絕壓變送器的零點(diǎn)調整與分析

摘要：首先分析了絕壓變送器的結構原理、使用環(huán)境、人為調試等方面影響產(chǎn)生零位漂移的現象;然后研究了不同量程的絕壓變送器在進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)產(chǎn)生的線(xiàn)性誤差;最后，針對小量程絕壓變送器校準過(guò)程中由于設備真空度不足造成的線(xiàn)性差問(wèn)題，提出了采用“分子泵-機械泵”雙級泵真空系統來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)調整的方法。
0引言
      壓力變送器是一.種將壓力轉換成氣動(dòng)信號或電動(dòng)信號進(jìn)行控制和遠傳的設備。它能感受壓力并將壓力信號轉變?yōu)榭蓚魉偷臉藴瘦敵鲂盘?，?~20mA電流信號或1~5V電壓信號。壓力變送器因其具有工作可靠、精度等級高、性能穩定、抗干擾能力強和測量信號傳輸距離遠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現場(chǎng)得到了廣泛的使用。壓力變送器根據壓力類(lèi)型可以分為表壓變送器、差壓變送器和絕壓變送器。
表壓力是指高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差，或者相對將大氣壓作為零壓力就稱(chēng)為表壓力。.一般壓力表，若無(wú)特殊裝置，其零點(diǎn)壓力實(shí)際就是當時(shí)的大氣壓，表壓力常用pe表示。
差壓是指兩個(gè)壓力之間的差值，或者是以大氣壓力以外的任意壓力作為零點(diǎn)所表示的壓力,用Pg表示。
差壓是指兩個(gè)壓力之間的差值，或者是以大氣壓力以外的任意壓力作為零點(diǎn)所表示的壓力，用P。表示。
      絕對壓力(簡(jiǎn)稱(chēng)絕壓)是相對于絕對真空所測得的壓力，即從完全的零壓力開(kāi)始所測得的壓力。.它是液體、氣體或蒸汽所處空間的全部壓力，也叫不帶條件起算的全壓力。-.般用p?；蛘遖bs表示絕對壓力。.
      從結構上來(lái)說(shuō)，表壓和差壓變送器的低壓室膜片直接與大氣接觸，處于大氣壓環(huán)境時(shí)即為其壓力零點(diǎn)。輸出信號為4~20mA的表壓或壓變送器在大氣壓環(huán)境中的理論輸出電流值(簡(jiǎn)稱(chēng)理論輸出值)為4mA。該類(lèi)變送器在校準過(guò)程中若出現零點(diǎn)漂移現象，可利用調整工具在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行零點(diǎn)調整。對于輸出信號為4~20mA的絕壓變送器，其在真空狀態(tài)下的理論輸出值才為4mA，而現實(shí)條件下完全真空是不可能實(shí)現的。因此，在實(shí)際校準過(guò)程中對絕壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)，應該考慮系統真空度對其零點(diǎn)產(chǎn)生的影響。
1絕壓變送器的零位漂移
      在分析歷年來(lái)客戶(hù)送檢變送器的校準數據時(shí)發(fā)現，相對于表壓與差壓變送器，絕壓變送器更容易.產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，有的甚至在周期檢定時(shí)輸出值已嚴重超差。例如，分析某核電公司每年周期送檢的大量ROSEMOUNT的3051系列變送器數據時(shí)發(fā)現，對于該系列的表壓和差壓變送器，其周期穩定性較好，零位漂移較小，測量誤差與回程誤差均在允許范圍.內;而反觀(guān)該系列的絕壓變送器，往往零位漂移嚴重，偏差較大。分析其原因，主要有以下幾點(diǎn):.
1)測量原理與結構方面，3051系列的壓力變送器工作時(shí)，介質(zhì)壓力通過(guò)變送器高、低側的隔離膜片和灌充油傳遞到δ室中心的測量膜片，該測量膜片是一張緊的彈性元件，用于檢測作用在測量膜片.上的差壓。測量膜片的位移與差壓成正比。測量膜片的位置由它兩側的電容固定極板通過(guò)直接數字電容電路檢測出來(lái)，如圖1所示。
對于表壓和差壓變送器，大氣壓如同時(shí)施壓在傳感膜片的低壓側，在高壓側無(wú)壓力作用下，膜片兩端為對稱(chēng)結構，容易實(shí)現壓力平衡。但是,對于絕壓變送器，其低壓側始終保持一個(gè)參考壓力(即高真空基準室),這樣傳感器膜片兩端為非對稱(chēng)結構，也就是無(wú)論參考腔體漏氣還是材料變形等因素均會(huì )導致零位變動(dòng)，即發(fā)生零位票移

