安装压力传感器时要确保电磁兼容性

安装压力传感器时要确保电磁兼容性

电磁兼容性指的是电气设备在电磁环境下的运行。并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC现象对压力传感器的运行也起着负面的影响。在安装过程中对这些现象的了解是很有意义的,以提前避免电磁干扰(EMI)的出现。

在选择电气设备的安装位置时,也应考虑到EMC现象,特别是那些能耗高的设备。比如变频器,变压器,泵和发电机。

一般来说,EMC都是以不同的标准来制定的(比如EN61000)。压力传感器是否符合这些标准通常在制造商的产品参数中测试栏下显示。

与压力传感器有关的EMC现象

理想情况下,与EMC相关的典型问题在安装计划中已经被排除在外。安装后,电磁干扰可以通过意想不到的测量结果(真实性检查)或中断信号传输来识别。

根据我们的经验,干扰通常是由以下三种电磁兼容现象之一引起的,即电容耦合,电感耦合或电流耦合,下面简要描述。

电容耦合

当不同电位的导电体和基准导体彼此相互接近(毫米到厘米)安装时会产生电容耦合。因此,它是电荷从一个导体向另一个导体传递的跟距离有关的现象。

电容耦合会在测量时干扰模拟压力信号传感器的测量结果。压力传感器的输出信号受到干扰的,导致用户得到的压力数据不准确。

电感耦合

如果电导体安装接近,它们的磁场会叠加。当电流发生变化时,导体的磁场强度也会发生变化。规则就是:电流越大,磁场越强。磁场强度的突然变化表明导体中出现了电压干扰。 这种现象也会和电容耦合一起发生。由此产生的测量误差与上面的电容耦合部分所描述的类似。

电阻耦合

如果一些电路导电相连接或是使用相同的导体,就会发生电阻耦合。实际上,当高功率和低功率设备使用相同的电源时可以观察到这一点。设高功耗设备的电流变化会造成普通导体的电压降,并在低功耗设备的电路中产生噪音。这会导致模拟式压力传感器的测量误差。但是数字式测量设备很少发生这种现象。

模拟量和数字量压力传感器的电磁兼容性

模拟量和数字量压力传感器的电磁兼容性

关于电磁兼容性(EMC),具体应用的需求是决定性的。虽然我们生活在数字化时代,但这并不意味着“数字化”永远是最好的解决方案。这也同样适用于压力传感器。

模拟量压力传感器已经有150多年的历史了,是工业革命的产物。他们在很长一段时间里几乎没有的发展。现代化的生产过程生产了更稳定、更精确和更小的模拟压力传感器。在上个世纪后半期,数字量压力测量技术的出现并不能取代模拟式传感器。这样做有很好的理由:数字压力传送器不适合所有的应用。

数字量和模拟量压力传感器的对比

模拟设备的信号是通过模拟电流或电压信号传输的。最常用的就是4…20mA标准信号输出,接着是0…10v,再次是0.5…4.5V信号输出。压阻式压力传感器其压力是通过膜片的变形来检测的。膜片的变形导致了扩散电阻的电阻的改变从而形成了一个惠斯通电桥。这个电阻变化被转换成一个电子信号。通过模拟电路对零点和满量程误差进行补偿。

数字压力传感器使用诸如Modbus rs-485数字接口来传输测量值。因此,它们也被称为现场总线传感器。与模拟式压力传感器相反,电阻变化的电子信号是直接数字化的。典型误差的补偿,如温度误差的补偿是通过微处理器实现的。

什么时候选择模拟量压力传感器?

