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洛丁森技術(shù)研發(fā)視角:差壓變送器的靜壓影響分析(上)

2020-07-27

       以下是洛丁森技術(shù)研發(fā)中心對(duì)于差壓變送器的靜壓影響的論述,歡迎各位閱讀。                             

        1.引言                

       差壓變送器在線性校準(zhǔn)時(shí),通常是在負(fù)壓室通大氣的條件下進(jìn)行的。也就是說(shuō)靜壓為1個(gè)大氣壓,但是一旦安裝到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí),往往會(huì)在正負(fù)壓室加上一定的工作壓力,此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)零位產(chǎn)生了偏移,滿位輸出也出現(xiàn)一定的偏移(滿位偏移一般要通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器比對(duì)讀出)。這種當(dāng)加上工作靜壓,導(dǎo)致變送器的零位和滿位輸出與大氣校驗(yàn)時(shí)的零位和滿位發(fā)生偏移的稱為靜壓影響誤差。
       2.靜壓影響對(duì)變送器性能的影響和現(xiàn)場(chǎng)舉例
       差壓變送器的靜壓誤差直接影響到其綜合精度。差壓變送器的綜合精度(%)一般有3個(gè)因素組成,它們是精度(%)、環(huán)境溫度變化影響(%/30o)、靜壓變化影響(%/7MPa)。它們的計(jì)算公式為:

       

        由此可見(jiàn),靜壓誤差對(duì)差壓變送器的綜合精度來(lái)說(shuō),是一個(gè)非常重要的因素。
        這點(diǎn),洛丁森在各個(gè)實(shí)際的應(yīng)用工況中也得到了印證。
        比如,差壓變送器應(yīng)用到孔板流量檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的時(shí)候,在管道內(nèi)部裝上孔板或噴嘴等節(jié)流件,由于節(jié)流件的孔徑小于管道內(nèi)徑,當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí),流束截面突然收縮,流速加快。經(jīng)節(jié)流件后,后端流體的靜壓力降低,于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓壓差,該靜壓壓差與流體的流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系、符合Q=K。     用差壓變送器測(cè)量節(jié)流件前后的差壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。

        見(jiàn)圖1所示:

       

       當(dāng)應(yīng)用在電廠測(cè)高壓蒸汽流量時(shí),如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償,將會(huì)給流量測(cè)量帶來(lái)較大誤差,尤其是在相對(duì)流量較小時(shí),影響更可觀。例如一臺(tái)金屬電容型差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì),在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2%FS ,雖然其零位誤差,可以通過(guò)調(diào)零來(lái)消除,但是滿位輸出誤差總是無(wú)法避免的,因此此誤差直接影響流量的測(cè)試,并且影響量很大。在這種應(yīng)用工況下,差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要,如果靜壓誤差經(jīng)過(guò)補(bǔ)償,或其本身靜壓誤差極小,則其測(cè)量精度將會(huì)得到大幅提高。

      3 金屬電容傳感器靜壓影響產(chǎn)生的原因

     金屬電容式傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器,它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
     工作原理介紹:
     介質(zhì)壓力通過(guò)隔離膜片和硅油傳遞給位于“δ”室中心的測(cè)量膜片,測(cè)量膜片隨它兩邊的差壓而變形。測(cè)量膜片的位移,與差壓成正比,最大位移為0.1mm。由它兩側(cè)的電容極板檢測(cè),再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測(cè)量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4~20mADC輸出信號(hào)。

       

        3.1靜壓影響產(chǎn)生的原因一
       從圖2、圖3可以看出金屬電容式是兩邊受壓,壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內(nèi)部中心膜片上。
       從圖4金屬電容式傳感器簡(jiǎn)化后的應(yīng)力分布圖和撓度變化圖上可以看出,傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布, X方向的應(yīng)力得到全部抵消,但是Y方向的應(yīng)力q全部加在了傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因,越靠近中心,結(jié)構(gòu)越單薄,傳感器的抗壓能力越差,尤其是中心膜片處,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高壓靜壓下,中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)最大的撓度f(wàn)。結(jié)果就是,在高靜壓下中心隔離膜片向外的漲緊力增加,膜片的繃緊程度相對(duì)工作靜壓為零時(shí),得到加強(qiáng)。并且工作靜壓越大,其繃緊的程度越大。
       在繃緊力增加的狀況下,中心膜片隨差壓的位移就會(huì)變小,再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測(cè)量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4~20mADC輸出的信號(hào)也同樣變小。最終導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生,靜壓影響誤差的出現(xiàn),并且靜壓影響絕對(duì)誤差與所加的工作靜壓有一定的線性關(guān)系,工作靜壓越大,其量程的靜壓誤差就越大。
       至于零位的靜壓誤差,則表現(xiàn)為方向不確定,這主要與焊接應(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān),不具有規(guī)律性。

       

     3.2 靜壓影響產(chǎn)生的原因二
     從圖5可以看出,當(dāng)對(duì)傳感器兩側(cè)施加靜壓時(shí),金屬電容式的兩側(cè)曲面坐同時(shí)受壓。而曲面坐由金屬和玻璃組成,在外力作用下,會(huì)產(chǎn)生微小變形。因此其兩側(cè)曲面坐的厚度L1和L2隨著靜壓力P的增大而線性縮小。從而,導(dǎo)致兩側(cè)電容極板的極距H1和H2增大。
     根據(jù)電容的定義,對(duì)于平行板電容器的電容為: C=εo × S / H

     因此,當(dāng)電容的極距H增大后,傳感器的兩級(jí)電容C1、C2將變小。根據(jù)電容傳感器的工作原理,由電子轉(zhuǎn)換線路把測(cè)量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4~20mADC的輸出信號(hào)也隨之變小。最終導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生,靜壓影響誤差的出現(xiàn),并且靜壓影響絕對(duì)誤差與所加的工作靜壓有一定的線性關(guān)系,工作靜壓越大,其量程的靜壓誤差就越大。


      從以上靜壓影響產(chǎn)生的兩個(gè)原因分析,金屬電容傳感器在工作靜壓的影響下,不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量漂移誤差,對(duì)于滿位的漂移和工作靜壓存在一定的線性關(guān)系,對(duì)于零位的漂移則具有方向不確定性。

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