試驗(yàn)室差壓變送器計(jì)量檢定中的問題研究

鄭顯鋒,張建斌,鄭 穎,黃建明,汪 嘯

(1.西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西 西安 710100；2.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

試驗(yàn)室差壓變送器計(jì)量檢定中的問題研究

鄭顯鋒1,張建斌1,鄭 穎2,黃建明1,汪 嘯1

(1.西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西 西安 710100；2.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

隨著科研生產(chǎn)中差壓變送器準(zhǔn)確度等級(jí)越來越高，量程范圍越來越小，現(xiàn)行JJG 882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》已不能很好地解決差壓變送器計(jì)量與使用中量值傳遞的相關(guān)問題，對(duì)差壓變送器小量程范圍感壓口余液影響、壓力真空量程范圍測(cè)量影響兩個(gè)問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，如果不能剔除因差壓變送器小量程范圍感壓口余液影響引入的誤差，將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的測(cè)量不確定度，尤其對(duì)于高精度差壓變送器影響更為明顯，造成測(cè)量誤差超出最大允許誤差；差壓變送器壓力真空量程范圍影響同樣是一個(gè)需要明確認(rèn)識(shí)的測(cè)量問題，正確使用和計(jì)量是保證壓力真空量程范圍差壓變送器輸出量值準(zhǔn)確的唯一途徑。為使差壓變送器更好地配合實(shí)際科研生產(chǎn)，保證其量值傳遞準(zhǔn)確可靠，有必要對(duì)差壓變送器的計(jì)量和使用制定更明確的規(guī)程規(guī)范，以對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)。

過程儀表；差壓變送器； 計(jì)量誤差； 絕緣強(qiáng)度; 量值傳遞

0 引言

差壓變送器的計(jì)量和使用存在較多問題，尤其是測(cè)量范圍越小的差壓變送器，問題越明顯，如不在零位、零位回程誤差超差、如何測(cè)量壓力真空范圍等?，F(xiàn)行的JJG 882-2004《壓力變送器檢定規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中也沒有涉及這些問題[1-4]。本文以使用廣泛的二線制差壓變送器為例，對(duì)感壓口余液影響、壓力真空范圍測(cè)量影響兩個(gè)問題進(jìn)行分析研究。

1 差壓變送器原理

二線制差壓變送器通常主要由感壓單元、信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換單元以及顯示單元(有些變送器不包含)組成[5-7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常在使用、計(jì)量過程中，其供電電壓默認(rèn)為24 VDC(銘牌顯示供電電壓一般包含有 24 VDC直流電壓)，其輸出信號(hào)為4～20 mA。

圖1 二線制差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖

在使用或計(jì)量過程中，變送器的信號(hào)輸出連接方式[5-11]如圖2所示。在計(jì)量過程中，有時(shí)會(huì)用過程儀表校驗(yàn)器替代電源、直流電流表部分。

圖2 差壓變送器信號(hào)輸出連接示意圖

在使用或計(jì)量過程中，差壓變送器輸入連接[1、8-9]如圖3所示。

圖3 差壓變送器信號(hào)輸入連接示意圖

在計(jì)量過程中，往往會(huì)將壓力控制系統(tǒng)1選擇直接通大氣。而在使用過程中只有壓力控制系統(tǒng)1、壓力控制系統(tǒng)2，沒有壓力源部分。

2 差壓變送器計(jì)量

根據(jù)《規(guī)程》要求，逐項(xiàng)完成計(jì)量檢定，在規(guī)定的環(huán)境條件下完成外觀、密封性、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度、基本誤差、回程誤差、靜壓影響[10]等計(jì)量檢定項(xiàng)目[1]，密封性和絕緣強(qiáng)度可僅在首次檢定中進(jìn)行。靜壓影響也在首次檢定中進(jìn)行，后續(xù)檢定在必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢定。

這里僅對(duì)計(jì)量過程中的幾個(gè)容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行介紹。

①檢定點(diǎn)的選擇。檢定點(diǎn)應(yīng)按量程基本均勻分布，一般應(yīng)包含上限值、下限值(或其附近輸入量程10%以內(nèi))，不少于5個(gè)點(diǎn)；準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.1級(jí)的變送器，檢定點(diǎn)應(yīng)不少于9個(gè)點(diǎn)[1-2]。

②每個(gè)檢定的理論輸出值A(chǔ)i的表達(dá)式為：

(1)