2)使用現場(chǎng)環(huán)境影響
      絕壓變送器的穩定性受溫度影響較大。例如，核工廠(chǎng)內的冷卻水管道上使用的變送器，往往接觸介質(zhì)的溫度可達100℃。當這些絕壓變送器在高溫、真空狀態(tài)下工作時(shí)，腔體內的隔離膜片因真空而外鼓，于是密封系統內的壓力降低，填充液黏度隨著(zhù)下降，從而導致硅油的揮發(fā)性增強，沸點(diǎn)降低，熱膨脹性增強，出現硅油部分氣化、體積膨脹，使隔離膜片變形，進(jìn)而產(chǎn)生零位漂移。而當這些儀表送進(jìn)計量實(shí)驗室進(jìn)行周期檢定時(shí)，應在JJC882--2004《壓力變送器》檢定規程中規定的環(huán)境條件進(jìn)行計量檢定，并應按照檢定規程的要求對變送器的零點(diǎn)進(jìn)行調整。
3)使用人員的錯誤調整
     分析原因發(fā)現，10MPa量程的絕壓變送器在大氣壓環(huán)境下(標準大氣壓為101.321kPa)的理論輸出值為4.162mA,接近于4mA,這時(shí)，很多檢修人員會(huì )誤把這批變送器當作表壓變送器處理，在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn):行清零操作而導致這些變送器在“真空狀態(tài)”的實(shí)際輸出值會(huì )低于理論輸出值。相對“零點(diǎn)”調整的誤操作，有些企業(yè)常常會(huì )對絕壓變送器的滿(mǎn)量程進(jìn)行錯誤調整。例如，量程為0~100kPa、4~20mA輸出的絕壓變送器，其在100kPa絕壓下的理論輸出值應為20mA,若在當地大氣壓為102kPa時(shí)，其理論輸出電流應為20.32mA。當檢修人員發(fā)現這些變送器的輸出電流高于20mA時(shí)，會(huì )誤在大氣壓狀態(tài)下對該表進(jìn)行滿(mǎn)量程電流調整，致使該變送器量程擴大，也對其零位電流產(chǎn)生了影響。
2絕壓變送器校準過(guò)程中的零點(diǎn)調整
      目前，對絕壓變送器采用壓力控制器配合機械泵的方法進(jìn)行檢定與校準，見(jiàn)圖2所示。

