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压力差压变送器的性能误差主要有哪些

压力差压变送器是目前应用量较大的现场参数变送器,被广泛应用在工业自动化的各个领域。20世纪六七十年代,压力差压变送器精度指标为1.0%或0.5%。目前,绝大部分压力差压变送器的精度指标为0.1% 或0.075% ,最高精度指标为0.05%。精度是任何过程测量设备的关键性能指标,也是设备选型和维护需要考虑的一个重要因素。但是上面提到的精度只是由压力差压变送器制造厂提供的指标,在用户生产现场实际应用时,如果用整体性能误差来表述的话,只有极小部分现场实际应用时的整体性能误差可能达到制造厂提供的指标,大多数情况下两者相去甚远。本文将首先介绍有关压力差压变送器精度的概念,然后介绍实际影响压力差压变送器精度的主要因素,最后介绍整体性能误差的计算。

一、变送器的参考精度

在每一个压力差压变送器产品的说明资料中,制造厂家往往首先介绍精度指标,正如很多样本中附注介绍的那样,它包括线性度、滞后和重复性。但也有制造厂家明确将这一指标称之为参考精度( referenceaccuracy,RA) 。这个指标只是一个供参考的精度,所以我们将制造厂家提供的“精度”指标统称为参考精度。

通常,制造厂家提供的参考精度指标是在试验室条件下测试的精度,这是由变送器制造厂在设计时和通过测试后提供的指标。典型的试验室条件是: 温度为( 20 ± 5) ℃,静压为0,相对湿度为45% ~ 75%。大多数制造厂家对这一指标的描述是保证±3σ 的一致性。测试误差正态分布如图1所示。实际测试时,大量的随机误差服从正态分布规律。如果概率密度取±1σ,置信概率为68. 2%; 概率密度取± 2σ,置信概率为95. 4%; 概率密度取±3σ,置信概率为99.7%。3σ为极限误差,其概率含义是在1000 次测试中只有3次测量误差会超过3σ。由于一般测试中的测量次数只有几十次,可以认为出现测量误差超过3σ的概率是很小的。

参考精度是一个非常重要的指标,常常可以作为不同厂家压力差压变送器性能比较的基础。但对于用户在生产过程具体应用时的性能来说,因为参考精度仅适用于限定的量程比和规定的试验室条件,当条件变化时,它不能全面衡量压力差压变送器在工业应用的整体性能。压力差压变送器的参考精度只是其中的一个因素,还有其他一些影响精度的因素需要考虑。

二、影响变送器精度的因素

下面5个因素对压力差压变送器的总体性能产生明显影响: 量程比影响、温度对零点的影响、温度对量程的影响、静压对零点的影响、静压对量程的影响。这5 个影响因素可分别用TDE、TEz、TEr、SPEz、SPEr来表示。

部分制造厂商在样本中还列出了电源影响、震动影响、安装位置影响等,但这些因素影响小,通常不予考虑。某 些制造厂商在样本中列出了给定应用条件下压力差压变送器总体性能的影响数据。压力差压变送器通常分为压力、差压这2 大类,差压变送器需考虑上述5 个因素的影响,而压力变送器只需考虑量程比影响及温度影响。下面的分析是针对差压变送器考虑的,而压力变送器除了不考虑静压影响外,其余与差压变送器相同。

2.1 量程比影响

所有差压变送器的样本都会指定量程范围和量程比,规定了量程上限值( upper range limit,URL) 和量程下限值( lower range limit,LRL) ,如图2 所示。如果变送器不带量程迁移,则量程下限值LRL 通常为0; 如果变送器带100% 量程迁移,则量程下限值LRL 等于- URL。用户可以设定量程低范围值( lower range value,LRV) 和量程高范围值( upper range value,URV) 。样本中同时会规定用户可设定的最大量程变化范围和最小量程变化范围。

差压变送器的制造商同时也会说明,他们所声称的参考精度不一定适用于用户选择的每一个量程。通常制造商采用以下公式计算:

TDE = ±[f1 + f2( URL/Span) ] ( 1)

式中: f1、f2

为制造厂家给出的系数。

通常URL /Span 以量程比符号r 代替,公式可简化为:

TDE = ± ( f1 + f2 r) ( 2)

如用户选择的量程超过15∶1的量程比,则给出了以下计算公式:

TDE = ± 0. 005%r ( 3)

大多数差压变送器在10∶1 的量程比范围内,精度仍为参考精度,不受量程比的影响。但仍有相当数量的差压变送器保证参考精度的量程比小于10∶1,这一指标甚至还有3∶1 和2∶1; 且同一型号产品的不同量程代号,保证参考精度的量程比也可能出现很大的差别,这都是用户在计算受量程比影响后的精度时需特别注意的。

当传统压力差压变送器的量程比大于10∶1 时,精度通常开始降低。针对这一问题,某品牌公司推出了一个新的S 系列压力差压变送器。这种变送器采用了专利技术FoxCal,在变送器的固件中存储11 个校准点,即量程上限( URL) 的2. 5%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、85% 和100%,自动选择基于输入的正确曲线。采用11 个校准点的标定方法,即使变送器在高量程比80∶1 时,仍能保持其参考精度。

2.2 温度影响

在过程应用中,过程温度、环境温度会发生很大的变化,肯定会与变送器测试时的参考条件不同,这也意味着性能将与所介绍的参考精度不同。温度变化会影响变送器的零点精度和量程精度,通常采用与式( 2)形式相似的公式计算:

TE = ± ( f1 + f2 r) ( 5)

式中: TE 为温度影响,可用来计算TEz 或TEr; f1、f2为制造厂家给出的系数。有的变送器制造商分别给出了温度对零点精度和量程精度的影响数据.

温度对差压变送器的影响在接近最大量程( 即小量程比) 时很小,但在接近最小量程( 即大量程比) 时影响就很大,有时甚至超出了我们的想象。

三、整体性能误差

一旦差压变送器的量程已设置,则参考精度、量程设置影响、温度影响和静压影响等相关的误差都已确定,那么用户已具备确定整体性能误差( total probableerror,TPE) 必要的元素。整体性能误差也可称为总概率误差,它可以用来衡量用户使用的差压变送器在生产现场实际工况下可能产生的误差大小。TPE 误差计算应按误差平方总和的方根计算:

方根计算表

因为每台差压变送器量程的设置、应用现场温度和静压的条件都会有所不同,所以即使用户使用的是同一制造商、同一型号甚至是同一量程代号的产品,其整体性能误差也有差别,甚至会有很大的差别。压力变送器的整体性能误差分析与计算同差压变送器,只是无须考虑静压影响。

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