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压力下的世界:流程工业的压力测量

简介

压力是过程工业中温度之后的第二大测量参数。 通过精确测量来控制最终产品的质量并快速控制动态过程通常很重要。

其他重要的考虑因素是许多应用的挑战性环境,爆炸性环境中使用的安全要求以及维护校准记录的成本。 选择合适的压力测量产品可能会令人生畏。

本文考虑了可用的不同技术以及各自带来的优势,以及这些性能优势如何适合特定应用。

neculai moisoi

高级计量师,德鲁克

伊恩abb

Druck工业产品经理

在本文中,还将描述压力传感器在过程工业中的典型用途以及用户面临的挑战。

基本类型的压力传感器

压力传感器行业经过加利福尼亚理工学院EE Simmons和麻省理工学院AC Ruge的1938最初发明的应变粘合测量仪后得到了快速发展。 虽然有许多形状因子可供使用,但压力传感器的一般外观如下所示。

压力测量

图1:带隔离膜片的通用压力传感器

通过传感原理的类型

压阻式传感器是最常用的传感器类型,因为它们适用于高精度的各种应用,以及它们通常坚固的结构。

大多数压阻式传感器基于硅衬底上的惠斯通电桥,其中电桥中的每个电阻器通过施加的应变/压力改变其值,然后该信号可以被修改为各种电输出。

几乎没有需要参数的应用超出了压阻式传感器的能力,但对于大多数工业应用而言,压阻式传感器是首选。

电容式传感器也有各种各样的形状和形式,通常形状非常简单,薄膜是电容器的一个板,施加的压力会引起膜片的弹性变形/运动,从而导致电容的变化。

由于它们的高灵敏度,它们可以制造出低于20 mbar(20 hPa)的压力测量传感器,但应该谨慎使用,因为它们通常对振动和冲击很敏感。

电感式传感器具有与电容式传感器类似的方法,其中传感(弹性)胶囊将线性元件移动到线性可变差动变压器内部,因此感应的变化与施加的压力成比例。

多种传感胶囊可与电感式传感器一起使用; 这意味着它们可以用于不同的范围,但必须注意电噪声和/或冲击和振动。

谐振式压力传感器是市场上最精确的硅基传感器之一,其功能原理是基于谐振器的频率变化,因为应力施加在谐振器上,通常通过硅膜片连接到谐振器的末端。谐振器。

它们通常是坚固的传感器,并且具有不同的形状因子,具有针对环境因素的不同程度的保护。 然而,它们的机械原理可能使它们易受机械波的影响,特别是如果这些机械波激活谐振器的不同频率模式。

输出类型

主要的两种压力传感器是连续量输出或离散(数字)输出。

连续类型是mV,V,mA和Hz),每种类型都有自己的优点和缺点。 考虑到这一点,应根据应用程序和环境选择每个。 例如,如果必须在定制应用中修改信号而不需要长距离发送信号,则需要mV输出,而V输出或mA输出可以在相对较长的距离上发送,因为它不太可能受到操作环境影响而不是mV输出。

数字输出压力传感器正变得越来越流行,因为它们可以轻松集成到计算机化系统中,使用同一组线路连接多个传感器(Modbus,Profibus,Canbus),并且它们也可以用作“即插即用”配置( RS232,USB)甚至无线连接(无线,蓝牙)。

â�<压力传感器的计量特性

压力传感器的计量特性可能因制造商而异,并且了解这些特性以确保为预期应用选择合适的传感器非常重要。

从纯粹的计量学角度来看,一些参数(例如重复性,精确度,准确度)具有定性定义,但是多年来它们被用作定量参数,因此我们将以相同的方式使用它们。 下面我们将重点介绍主要的计量参数:

信号偏移

信号偏移是传感器在最小压力下的误差(图2显示压力传感器的信号偏移,范围为0至1000 mbar,输出为0至5 V)。 从实际的观点来看,重要的是要知道传感器偏移是否可以调整(“重新归零”),因为许多传感器可能随时间漂移并且需要“重新归零”的能力。

与偏移调整一起,许多传感器都能够调整跨度(最大压力下的输出减去最小压力下的输出),这也有助于校正随时间的漂移。 测量和重置这种偏移需要校准和维护计划,以确保性能保持在要求的限度内。

表压传感器0-1000 mbar。 压力测量

图2:压力传感器偏移

灵敏度

传感器灵敏度是输出信号变化与压力变化之比。 如果我们考虑上面的图表,其中输出由5 V改变,而压力改变1000 mbar,则灵敏度为5 mV / mbar。 这是我们在应用中使用信号的方式的重要参数,以及确定传感器性能如何受电噪声影响的重要参数。

平台精度

精度通常用于描述传感器在其可重复性,线性误差和信号滞后方面的行为。 传统上,一些制造商使用术语“准确度”来描述该参数。

但是,根据经验,无论这个参数的名称是什么,最好的方法是了解它的组成部分是什么。 精确度作为参数并不能告诉我们测量压力的准确程度,而是告诉我们传感器本身的行为方式。 例如 - 它是可重复的吗? 它是线性的吗? 有压力或温度滞后?

