洛丁森技术研发视角:差压变送器的静压影响分析(上)

2020-07-27

       以下是洛丁森技术研发中心对于差压变送器的静压影响的论述,欢迎各位阅读。                             

        1.引言                

       差压变送器在线性校准时,通常是在负压室通大气的条件下进行的。也就是说静压为1个大气压,但是一旦安装到现场实际使用时,往往会在正负压室加上一定的工作压力,此时会发现零位产生了偏移,满位输出也出现一定的偏移(满位偏移一般要通过与标准仪器比对读出)。这种当加上工作静压,导致变送器的零位和满位输出与大气校验时的零位和满位发生偏移的称为静压影响误差。
       2.静压影响对变送器性能的影响和现场举例
       差压变送器的静压误差直接影响到其综合精度。差压变送器的综合精度(%)一般有3个因素组成,它们是精度(%)、环境温度变化影响(%/30o)、静压变化影响(%/7MPa)。它们的计算公式为:

       

        由此可见,静压误差对差压变送器的综合精度来说,是一个非常重要的因素。
        这点,洛丁森在各个实际的应用工况中也得到了印证。
        比如,差压变送器应用到孔板流量检测的现场应用的时候,在管道内部装上孔板或喷嘴等节流件,由于节流件的孔径小于管道内径,当流体流经节流件时,流束截面突然收缩,流速加快。经节流件后,后端流体的静压力降低,于是在节流件前后产生了静压压差,该静压压差与流体的流量之间有确定的数值关系、符合Q=K。     用差压变送器测量节流件前后的差压,实现对流量的测量。

        见图1所示:

       

       当应用在电厂测高压蒸汽流量时,如果对静压影响不作校正或补偿,将会给流量测量带来较大误差,尤其是在相对流量较小时,影响更可观。例如一台金属电容型差压变送器同节流装置一起组成差压式流量计,在32MPa工作静压条件下其满量程静压误差为≤±2%FS ,虽然其零位误差,可以通过调零来消除,但是满位输出误差总是无法避免的,因此此误差直接影响流量的测试,并且影响量很大。在这种应用工况下,差压变送器的静压性能显得尤为重要,如果静压误差经过补偿,或其本身静压误差极小,则其测量精度将会得到大幅提高。

      3 金属电容传感器静压影响产生的原因

     金属电容式传感器是一种结构型传感器,它的静压影响尤其突出。这与其本身的结构特点有关。
     工作原理介绍:
     介质压力通过隔离膜片和硅油传递给位于“δ”室中心的测量膜片,测量膜片随它两边的差压而变形。测量膜片的位移,与差压成正比,最大位移为0.1mm。由它两侧的电容极板检测,再经电子转换线路把测量膜片和电容极板之间的差动电容转换为二线制4~20mADC输出信号。

       

        3.1静压影响产生的原因一
       从图2、图3可以看出金属电容式是两边受压,压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。
       从图4金属电容式传感器简化后的应力分布图和挠度变化图上可以看出,传感器内部的压力从中心向四周方向分布, X方向的应力得到全部抵消,但是Y方向的应力q全部加在了传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因,越靠近中心,结构越单薄,传感器的抗压能力越差,尤其是中心膜片处,结构强度最为薄弱。在高压静压下,中心点处产生一个最大的挠度f。结果就是,在高静压下中心隔离膜片向外的涨紧力增加,膜片的绷紧程度相对工作静压为零时,得到加强。并且工作静压越大,其绷紧的程度越大。
       在绷紧力增加的状况下,中心膜片随差压的位移就会变小,再经电子转换线路把测量膜片和电容极板之间的差动电容转换为二线制4~20mADC输出的信号也同样变小。最终导致测量误差的产生,静压影响误差的出现,并且静压影响绝对误差与所加的工作静压有一定的线性关系,工作静压越大,其量程的静压误差就越大。
       至于零位的静压误差,则表现为方向不确定,这主要与焊接应力和传感器的个性相关,不具有规律性。

       

     3.2 静压影响产生的原因二
     从图5可以看出,当对传感器两侧施加静压时,金属电容式的两侧曲面坐同时受压。而曲面坐由金属和玻璃组成,在外力作用下,会产生微小变形。因此其两侧曲面坐的厚度L1和L2随着静压力P的增大而线性缩小。从而,导致两侧电容极板的极距H1和H2增大。
     根据电容的定义,对于平行板电容器的电容为: C=εo × S / H

     因此,当电容的极距H增大后,传感器的两级电容C1、C2将变小。根据电容传感器的工作原理,由电子转换线路把测量膜片和电容极板之间的差动电容转换为二线制4~20mADC的输出信号也随之变小。最终导致测量误差的产生,静压影响误差的出现,并且静压影响绝对误差与所加的工作静压有一定的线性关系,工作静压越大,其量程的静压误差就越大。


      从以上静压影响产生的两个原因分析,金属电容传感器在工作静压的影响下,不可避免地会产生测量漂移误差,对于满位的漂移和工作静压存在一定的线性关系,对于零位的漂移则具有方向不确定性。

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