內(nèi)容編輯壓力變送器、差壓變送器的性能誤差主要有哪些
壓力差壓變送器是目前應(yīng)用量較大的現(xiàn)場(chǎng)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%。目前，絕大部分壓力差壓變送器的精度指標(biāo)為0.1% 或0.075% ，Zui高精度指標(biāo)為0.05%。精度是任何過程測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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)情況下兩者相去甚遠(yuǎn)。本文將Shou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，Zui后介紹整體性能誤差的計(jì)算。
一、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Shou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一指標(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(cè)試的精度，這是由變送器制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)和通過測(cè)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(duì)濕度為45% ～ 75%。大多數(shù)制造廠家對(duì)這一指標(biāo)的描述是保證±3σ 的一致性。測(cè)試誤差正態(tài)分布如圖1所示。實(shí)際測(cè)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(cè)試中只有3次測(cè)量誤差會(huì)超過3σ。由于一般測(cè)試中的測(cè)量次數(shù)只有幾十次，可以認(rèn)為出現(xiàn)測(cè)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)，常常可以作為不同廠家壓力差壓變送器性能比較的基礎(chǔ)。但對(duì)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。
二、影響變送器精度的因素
下面5個(gè)因素對(duì)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(duì)零點(diǎn)的影響、溫度對(duì)量程的影響、靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響、靜壓對(duì)量程的影響。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)。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(duì)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( upper range limit，UＲL) 和量程下限值( lower range limit，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。用戶可以設(shè)定量程低范圍值( lower range value，LＲV) 和量程高范圍值( upper range value，UＲV) 。樣本中同時(shí)會(huì)規(guī)定用戶可設(shè)定的Zui大量程變化范圍和Zui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 = ±［f1 + f2( UＲL/Span) ］ ( 1)
式中: f1、f2
為制造廠家給出的系數(shù)。
通常UＲL /Span 以量程比符號(hào)r 代替，公式可簡(jiǎn)化為:
TDE = ± ( f1 + f2 r) ( 2)
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(hào)產(chǎn)品的不同量程代號(hào)，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。
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(duì)這一問題，某品牌公司推出了一個(gè)新的S 系列壓力差壓變送器。這種變送器采用了專Li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)選擇基于輸入的正確曲線。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。
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(cè)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 = ± ( f1 + f2 r) ( 5)
式中: TE 為溫度影響，可用來計(jì)算TEz 或TEr; f1、f2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(duì)零點(diǎn)精度和量程精度的影響數(shù)據(jù).
溫度對(duì)差壓變送器的影響在接近Zui大量程( 即小量程比) 時(shí)很小，但在接近Zui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。
三、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( total probableerror，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(chǎng)實(shí)際工況下可能產(chǎn)生的誤差大小。TPE 誤差計(jì)算應(yīng)按誤差平方總和的方根計(jì)算:
方根計(jì)算表
因?yàn)槊颗_(tái)差壓變送器量程的設(shè)置、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(hào)甚至是同一量程代號(hào)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。
一、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Shou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一指標(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(cè)試的精度，這是由變送器制造廠在設(shè)計(jì)時(shí)和通過測(cè)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(duì)濕度為45% ～ 75%。大多數(shù)制造廠家對(duì)這一指標(biāo)的描述是保證±3σ 的一致性。測(cè)試誤差正態(tài)分布如圖1所示。實(shí)際測(cè)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(cè)試中只有3次測(cè)量誤差會(huì)超過3σ。由于一般測(cè)試中的測(cè)量次數(shù)只有幾十次，可以認(rèn)為出現(xiàn)測(cè)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)，常常可以作為不同廠家壓力差壓變送器性能比較的基礎(chǔ)。但對(duì)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。
二、影響變送器精度的因素
下面5個(gè)因素對(duì)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(duì)零點(diǎn)的影響、溫度對(duì)量程的影響、靜壓對(duì)零點(diǎn)的影響、靜壓對(duì)量程的影響。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)。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(duì)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( upper range limit，UＲL) 和量程下限值( lower range limit，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。用戶可以設(shè)定量程低范圍值( lower range value，LＲV) 和量程高范圍值( upper range value，UＲV) 。樣本中同時(shí)會(huì)規(guī)定用戶可設(shè)定的Zui大量程變化范圍和Zui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 = ±［f1 + f2( UＲL/Span) ］ ( 1)
式中: f1、f2
為制造廠家給出的系數(shù)。
通常UＲL /Span 以量程比符號(hào)r 代替，公式可簡(jiǎn)化為:
TDE = ± ( f1 + f2 r) ( 2)
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(hào)產(chǎn)品的不同量程代號(hào)，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。
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(duì)這一問題，某品牌公司推出了一個(gè)新的S 系列壓力差壓變送器。這種變送器采用了專Li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)選擇基于輸入的正確曲線。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。
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(cè)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 = ± ( f1 + f2 r) ( 5)
式中: TE 為溫度影響，可用來計(jì)算TEz 或TEr; f1、f2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(duì)零點(diǎn)精度和量程精度的影響數(shù)據(jù).
溫度對(duì)差壓變送器的影響在接近Zui大量程( 即小量程比) 時(shí)很小，但在接近Zui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。
三、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( total probableerror，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(chǎng)實(shí)際工況下可能產(chǎn)生的誤差大小。TPE 誤差計(jì)算應(yīng)按誤差平方總和的方根計(jì)算:
方根計(jì)算表
因?yàn)槊颗_(tái)差壓變送器量程的設(shè)置、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(hào)甚至是同一量程代號(hào)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。
