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压力变送器工作原理与校准不确定度评定
关键字:压力变送器,变送器    日期:2019-1-10 9:42:00

摘要:介绍了广泛地应用于工业自动化控制领域常用压力变送器的工作原理和特点,给出了一种变送器输出电流测量误差的校准方法,并对校准结果进行了不确定度分析评定。

1常用压力变送器的工作原理和特点

常用的压力变送器主要由测压元件传感器(也称作压力传感器)、测量电路和过程连接件3部分组成。它能将测压元件感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号,以供给二次仪表进行测量、指示和过程调节,常用压力变送器的主要区别,在其压力传感器的测量原理不同。

1.1压阻式压力变送器

压阻式压力变送器的主要组成部分之一是电阻应变片(原理见图1所示)。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片2种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片2种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使其的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化,在通过变送电路对压力物理量进行测量,并转换成统一的标准信号。


1.2陶瓷压力变送器

陶瓷压力变送器没有液体的传递,当压力直接作用在陶瓷膜片的前表面时,膜片会产生微小的形变,使印刷在陶瓷膜片的背面厚膜电阻连接的惠斯通电桥(闭桥),产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的直流电压信号,在通过变送电路对压力物理量进行测量,并转换成统一的标准电信号。这种变送器在生产工艺过程中可将各种介质包括腐蚀性和非腐蚀性的气体、液体直接引入到陶瓷膜片上,无需进行复杂的隔离技术,因此,价格低廉,陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围可达-40℃~135℃,因此,具有测量准确度高、长期稳定性好的特点。

扩散硅压力变送器原理图

1.3扩散硅压力变送器

扩散硅压力变送器问世于20世纪90年代中期,它是利用单晶硅的压阻效应,以单晶硅为基体,按特定晶向,用先进的微机械加工技术形成弹性元件,在其适当位置用集成电路工艺形成4个等值应变电阻,组成惠斯登电桥,对电桥施加一恒下电压(电流),当有压力(差压)作用到弹性元件时,使输出与对应于所加压力成比例的电压信号,再通过变送电路对压力物理量进行测量,并转换成统一的标准信号(原理见图2所示)。扩散硅式压力变送器与传统产品相比具有技术先进、性能可靠、安装方便、准确度高、体积小等优点。

1.4蓝宝石压力变送器

用蓝宝石半导体敏感元件制造的压力变送器也是利用应变电阻式工作原理,由于蓝宝石比硅要坚固,硬度更高,不怕形变;有着非常好的弹性和绝缘特性(1000℃以内),利用蓝宝石制造的半导体敏感元件对温度变化不敏感,即使在高温条件下也有着很好的工作特性可在最恶劣的工作条件下正常工作,并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高,具有无与伦比的计量特性。

1.5压电压力变送器

压电压力变送器的工作原理是压电效应,它是利用电气元件和其他机械,把待测的压力转换成为电量,传感器中主要使用的压电材料有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺等几种(原理见图3)。该种变送器,具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等特点,但它不能用于静态测量,只能够测量动态的应力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。因为测量动态压力非常普遍,所以压电式压力变送器的应用也非常广泛。


1.6电容式压力变送器

电容式压力变送器原理图

电容式压力变送器诞生至今已有20多年历史了,它的精度高,耐腐蚀,耐污染,稳定性好,是国内外公认的检测低真空压力的理想仪表。电容式压力变送器,是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极组成一个电容器(见图4)。当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生的位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调电路,转换成与压力成正比的电信号,再通过变送电路对压力物理量进行测量,并转换成统一的标准信号,它的应用涉及民用工业的各个领域,并在航天工业、核工业等军事工业中发挥着独特的作用。

2示值误差测量结果不确定度评定

2.1校准方法

在环境温度(20±5)℃,每10min变化≥1℃;相对湿度:45%~75%的条件下;由0.05级活塞式压力计直接对被测压力变送器输出需要校准点的标准压力值,由直流数字电流表,对压力变送器输出电流的实际值进行测量,并与标准压力值换算成的电流值进行比较,给出校准点的测量不确定度。