式中：Pi為第i個(gè)檢定點(diǎn)的壓力值；P0為下限點(diǎn)的壓力值；Pmax為上限點(diǎn)的壓力值。

由式(1)可知，當(dāng)量程已知，每個(gè)檢定點(diǎn)的理論輸出值都可計(jì)算。

3 測(cè)量結(jié)果影響因素研究

3.1 感壓口余液影響

差壓變送器計(jì)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)零位誤差較大，其他測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)都沒有問題。仔細(xì)觀察后，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)壓力端口內(nèi)(感壓單元)或兩個(gè)壓力端口內(nèi)存在液體，主要原因是此差壓變送器用于液體介質(zhì)測(cè)量，感壓單元上附著有數(shù)量不等的液體，且此差壓變送器的量程較小。

為了避免因這種現(xiàn)象的誤導(dǎo)而引入測(cè)量不確定度[12]、造成變送器零位示值超差，需要在計(jì)量檢定前通過使用揮發(fā)性強(qiáng)的清洗液清洗兩個(gè)端口，靜置一段時(shí)間再次測(cè)量零點(diǎn)。

當(dāng)檢定介質(zhì)為液體時(shí)，變送器計(jì)量檢定過程中，某差壓變送器的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

測(cè)量結(jié)果的第一次上行程零點(diǎn)值與第一次下行程零點(diǎn)輸出值之間的回程誤差較大，且第一次下行程零點(diǎn)值與第二次上行程、下行程零點(diǎn)輸出值較為接近，但其他檢定點(diǎn)的輸出值都比較接近。

這種情況的發(fā)生主要是由于第一次測(cè)量與第二次測(cè)量為連續(xù)測(cè)量，變送器L端通大氣，H端與壓力源連接，壓力源的介質(zhì)為液體造成的。L端通大氣作為差壓變送器的零位，H端與壓力源連接，當(dāng)壓力源卸壓到零點(diǎn)時(shí)，在H端感壓單元上還附著有部分液體，所以H端的壓力不是通大氣所得到與L端相同的零點(diǎn)，且此差壓變送器的測(cè)量范圍較小造成了這一現(xiàn)象。這有可能會(huì)誤導(dǎo)對(duì)此變送器的最終檢定結(jié)果。

表1 某差壓變送器的測(cè)量數(shù)據(jù)

為了避免因這種現(xiàn)象的誤導(dǎo)而造成的此變送器零位示值超差或來回差超差的結(jié)論。通過使用揮發(fā)性強(qiáng)的清洗液清洗H端后，靜置一段時(shí)間，再次測(cè)量零點(diǎn)的方法解決。得到準(zhǔn)確的下行程零點(diǎn)值，對(duì)此變送器的檢定結(jié)果作出準(zhǔn)確判定。

同樣的問題也在實(shí)際科研生產(chǎn)中發(fā)生，有些差壓變送器被用作普通變送器來測(cè)管道內(nèi)液體的壓力(L端通大氣，H端接管道測(cè)壓口)。當(dāng)管道內(nèi)壓力為零時(shí)，變送器顯示不為零，所以就造成一些誤讀，如管道內(nèi)未完全卸壓、差壓變送器損壞、再讀數(shù)時(shí)修正減去零位的示值為最終的讀數(shù)等。

3.2 壓力真空范圍測(cè)量影響

計(jì)量工作人員比較熟悉(-100～100)kPa量程的壓力計(jì)量器具，送檢中此類器具的測(cè)量范圍一般為(-90～100)kPa。計(jì)量工作人員對(duì)(-200～200)kPa量程的壓力計(jì)量器具也不會(huì)陌生，此量程范圍在表壓和絕壓層面是不存在的，但是在差壓領(lǐng)域卻是一個(gè)存在的量程范圍。此量程范圍差壓計(jì)量器具的計(jì)量也顛覆了之前約定俗稱的差壓變送器的計(jì)量理念，而關(guān)于這一方面的內(nèi)容在《規(guī)程》中沒有明確的要求。

對(duì)于(-100～100)kPa量程，第一種計(jì)量方案是，L端通大氣，在H端加壓力源(帶真空泵)，測(cè)量范圍為(-90～100)kPa。然后以此測(cè)量數(shù)據(jù)作為判定檢定結(jié)果的主要測(cè)量數(shù)據(jù)依據(jù)。

對(duì)于(-100～100)kPa量程第二種計(jì)量方案是，L端通大氣，在H端加壓力源(0～100)kPa，測(cè)量范圍(0～100)kPa；再H端通大氣，在L端加壓力源(0～100)kPa，測(cè)量范圍(-100～0)kPa，兩部分?jǐn)?shù)據(jù)相結(jié)合，得到(-100～100)kPa量程范圍的測(cè)量值，以此測(cè)量數(shù)據(jù)作為判定檢定結(jié)果的主要測(cè)量數(shù)據(jù)依據(jù)。