      采用FLUKEPPC4壓力控制器作為壓力標準器，其量程為0~110kPa,最大允許誤差為土0.01%。機械泵采用EDWARDS的RV5系列，極限壓力為3Pa。在使用該套設備對絕壓變送器進(jìn)行檢定和校準時(shí)發(fā)現，由于各連接管路線(xiàn)路較長(cháng)且無(wú)法實(shí)現線(xiàn)路的完全密封，實(shí)際使用過(guò)程中系統極限壓力僅能穩定在絕壓50Pa左右。
      在對壓力變送器進(jìn)行測量誤差項目的校準時(shí)，.依據JJG882--2004中6.2.3.3條的規定進(jìn)行操作:檢定前，用改變輸入壓力的辦法對輸出下限值和上限值進(jìn)行調整，使其與理論的下限值和上限值--致。一般可以通過(guò)調整“零點(diǎn)”和“滿(mǎn)量程”來(lái)完成。由于設備的局限性，日常檢定校準工作中，只能以50kPa真空度作為絕壓零位對絕壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)調整。在對一系列不同量程的絕壓變送器調整過(guò)程中發(fā)現:按照同樣方法調校大量程絕壓變送器(一般指絕壓變送器量程大于大氣壓)最終測量誤差滿(mǎn)足精度要求，線(xiàn)性合乎標準。但是對于小量程絕壓變送器(一般指絕壓變送器量程小于大氣壓),其.線(xiàn)性與精度往往不符合要求。
      分析原因可以發(fā)現，對于大量程絕壓變送器，如對精度等級0.1級、測量范圍0~100kPa的絕壓變送器進(jìn)行校準時(shí)，當系統抽到真空50Pa時(shí)，此時(shí)該絕壓變送器理論輸出電流為4.008mA,如以此為絕壓零位，將絕壓變送器輸出值調整為4mA,再加壓至絕壓100kPa,將輸出值調整為20mA。調校成功后依據檢定規程對其輸出值進(jìn)行校準，發(fā)現測量誤差和線(xiàn)性均符合要求。分析可知，對于0.1級,測量范圍為0~100kPa、輸出值為4~20mA的絕壓變送器，其輸出的最大允許誤差為0.016mA。在使用真空系統對其進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)，舍去的0.008mA.在其誤差允許范圍內，因此，以絕壓50Pa為絕壓.零位調零，不會(huì )對其線(xiàn)性產(chǎn)生影響。但是，對于小量程絕壓變送器，如對精度等級0.1級、測量范圍為0~40kPaabs的絕壓變送器進(jìn)行檢定時(shí)，當壓力穩定在絕壓50Pa時(shí)，絕壓變送器理論輸出值為4.020mA，該電流值大于絕壓變送器的最大允許誤差值0.016mA。因此，調零舍去的電流值會(huì )對其測量誤差造成影響，導致絕壓變送器測量誤差超差。
      另外，JJG882--2004中6.2.3.3條規定，絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力應盡可能小，由此引起的誤差應不超過(guò)允許誤差的1/20~1/10。對于4~20mA輸出的0.1級絕壓變送器，其允許誤差為±0.016mA,按照該條規定，零點(diǎn)絕對壓力引起的誤差應不超過(guò)士(0.0008~0.0016)mA,而對于目前實(shí)驗室使用的校準系統，其50Pa的極限真空度所引起的誤差已經(jīng)遠遠超過(guò)了規程規定的絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力誤差要求。因此，想要使用該系統對絕壓變送器零點(diǎn)調整，必須進(jìn)行改進(jìn)。
3解決辦法
      為保證絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力盡可能小,一種方法是使用真空泵對變送器進(jìn)行直接抽壓，如圖3所示。

      該方法可以避免氣路過(guò)長(cháng)和控制器等產(chǎn)生的泄露對機械泵真空度的影響，使用機械泵對絕壓變送器直接抽壓。輸出電流恒定不變時(shí)，可認為此時(shí)壓力穩定在了真空泵的極限壓力處，可以進(jìn)行零點(diǎn)調.整。該方法避免了系統不必要的泄漏對真空度的影響,但由于系統連接管路細且短,其真空難以穩定,且無(wú)法顯示系統實(shí)時(shí)真空值，因此，實(shí)際校準過(guò)程中無(wú)法使用該方法。
      為了保證系統可以穩定在較小的真空度并可以實(shí)時(shí)顯示，在結合真空校準的基礎上，提出使用“分子泵-機械泵”雙級泵真空系統來(lái)實(shí)驗絕壓變送器的零點(diǎn)調整與低值讀取。具體設計原理如圖4所示

      被檢絕壓變送器安裝完畢后，進(jìn)行抽真空操作,開(kāi)啟機械泵及相應閥門(mén),低真空計顯示20Pa以下后，打開(kāi)電磁閥，啟動(dòng)分子泵;低真空計顯示0.1Pa以下時(shí)開(kāi)啟高真空計查看真空度;該設備結合真空計量的方法，可以實(shí)現機械泵與分子泵的轉換，并實(shí)時(shí)顯示系統真空度，采用薄膜真空計作為標準器，可以通過(guò)校準溯源至真空標準，進(jìn)而完成低真空度下絕壓變送器的零點(diǎn)調整。
4結語(yǔ)
      絕壓變送器在實(shí)際使用過(guò)程中，由于環(huán)境因素、人為因素等影響，往往會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。因此，當絕壓變送器送至實(shí)驗室進(jìn)行校準時(shí)，常常需要零點(diǎn)調整。本文在目前使用的壓力變送器校準裝置基礎上，分析了不同量程下絕壓變送器因零點(diǎn)調整產(chǎn)生的線(xiàn)性誤差影響。最后針對小量程絕壓變送器，提出了一種使用“分子泵-機械泵”雙級泵真空系統來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)調整的方法，取得了較好的實(shí)驗效果。