简短的对比表明,数字压力传感器有着许多的优点。它们同样也是很实用的:模拟量压力传感器发出的信号必须经过数字化才能被处理。如果测量值必须直接显示在显示器上,那么数字信号是一个优势。此外,当需要远程测量时,数字压力传感器是唯一的选择。在自动化控制系统中,当压力被用作控制变量时,数字仪表也同等重要。

数字和模拟压力传感器都能满足高精度的要求。然而,数字压力传送器有一个小的优势,特别是在高精度要求的应用中,因为所有的补偿都是纯数字的。然而,如果需要测量动态过程,模拟压力传感器通常是更好的选择。

尽管数字量压力传感器具有明显的优势,但它们的模拟设备仍然很有用。一方面,模拟量和数字量的区别也在于成本问题。如果你不需要数字测量仪器的优点,你也不应该为此付出额外的成本。然而,在某些情况下,这种经济考量并不是选择模拟式设备的唯一原因:大多数模拟量压力传感器选用的4…20mA标准信号输出基本不受电感耦合的影响。

电感耦合噪声也要考虑到

模拟量压力传感器 在磁场引起的高压噪声环境中通常是最安全的选择。尽管如此,在这样的环境中,这并不是完全摈除数字压力传感器的理由。当安装压力传感器时,预防措施可以防止或充分限制电感耦合造成的干扰。

以泵应用为例。当开启泵时,会产生一个瞬时的高电流从而产生一个相应的大的磁场。如果压力传感器的连接线与泵并联,那么它就在磁场的影响范围内。所引起的电压会干扰到压力传感器。

在本例中,建议在安装过程中仔细考虑连接线的位置。然而这并不适用于所有的应用。在这种情况下,电缆屏蔽应该被适当地接地以将干扰信号导入大地。(更多阅读请点击).

温度补偿,确保精度的关键

温度补偿,确保精度的关键

在选择合适的压力变送器的时候,对温度的了解是至关重要的。如果测量技术不能确保一定的温度补偿,将会出现严重的误差或其他风险。这也就要就用户需要提前知道他们特定应用中所需的温度范围。

这里需要考虑两个因素:介质温度和环境温度。这些数据都是非常重要的。介质温度是压力孔所接触到的温度。而环境温度则是指在应用中周围的环境温度并最终影响到电气连接。两种数值是不同的,每种都会产生不同的结果。

温度的重要性

压阻式压力变送器所采用的材质有一定的温度相关性。(了解更多关于压阻式压力变送器温度特性)。压力测量也会随着温度的变化而变化。因此,与温度相关的零点偏移和量程误差将会产生。简单来说,在25℃下10bar的压力值,如果在100℃的情况下进行再次测量将会得到不同的压力值。对于查看数据的用户来说,这意味着当温度补偿本身不足时,再高精度也几乎是没什么用处的。

除了避免严重的测量误差外,测量仪器的机械部分也与所处的温度相关。这主要影响到诸如电气连接和用于传送测量值的电缆等部件。很少有标准部件可以单独经受100℃以上的温度。这会导致电缆插座和电缆本身融化甚至着火。除了测量精度,温度也会对操作安全性造成一定的影响。

幸运的是,用户不需要担心这些风险,因为压力传感器可以根据不同的温度条件进行优化-一方面通过温度补偿,另一方面使用额外的冷却部件和特殊的耐热材料。

温度误差可以避免

压力传感器制造商采用温度补偿的方法。STS 压力传感器,举个例子,把0 °C 到 70 °C做为标准温度范围进行优化。温度值偏离标准温度越大,产生的测量误差也越大。在0 °C 到70 °C进行优化的测量仪器却应用在100℃的温度情况下,将不可能达到它所期望的精度值。这样的情况下,必须把传感器温度补偿在100℃左右校准。

有两种温度补偿方式:

  • 被动补偿:与温度相关的电阻在惠斯通电桥上进行补偿。
  • 主动补偿(多值补偿): 在加热箱里,压力值随着温度的不断升高而产生。然后再与校准标准比较。由此确定的温度系数将会被输入到压力传感器的电子元件中,而实际操作中的温度误差将会得到“主动”补偿。

主动补偿仍然是首选方式因为它会得到最精确的结果。

另一方面,温度补偿本身有它的局限性。正如前面所述,温度影响的不仅仅是压力传感器的精度。测量芯体的机械部件也会承受高达150℃的高温。在这种高温下,接触面和焊接点会变得不牢固,传感器本身也会遭受到损害。如果需要应用在极高的介质温度下,则需要用到额外的冷却元件来确保传感器的正常功能。

