送器,絕壓變送器更容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移,有的甚至在周期檢定時(shí)輸出值已嚴重超差。例如,分析某核電公司每年周期送檢的大量 ROSEMOUNT 的 3051 系列變送器數據時(shí)發(fā)現,對于該系列的表壓和差壓變送器,其周期穩定性較好,零位漂移較小,測量誤差與回程誤差均在允許范圍內;而反觀(guān)該系列的絕壓變送器,往往零位漂移嚴重,偏差較大。分析其原因,主要有以下幾點(diǎn):
     
      1)測量原理與結構方面,3051 系列的壓力變送器工作時(shí),介質(zhì)壓力通過(guò)變送器高、低側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的電容固定極板通過(guò)直接數字電容電路檢測出來(lái),如圖 1 所示。
     
      對于表壓和差壓變送器,大氣壓如同時(shí)施壓在傳感膜片的低壓側,在高壓側無(wú)壓力作用下,膜片兩端為對稱(chēng)結構,容易實(shí)現壓力平衡。但是,對于絕壓變送器,其低壓側始終保持一個(gè)參考壓力(即高真空基準室),這樣傳感器膜片兩端為非對稱(chēng)結構,也就是無(wú)論參考腔體漏氣還是材料變形等因素均會(huì )導致零位變動(dòng),即發(fā)生零位漂移。
     
      2)使用現場(chǎng)環(huán)境影響
     
      絕壓變送器的穩定性受溫度影響較大。例如,核工廠(chǎng)內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 100 ℃。當這些絕壓變送器在高溫、真空狀態(tài)下工作時(shí),腔體內的隔離膜片因真空而外鼓,于是密封系統內的壓力降低,填充液黏度隨著(zhù)下降,從而導致硅油的揮發(fā)性增強,沸點(diǎn)降低,熱膨脹性增強,出現硅油部分氣化、體積膨脹,使隔離膜片變形,進(jìn)而產(chǎn)生零位漂移。而當這些儀表送進(jìn)計量實(shí)驗室進(jìn)行周期檢定時(shí),應在 JJG 882-2004《壓力變送器》檢定規程中規定的環(huán)境條件進(jìn)行計量檢定,并應按照檢定規程的要求對變送器的零點(diǎn)進(jìn)行調整。
     
      3)使用人員的錯誤調整
     
      本院每年都會(huì )接收到數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示值超差現象,究其原因發(fā)現,該企業(yè)儀表檢修人員在檢修絕壓變送器時(shí)常常會(huì )發(fā)生調整錯誤。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)(即計量設備所能達到的非常大真空度)下的實(shí)際輸出電流值(簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)際輸出值)均比理論輸出值小。分析原因發(fā)現,10 MPa 量程的絕壓變送器在大氣壓環(huán)境下(標準大氣壓為 101.321 kPa)的理論輸出值為 4.162 mA,接近于 4 mA,這時(shí),很多檢修人員會(huì )誤把這批變送器當作表壓變送器處理,在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行清零操作而導致這些變送器在真空狀態(tài)的實(shí)際輸出值會(huì )低于理論輸出值。相對零點(diǎn)調整的誤操作,有些企業(yè)常常會(huì )對絕壓變送器的滿(mǎn)量程進(jìn)行錯誤調整。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為 20 mA,若在當地大氣壓為 102 kPa 時(shí),其理論輸出電流應為 20.32 mA。當檢修人員發(fā)現這些變送器的輸出電流高于 20 mA 時(shí),會(huì )誤在大氣壓狀態(tài)下對該表進(jìn)行滿(mǎn)量程電流調整,致使該變送器量程擴大,也對其零位電流產(chǎn)生了影響。
     
      2 絕壓變送器校準過(guò)程中的零點(diǎn)調整
     
      目前,對絕壓變送器采用壓力控制器配合機械泵的方法進(jìn)行檢定與校準,見(jiàn)圖 2 所示。
     
      采 用 FLUKE PPC4 壓 力 控 制 器 作 為 壓 力 標 準器,其量程為 0~110 kPa,非常大允許誤差為 ±0.01%。機械泵采用 EDWARDS 的 RV5 系列,極限壓力為 3 Pa。在使用該套設備對絕壓變送器進(jìn)行檢定和校準時(shí)發(fā)現,由于各連接管路線(xiàn)路較長(cháng)且無(wú)法實(shí)現線(xiàn)路的完全密封,實(shí)際使用過(guò)程中系統極限壓力僅能穩定在絕壓 50 Pa 左右。
     