2.2测量对象

2.2.1被测仪器型号、技术指标

BL-Y型压力变送器,测量范围:(06Mpa;准确度等级:0.2%FS;输出电流:(4~20mA

2.2.2被测仪器校准点

压力变送器在标准压力值3.0000Mpa时,输出电流的实际值的测量不确定度。

2.3数学模型及评定依据

2.3.1示值误差测量结果不确定度评定依据

JJG8822004《压力变送器》

JJF10591999《测量不确定度评定与表示》

2.3.2数学模型

压力变送器示值误差的数学模型为:

ΔI=Ix-In

式中:

     I—压力变送器的输出电流误差:mA

     Ix—压力变送器的输出电流测量值:mA

     In—压力变送器理论输出值:mA

2.4不确定度来源

输入量Ix引起的标准不确定度分量U(Ix),主要来源于被测压力变送器的输出值重复性U(Ix1),按A类评定,和测量其输出电流值的直流数字电流表的系统误差U(Ix2)决定,按B类评定。输入量In引起的标准不确定度分量U(In),主要来源于0.05级活塞式压力计准确度引入的不确定度,按B类评定。

2..1不确定度U(Ix1)的评定


为了获得重复性测量的不确定度,对被测压力变送器校准点进行测量,固定标准器压力值,读取数字电流表显示示值,分别以正行程、反行程各测量3次,得到6次的测量数据见表1

6次的算术平均值作为测量结果,压力变送器设定点的重复测量6次,标准差s用极差法确定,R用6次测量结果中最大值δmAx(12.0102)减最小值δmin(12.0073)确定。

R=ΔδmAx+Δδmin=12.007312.01020.0029mA

查表得:当n=6时,C=2.53

S=R/C=0.0029mA2.530.0012mA

6次测量误差的平均值作为测量结果,所以,重复性引入的标准不确定度为:


2..2不确定度U(I2)的评定

由直流数字电流表校准证书得直流电流表的测量显示值不确定度为:Urel7.1×105,k=2可直接使用,所以,标准不确定度为:


2..3合成标准不确定度U(I)的计算

因压力变送器输出电流的实际值进行测量的各不确定度分量数量较少且相关,所以,直接采用绝对值合成标准不确定度为:

U(I)=|U(I||U(I1||U(I2|0.001mA

2..不确定度U(In)的评定

0.05级活塞式压力计由检定证书得出其在满量程6.0Mpa时,最大允许误差为±0.003Mpa,即不确定度区间半宽值:α=±0.003Mpa,换算成标准电流得:α=±0.010mA,认为在区间是均匀分布的,所以,k=,标准不确定度为:


2.5合成标准不确定度

2.5.1


2.5.2合成标准不确定度的计算

因各不确定度分量彼此独立,互不相关,所以,合成标准不确定度为:


2.5.3扩展不确定度U的评定与表述

用日常校准相一致的方法,取置信概率:p=95%(k=2)的扩展不确定度表示标准压力值3.0000Mpa时BL-Y203型压力变送器输出电流的实际值及其测量不确定度表述如下:

U=k×Uc=0.0060×20.012mA

即,标准压力值:3.0000Mpa;BL-Y203型压力变送器输出电流的实际值为12.009mA时:

U0.012mA;k=2

3示值校准方法扩展与不确定度的使用

标准压力为:3.0000Mpa时,压力变送器输出电流的实际值为:12.009mA的测量结果扩展不确定度为0.012mA,小于其最大允许误差绝对值(20mA×0.2%FS=0.0mA)的13,因此,本次测量选择的标准器合适,测量方法和过程可靠,对于其他测量点可直接按上述方法进行测量并进行测量不确定度评定。

4结束语

  笔者介绍了常用压力变送器的工作原理和特点,并结合多年的检测经验和数据积累,给出了一种压力变送器的电流输出值,校准结果的不确定度评价方法,希望能对从事压力变送器检定/校准工作的同志们有所借鉴和帮助。

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