极高介质温度下的冷却元件

为了避免压力传感器遭受高温度的损害,根据应用和所处温度范围,可采用四种方式。

A:介质温度150℃左右

在这种情况下,在测量芯体和放大器之间安装一个散热片。这是将电子元件和实际应用隔离的关键,因此他们不会遭受到高温度的损害。

B:温度高于150℃

如果介质温度非常高,在压力孔安装一个冷却元件(例如在两侧安装散热片)。这样压力孔会接触到的是冷却后的介质。这些散热片对于传感器的精度没有任何的影响。然而,如果介质是热蒸汽,就需要采用虹吸管来代替散热片作为冷却元件。

C:超高温度(高达250℃)

当介质温度极其高的时候,可以使用保护冷却区的前置隔离系统。然而这种方式体积较大会对精度起到负面影响。

带前置隔离器和冷却系统的压力传感器,可应用于温度高达250度的介质

D:加热柜或恒温恒湿箱的特殊应用

当需要在温度高达150℃的加热柜里测量压力时,压力传感器的电子元件在这种高温下不可能不受到任何损害。在这种情况下,只有把测量芯体(带压力孔和不锈钢壳体)安装在柜子里,并通过一根耐高温的FEP电缆连接到外部的远程电子设备上。

总结:产品咨询是十分重要的

压阻式传感器的精度受到温度条件的影响。压力孔上的温度可以通过被动或主动的补偿,在预期的温度范围内满足精度的要求。此外,环境温度对测量仪器中的机械元件的影响也要考虑在内。使用前置安装的冷却元件和耐热材质,也可以使得一切在控制之内。因此,用户应该始终信赖制造商提供的专业的建议并确保压力传感器在他们自己特定的应用中能得到最大的优化。

压力传感器的校准

压力传感器的校准

由于机械、化工或热力影响,测量装置的精度会随着时间的变化而变化。这种老化过程是正常但又不能被忽视的。因此,通过校准来识别这些变化至关重要。

压力表的校准是十分重要的。一方面它是遵循已建立标准如ISO9001. 另一方面,制造商也获得了非常具体的收益,比如工艺改进和节约成本(如采用一些合适的原材料)。这是很有价值的,因为尼尔森研究公司2008年的一项研究表明,对生产企业进行问题产品校准的成本平均每年170万美元。在某些行业,如化工,持续的和无误的校准通常也是跟安全息息相关的。

定义:校准,调试和验定

校准,调试和验定通常被认为是同义词。然而,这三种术语包含着显著的差异。校准-测量仪器的测试数据和标准值之间的比较。这里的标准是一个参考设备,精度是一定的。通过测量比较,每一个测量装置都必须能够通过一系列的比较测量来和国家标准做对比。对于初级标准来说,这意味着在校准层级的顶端,净重试验器通常被用于压力计(也就是活塞式压力计),在国家研究所和校准实验室中使用。

在调试过程中(也称为校准),对测量装置进行干预以最大程度降低测量误差。这里的目的是为了调整因老化产生的误差。因此,调试通常会先于校准而在测量设备上进行直接干预。在调试之后,还会进一步进行校准,以检查和记录该修正。

验定涉及到一种特殊的校准形式。应用在法规强制的设备测试中。当测量的精确性存在于公众利益时总是这样的。同样也适用于当测量结果对产品价格有直接的影响时。比如安装在加油站里的流量计。在德国,验定是国家度量衡办公室和国家认可的测试中心的职责范围。

压力表的校准:标准及要求

在校准前,必须首先确定测量装置的实际校准能力。德国标定服务(DKD)出台了针对压力计校准的DKD-R 6-1指令。当校准机械压力计时,DKD规定了一系列的测试,分为:外部检验(包括对损坏,污染和清洁度的目测和标签)和功能检测(校准设备的完整性,电气功能,控制元件的完好性)。

在下一章DKD-r 6-1指令介绍中,DKD指出了校准的环境条件,校准是在稳定的环境温度下进行的。另外,如果它是在测量仪器本身的实际操作条件下进行的那么这种校准将是最佳的。

压力表的校准:

一旦校准能力确定并且环境条件适宜,那么就可以进行校准了。压力计应该在这里作为一个整体(测量链)进行校准,同时也要考虑到规定的安装位置。

DKD的DKD-r 6-1指令中,对不同的精度等级进行了不同的校准周期。这时候,我们将规定我们的校准周期A的精度等级 <0.1。这个校准周期也是最广泛的。

DKD-R 6-1 的校准序列

当校正精度等级为A时,DKD在实际测量序列执行之前,规定了3个满量程范围。在每个范围内,最大压力必须保持30秒才能完全释放。

接下来,在测量范围内均匀分布的9个点是通过持续增加的压力达到的。零点认为是第一个测量点。目标测量点必须从下面达到。因此,压力增加只能缓慢的进行。如果目标点被覆盖,那么由此产生的滞后性会造成结果的不准确。在这种情况下,必须大幅降低压力,以便从低于测量点的地方到达。一旦达到了这个值,这个值必须在实际读取之前至少保持30秒。

然后对所有剩余的测量点重复这个过程。但最后一个测量点有一个特性,因为它保持了两分钟然后重新阅读并记录下来。

一旦完成,第一个序列的第二个阶段就可以开始了。 这个情况是相反的,它是从上到下达到各个测量点。这里的压力应该是慢慢减小的所以这一次的目标值没有被低估。第二个测量序列以零点结束。

第二个测量序列可以在测量仪器在一个无压力状态持续三分钟后开始。在单个测量点上,重复压力升高和降低的循环。

 根据DKD-R 6-1指令的校准序列A

压力传感器的内部校准

在大多数工业应用中,由专业实验室进行校准是不必要也不实用的。对于现场压力计的校准,推荐使用便携式压力校准仪。它们不像净重试验器那么精准但是也足够满足校准要求了。在这些手持设备中,工作标准和压力生成结合在一起。当校准一个压力传感器时,一旦传感器和测试设备的电气和压力接头连接时,阀门开启,开始零点校准。单个压力测量点能够用集成泵控制。由此产生的电子信号通过综合的数据记录器进行测量和存储,然后在PC上读出数据。

压阻式压力变送器的热特性

压阻式压力变送器的热特性

压敏式压力变送器的灵敏度极佳,可以测量最轻微的压力。 然而,所使用的材料表现出相当高的温度局限性,这一点仍需被改进。

压阻式压力换能器的表现根据温度而改变。 虽然温度相关零点偏移是不言而喻的,并且可以由操作者容易地识别和检查,但是灵敏度和线性的温度相关的改变不太明显,并且因此经常被忽视。

零点偏移的原因

  • 零偏移的原因是多种效应的总和
  • 在硅芯片上的测量桥处的不同电阻值
  • 测量桥中各个电阻的温度系数变化
  • 采用一种质地不均的、涂着氧化硅层的硅膜(变化的膨胀系数)
  • 当将测量单元安装在载体(芯片,玻璃,玻璃引线)上时产生的机械张力
  • 与钢膜刚度相关的油膨胀(这是为什么油体积在膨胀元件中最小化到仅仅几μL)

根据压力传感器的结构和压力范围本身,每个部件的效果具有相当大的意义。 实际上重要的不是热零点偏移实际上是由什么组成的,而是它可以如何良好地改善。 这里希望的是获得尽可能大的温度范围内的线性响应。

多项式补偿的最佳结果

线性也随温度变化。 当这样的温度效应被考虑并补偿时,这通常仅在换能器响应的完全数学建模的意义上是有意义的和可能的。 该数学模型精确地描述了换能器的全部压力和热特性。 然而,为了能够应用该数学模型,需要计算机或数字补偿方法。

在STS,这是通过多项式补偿在我们的OCS产品中实现的。 用于水监测的 DL.OCS/N/RS485 数据记录仪的压阻式压力变送器的精度为0.03%FS,在-5 … + 50°C的温度范围内进行精度为0.05%FS 的多项式补偿。

STS的大多数压力传感器都是作为标准工作温度从-0°C至70°C优化的 – 在大多数应用中实现精确结果的最佳温度范围。 然而,在一些情况下,当针对从任何特定应用产生的温度条件预先优化传感器时,是有利的。 因此,STS专门在最短的时间范围内提供专用压力传感器。