      在對壓力變送器進(jìn)行測量誤差項目的校準時(shí),依據 JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條的規定進(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)行調整,使其與理論的下限值和上限值一致。一般可以通過(guò)調整零點(diǎn)和滿(mǎn)量程來(lái)完成。由于設備的局限性,日常檢定校準工作中,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(diǎn)調整。在對一系列不同量程的絕壓變送器調整過(guò)程中發(fā)現:按照同樣方法調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(mǎn)足準確度要求,線(xiàn)性合乎標準。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(xiàn)性與準確度往往不符合要求。分析原因可以發(fā)現,對于大量程絕壓變送器,如對準確度等級 0.1 級、測量范圍 0~100 kPa 的絕壓變送器進(jìn)行校準時(shí),當系統抽到真空 50 Pa 時(shí),此時(shí)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整為 4 mA,再加壓至絕壓 100 kPa,將輸出值調整為 20 mA。調校成功后依據檢定規程對其輸出值進(jìn)行校準,發(fā)現測量誤差和線(xiàn)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。
     
      在使用真空系統對其進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí),舍去的 0.008 mA在其誤差允許范圍內,因此,以絕壓 50 Pa 為絕壓零位調零,不會(huì )對其線(xiàn)性產(chǎn)生影響。但是,對于小量程絕壓變送器,如對準確度等級 0.1 級、測量范圍為 0 ~ 40 kPa abs 的絕壓變送器進(jìn)行檢定時(shí),當壓力穩定在絕壓 50 Pa 時(shí),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,調零舍去的電流值會(huì )對其測量誤差造成影響,導致絕壓變送器測量誤差超差。另外,JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條規定,絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力應盡可能小,由此引起的誤差應不超過(guò)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,按照該條規定,零點(diǎn)絕對壓力引起的誤差應不超過(guò)±(0.000 8~0.001 6)mA,而對于目前實(shí)驗室使用的校準系統,其 50 Pa 的極限真空度所引起的誤差已經(jīng)遠遠超過(guò)了規程規定的絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力誤差要求。因此,想要使用該系統對絕壓變送器零點(diǎn)調整,必須進(jìn)行改進(jìn)。
     
      3 解決辦法
     
      為保證絕壓變送器的零點(diǎn)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(guò)長(cháng)和控制器等產(chǎn)生的泄露對機械泵真空度的影響,使用機械泵對絕壓變送器直接抽壓。輸出電流恒定不變時(shí),可認為此時(shí)壓力穩定在了真空泵的極限壓力處,可以進(jìn)行零點(diǎn)調整。該方法避免了系統不必要的泄漏對真空度的影響,但由于系統連接管路細且短,其真空度難以穩定,且無(wú)法顯示系統實(shí)時(shí)真空值,因此,實(shí)際校準過(guò)程中無(wú)法使用該方法。
     
      為了保證系統可以穩定在較小的真空度并可以實(shí)時(shí)顯示,在結合真空校準的基礎上,提出使用分子泵 - 機械泵雙級泵真空系統來(lái)實(shí)驗絕壓變送器的零點(diǎn)調整與低值讀取。具體設計原理如圖 4 所示。
     
      被檢絕壓變送器安裝完畢后,進(jìn)行抽真空操作,開(kāi)啟機械泵及相應閥門(mén),低真空計顯示 20 Pa 以下后,打開(kāi)電磁閥,啟動(dòng)分子泵;低真空計顯示 0.1 Pa 以下時(shí)開(kāi)啟高真空計查看真空度; 該設備結合真空計量的方法,可以實(shí)現機械泵與分子泵的轉換,并實(shí)時(shí)顯示系統真空度,采用薄膜真空計作為標準器,可以通過(guò)校準溯源至真空標準,進(jìn)而完成低真空度下絕壓變送器的零點(diǎn)調整。
     
      4 結語(yǔ)
     
      絕壓變送器在實(shí)際使用過(guò)程中,由于環(huán)境因素、人為因素等影響,往往會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。因此,當絕壓變送器送至實(shí)驗室進(jìn)行校準時(shí),常常需要零點(diǎn)調整。本文在目前使用的壓力變送器校準裝置基礎上,分析了不同量程下絕壓變送器因零點(diǎn)調整產(chǎn)生的線(xiàn)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 - 機械泵雙級泵真空系統來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)調整的方法,取得了較好的實(shí)驗效果。
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