可重复性是在相对短的时间内在相同测量条件下进行的相同压力的连续测量结果之间的一致性的接近程度。 通常,重复性被确定为重复测量的标准偏差或幅度(最大值 - 最小值)。

线性误差被确定为传感器的测量值与理论线(其确定为BSL-最佳直线拟合或TSL-终端直线拟合)之间的差异,其假设传感器的线性行为。 图3表示BSL情况的线性误差,为了表征传感器,选择最大误差(作为最坏情况)。

表压传感器0-2000 mbar。 压力测量

图3:压力传感器线性误差

压力或温度滞后误差是在同一点进行的两次单独测量之间的差异,但是一次是增加,另一次是值减小。 滞后尺寸根据压力传感器技术和传感器的物理结构而变化。

绝对压力传感器0-100 mbar。 压力测量

图4:压力滞后误差


一般因此,上述3参数包含在一个规范中,该规范定义了可接受的精度限制(例如:精度为满量程的+/- 0.1%)。

准确性

准确度应与指定的测量误差相关联,包括系统误差,随机误差和漂移的影响(在一段时间内指定精度的情况下)。 压力传感器或测量的精度是测量不确定度评估的一部分,包括许多因素,包括标准和/或被测单元(UUT)的不确定性,精度等。评估测量/校准的不确定性需要专业知识,因此,我们将重点关注如何解释准确性。

每次测量都应具有测量不确定性(通过数据表中的准确性声明或校准证书中的不确定性)。 大多数情况下,准确度被评估为扩展不确定性,假设遵循正态分布并且覆盖因子= 2。 简言之,根据下面的例子:测量量x的真实值是在范围(xU,x + U)内的95%概率下找到的。

压力测量

图5:压力值X的精度表示


在比较压力传感器的精度和精度时:精度告诉我们传感器的行为方式,而精度(包括精度因子)告诉我们测量的准确程度,或者包含测量真实值的边界。

长期稳定性(漂移)

仪器的长期稳定性通常以其相反的数量来表示 - 即长期漂移,根据以下定义:

  • 测量仪器的稳定性是测量仪器的特性,其计量特性在时间上保持恒定
  • 仪器漂移是由于测量仪器的计量特性的变化而在指示中随时间的连续或增量变化

大多数情况下,仪器的漂移随着时间的推移遵循给定的数学模型,但是由于任何给定模型的部件之间的变化,漂移表示为公差范围,D = + / - 10 Pa,因此它应该包含在仪器的整体精度中。

通常,压力传感器随着时间的推移呈现某种形式的漂移,因此重要的是系统的设计具有可以针对偏移和跨度漂移进行调整的潜力以及采用校准和维护程序。

影响数量

影响量是任何外部(即不包括在输入/输出)量,这可能影响压力传感器的性能。 大多数时候,压力传感器制造商提供影响量的范围及其对传感器计量特性的影响。

外部因素的影响主要是作为公差范围给出的,在评估仪器精度时应考虑到这一范围。 例如,当考虑压力传感器的温度效应时,影响量(温度)被定义为-10至+ 50°C,然后其效果被定义为满量程的公差范围±0.75%。

影响数量及其影响应由制造商通过其数据表提供,并且根据测量的数量和传感器的类型而不同。最常见的影响量是:温度,湿度,大气压力,电磁场,振动,噪声。

根据应用,应仔细检查所述影响量的规范,因为在某些情况下,所引起的影响远大于所要求的精度和/或准确度。

â�<压力传感器的校准

在过去的几年中,压力传感器将被从系统中取出,并在计量实验室中进行校准。 然而,这将伴随相关成本,因为需要安装备用传感器以防止停机或系统将简单地停止并且资产将下降直到从校准/测试返回传感器。

在现代,大多数传感器使用压力校准器“现场”校准,其中一些压力校准器能够同时产生和测量压力和输出(以mV,V,mA等为单位)。 此外,许多校准器可以评估校准不确定度(多次称为“精度”)并通过数据管理系统自动存储/传输数据。

始终建议使用这样一个系统,因为它可以安全地保存所有校准数据,从而更容易管理资产,减少报告错误并有助于符合ISO认证。

校准方法是一种直接方法,除了在选择之前需要执行的操作检查(选择正确的压力连接配件,确保无泄漏系统,安全预防措施等),校准器应选择为经验法则是4倍于传感器校准的准确度。

便携式校准器。 压力测量

图6:使用模块化校准器远程校准压力传感器

为应用选择合适的传感器

为应用程序选择正确的传感器是为了将应用程序的要求与用户感兴趣的特定参数相匹配。

例如,在泄漏测试应用中,绝对精度是噪声的次要考虑因素。 读数是否已经改变是关键,因此如果传感器误读10条作为9条,后果并不深刻,因为高分辨率更重要,以便看到压力的微小变化。

作为控制回路的另一个例子,响应速度至关重要。 如果传感器输出过去存在的压力100 ms,则优化动态过程将非常困难。

当然,还有一些应用,例如财政转移和向过程提供大量天然气,其中总体准确性是最重要的因素。 压力误差与质量误差之间存在1:1关系,或换句话说,压力读数中的1%误差是账单中的1%误差。

在这种情况下,重要的是不仅要考虑标题“精度”数字,还要考虑工作温度范围内的性能,然后包括稳定性数据以设置重新校准周期,以便始终保持总体精度。

制造商倾向于在他们的技术和营销文献中尽可能详细地说明,但必须平衡所提供的信息量,使信息易于访问和理解。

为了提高对特定应用的最佳匹配要求的确定性,通常需要聘请压力传感器供应商的设计工程团队,在某些关键情况下,可以建立合作伙伴关系,以便为特定应用设计定制解决方案。

流程工业线人

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