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靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置的研究

作時間:2019-03-25  来源:  作者:
   
    本文主旨:針對靜壓會對差壓變送器的測量準确度産生顯著影響的問題,研制了一種新型的靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置。該裝置是基于差壓傳感器直接測量差壓的原理,采用一個高精度的差壓傳感器作为标準器,在靜壓跟随條件下進行差壓變送器的檢測。研究中采用了最小二乘法曲線拟合的修正方法,以降低差壓型标準器的靜壓影響誤差,提高标準器的準确度。
0 引言
    差壓變送器實際使用時是在靜壓狀态下測量液體、氣體和蒸汽的差壓,并将差壓變量轉換为可傳送的标準化輸出信号,主要用于工业過程差壓參數的測量和控制。但是目前差壓變送器的檢測通常是在低壓端通大氣的情況下進行的,沒有在變送器高、低壓兩端口施加靜态過程壓力,也就是在非靜壓狀态進行檢測,與實際使用狀态不一致。據報道,英國、挪威和法國在近幾年,從 14 個主要制造廠取得的16 台差壓變送器樣品的靜壓性能進行了評估,取得了如下的結果:11 台儀表未能滿足制造廠關于靜壓影響的規定指标,靜壓的影響遠大于儀表的準确度要求,其中 2 台儀表在規定的靜壓值情況下,其量程的變化是其允許誤差的 4 倍,可見,靜壓對差壓變送器技術特性影響極大。對于靜壓性能差的差壓變送器,在靜壓下的差壓檢測結果會産生很大的誤差,如果在檢測差壓變送器時沒有施加規定的靜态過程壓力,則檢測的可信度就會大大降低。我國《股票配资世界國家計量檢定規程》對差壓變送器靜态過程壓力和靜壓影響有特别的規定 [1] 。
    所以針對靜壓會對差壓變送器的差壓測量産生靜壓影響誤差的問題[2] ,研究了一套靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置,在靜壓條件下進行差壓的測量。
1 總體設計
    靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置是基于差壓傳感器直接測量差壓的原理,采用一個高精度的差壓傳感器作为标準器,在高靜壓條件下進行差壓變送器的檢測。由于高精度差壓傳感器本身就具有高靜壓下測量差壓的性能,所以選擇合适的高精度差壓傳感器直接測量差壓是可行的。傳感器型式的檢測裝置不同于傳統的活塞式檢測裝置,更适合用于現場。
    另外,項目研發的裝置用于在線檢測,該裝置的準确度等級是根據現場差壓變送器的技術指标来定位的,在線檢測的差壓變送器多为 0. 5 級及以下準确度等級,所以該項目選擇 0. 05 級高精度差壓傳感器作为在線測量裝置的計量标準器。
2 裝置的結構和工作原理
    靜壓跟随式差壓變送器的在線檢測裝置主要由高精度的差壓傳感器、壓力傳感器、靜壓自动控制系統、高靜壓差壓調控系統、平衡閥和信号處理電路及顯示單元等幾大部分組成,其結構原理框圖如圖 1所示。
結構原理框圖
    在線檢測裝置基于差壓傳感器直接測量差壓的原理,但靜态工作壓力應保持在工作壓力狀态,即靜壓下的差壓測量。
    高精度差壓傳感器的高、低壓側通過高、低壓容腔分别與被測差壓變送器的高、低壓側相連接,高、低壓容腔由一隻平衡閥相連通。靜壓自动控制系統産生規定的靜壓壓力 p 0 送至低壓容腔,待壓力平衡穩定後,高精度壓力傳感器采集到低壓容腔壓力值p L ,由于平衡閥開啟,高壓容腔壓力 p H 與低壓容腔壓力 p L 相等,且均为靜壓壓力值,即 pH = p L = p 0 ,此時差壓为零。
    關閉平衡閥,應用壓力动态密封法,靜壓自动控制系統對低壓容腔進行自动控壓,经過穩壓調整,使其壓力始終保持靜壓值 p 0 。同時手动調節高靜壓差壓調控系統,采用靜壓跟随的差壓調控技術,增大高壓容腔的壓力值,分别送至差壓變送器和高精度差壓傳感器的高壓側,與低壓側形成壓力差,于是高精度差壓傳感器直接采集到差壓值 p,经過信号處理單元處理,最終以數顯的形式在顯示裝置上指示出差壓值 p,这里的 p 即为标準的差壓值,換算成理論輸出電流值,與被測差壓變送器的實際輸出值之差即是差壓變送器的測量誤差。
    繼續調節高靜壓差壓調控系統,可得到在恒定靜壓下的各個差壓值,由高精度差壓傳感器測量并顯示在裝置的顯示單元上。以上過程實現了差壓變送器靜壓跟随下差壓測量。
3 裝置中标準器的選擇
3. 1 标準器量值溯源的測量模型