理論上，對(duì)于同一個(gè)被測(cè)樣本差壓變送器來說，L端通大氣，在H端加壓力源(-90～90)kPa；與H端通大氣，在L端加壓力源(-90～90)kPa的輸出應(yīng)該是一一對(duì)應(yīng)、基本重合的，但實(shí)際測(cè)量中卻不盡相同。節(jié)選測(cè)量數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。

表2為L端通大氣，在H端加壓力源的測(cè)量數(shù)據(jù)。表3為H端通大氣，在L端加壓力源的測(cè)量數(shù)據(jù)。此測(cè)量數(shù)據(jù)為日常計(jì)量中在同一環(huán)境條件下，使用同一標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)同一差壓變送器樣本(0.075級(jí))的測(cè)量數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)節(jié)選)。

表2 某樣本測(cè)量數(shù)據(jù)1(數(shù)據(jù)節(jié)選)

表3 某樣本測(cè)量數(shù)據(jù)2(數(shù)據(jù)節(jié)選)

這樣的測(cè)量數(shù)據(jù)在差壓變送器的日常計(jì)量工作中經(jīng)常出現(xiàn)。按照第一種計(jì)量方案得到的結(jié)論是此樣本符合0.075級(jí)，判定結(jié)果為合格；按照第二種計(jì)量方案得到的結(jié)論是此樣本不符合0.075級(jí)，但符合0.1級(jí)，判定結(jié)果降為0.1級(jí)使用；綜合上述數(shù)據(jù)得到第三種結(jié)論，即此樣本不符合0.075級(jí)，但符合0.2級(jí)，判定結(jié)果降為0.2級(jí)使用?？紤]到差壓變送器在使用過程中，以上每種情況都有可能發(fā)生，所以第三種結(jié)論為較準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)論。

因此在差壓變送器的壓力真空量程計(jì)量檢定過程中，應(yīng)分別在L端和H端進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)的量程范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測(cè)量，二者數(shù)據(jù)作為判定最終結(jié)論的主要數(shù)據(jù)依據(jù)。如(-200～200)kPa差壓變送器，需在L端通大氣，H端加壓力源測(cè)量范圍(-90～200)kPa；在H端通大氣， L端加壓力源測(cè)量范圍(-90～200)kPa。這樣才能得到完整的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及相對(duì)準(zhǔn)確和有效的計(jì)量檢定結(jié)果判定依據(jù)。

4 結(jié)束語

由于差壓變送器的計(jì)量和使用過程中存在小測(cè)量范圍感壓口余壓影響、壓力真空量程范圍影響的問題，現(xiàn)有《規(guī)程》中沒有明確規(guī)定，對(duì)現(xiàn)在的計(jì)量和使用中都存在一些誤導(dǎo)。所以有必要對(duì)差壓變送器單獨(dú)設(shè)立檢定規(guī)程或規(guī)范，對(duì)感壓口余壓影響和壓力真空量程范圍測(cè)量影響進(jìn)行專門規(guī)定，保證差壓變送器計(jì)量量值傳遞準(zhǔn)確可靠，為科研生產(chǎn)保駕護(hù)航。

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ResearchontheProblemsinMetrologicalVerificationofDifferentialPressureTransmitterintheLab

ZHENG Xianfeng1,ZHANG Jianbin1,ZHENG Ying2,HUANG Jianming1,WANG Xiao1

(1.Measuring and Testing Institute under Xi’an Aerospace Corporation,Xi’an 710100,China; 2.Institute of Automotive Engineering,Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710165,China)

With the development of scientific research and production,the accuracy of the differential pressure transmitter is higher and higher,while the range is smaller and smaller.The current verification regulation of JJG 882-2004“Verification Regulation of Pressure Transmitter”cannot well solve the related issue about quantitative value transfer in metering and use of the differential pressure transmitter.The experimental study onspecific problems of differential pressure transmitter is conducted,including the influence of two aspects,i.e.,the pressure sensitive mouth affects residual liquid in small range and the vacuum pressure range affects measurement range.The experimental results show that,if the impact of pressure sensitive mouth on residual liquid cannot be clearly understood and reasonably eliminated,then significant measurement uncertainty may be introduced,especially for high precision equipment,the measurement errors may exceed the maximum allowable error.The influence of pressure vacuum range is also a problem shall be clearly understood,and the correct use and measurement is the only way to guarantee the accuracy of the output value.In order to ensurequantitative value transfer of the differential pressure transmitter is accurate and reliable,it is necessary to develop a more clear specification formetrology and use of differential pressure transmitter.

Process instrument; Differential pressure transmitter; Measurement error; Dielectric strength; Quantity transmission

TH73;TP2

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709019

修改稿收到日期:2017-03-31

鄭顯鋒(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事計(jì)量檢測(cè)工作。E-mail:wjxfzheng@163.com。