    高精度差壓傳感器是裝置的标準器,如何選擇準确度較高的差壓傳感器是項目研究的關鍵。該項目用高靜壓氣體差壓活塞式壓力計作为高精度差壓傳感器的上一級計量标準器,進行量值傳遞。
    高精度差壓傳感器進行量值溯源的測量模型为:
20190325163203.jpg
    由測量模型可見,差壓測量值的不确定度主要是由砝碼質量 Δm、活塞有效面積 s 和重力加速度 g的不确定度分量引入的,如果各不确定度分量數值較小,則差壓測量值的不确定度數值也較小。经過比較分析,将 0. 05 級的高精度差壓傳感器量值溯源至 0. 01 級的高靜壓氣體差壓活塞式壓力計,符合量傳體系的要求。
3. 2 标準器靜壓影響誤差的修正
    由于高精度差壓傳感器本身是差壓型的傳感器,無論從理論分析還是實際測量都可以發現靜壓對差壓示值的影響。为提高差壓傳感器的準确度,采用了多重誤差曲線的拟合,以減小差壓傳感器的輸出誤差。
    用 0. 01 級高靜壓氣體差壓活塞式壓力計,分别在靜壓 0,1,2,3,4 MPa 的條件下,對 0. 05 級的差壓傳感器(壓力輸出)進行了 3 個循環共 6 次測量,取6 次測量的平均值为傳感器實際輸出壓力值,測試數據如表 1 所示。
高精度差壓傳感器的測試數據
    測試數據表明,在相同靜壓作用下,基本上差壓越大誤差也越大,大致呈線性。随着靜壓的增大,測量誤差随之增大。所以首先對相同靜壓下,傳感器的實際輸出差壓值進行線性拟合 [3] 。
    設 x 为标準差壓值,z 为傳感器實際輸出差壓值,利用最小二乘法的線性拟合,得到 0,1000,2000,3000,4000 kPa 的靜壓作用下的直線方程分别为:
    z =1. 000 173x -0. 001 333 (1)
    z =1. 000 053x -0. 001 778 (2)
    z =0. 999 953x -0. 005 111 (3)
    z =0. 999 847x -0. 018 222 (4)
    z =0. 999 750x -0. 021 111 (5)
    對式(1) ~ 式(5)分别求導,得到不同靜壓(0,1000,2000,3000,4000 kPa) 下 dz/dx 的值分别为1. 000 173,1. 000 050,0. 999 953,0. 999 847,0. 999 750。
    設 y 为靜壓力值,則不同靜壓與 dz/dx 的函數關系可運用最小二乘法進行線性拟合得到:
20190325163237.jpg
    根據以上分析可知,式(6)中的 C 與靜壓值 y有以下對應關系:
    y =0 時,C 1 = -0. 001 333;
    y =1000 時,C 2 = -0. 001 778;
    y =2000 時,C 3 = -0. 005 111;
    y =3000 時,C 4 = -0. 018 222;
    y =4000 時,C 5 = -0. 021 111。
    由此可見,C 函數可近似为高次方曲線,再一次利用最小二乘法進行曲線拟合可以得到修正公式:
20190325163251.jpg
    采用式(7)進行修正後,對于靜壓为 0,1,2,3,4 MPa時的最大誤差均有所減少。通過靜壓影響誤差的修正,将高精度差壓傳感器的差壓測量的準确度進行了優化,減少了靜壓帶来的影響,提高了标準器的準确度。
4 實验
    用靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置(課題裝置)測試了一台差壓變送器,在不同靜壓條件下的電流輸出,與高靜壓氣體差壓活塞式壓力計(标準裝置)測量結果進行比對,結果如圖2 ~圖6 所示。
20190325163303.jpg
    從以上各圖可知:2 個測量結果具有良好的一致性,靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置的檢測結果完全可信。
5 結論
    靜壓跟随式差壓變送器在線檢測裝置基于差壓傳感器直接測量差壓的原理,較好地實現了差壓變送器在靜壓條件下差壓的在線檢測。該文提出的關于靜壓影響的數據拟合曲線是一種思路和嘗試,今後可通過大量的實验數據来整理得出靜壓對各類型差壓壓力儀表誤差的影響曲線,建立數学模型,減小靜壓影響誤差,为差壓型壓力儀表的質量提升提供技術支持。
注明,三暢儀表文章均为原創,轉載請标明本文地址

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