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压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业的用户得到的数据往往来源于制造商提供的样本信息。这里特别指的是精度信息。因此,专业术语的了解对综合评估特定压力测量仪器时是十分重要的。

关于精度, 无法给予一个标准的定义。因为,不受制于任何的标准。然而,这并不适用于与精度定义相关的术语,包括特性曲线,迟滞,非线性,非重复性和测量误差。下面我们将简要的解释这些术语。

特性曲线

特性曲线显示了输出信号(测量值)和输入信号(压力)的相互依存关系。在理想状态下,特性曲线是一条直线。

非线性

基准线和特性曲线的最大偏差(正或负)被描述为非线性。基准线本身有三种不同方式决定校准,最佳拟合直线(BFSL)和最佳零点调节。每种方式会得出不同结果,欧洲最常用的方式是极值点调整。这里的基准线贯穿了特性曲线的起始点和终点。

测量误差

测量误差或测量偏差,描述的是显示数值和“准确”数值的偏差。这里所谓的“准确”值是理想情况下的,在实际操作中只能通过标准条件下的高精度测量设备取得,诸如在校量过程中的基本标定方法。绝对误差通常使用和测量值相同的单位,而相对误差是相较于正确值,并且单位不是唯一的。

零点和量程误差

在传感器生产过程中,与标准参考设备会存在误差。测量范围起始点和终值的测量偏差被称之为零点和量程误差。量程误差指的是实际输出量程与规定输出量程之差。零点误差是目标基准线的理想零点和实际特性曲线真实输出值之间的差值。

在非承压状态下,用户可以轻易的读取零点误差值,为了消除它,用户必须输入一个补偿作为抵消到评估单元里。量程误差的消除是很难做到的,因为压力测量范围的上限必须要尽可能精准。

迟滞

显示值不仅取决于输入值(这里指压力),也取决于输入值之前的测量值。

如果把升压特征曲线和降压特征曲线做比较,可以观察到输出信号,尽管在相同的压力下,它们本身数值其实是不相同的。这两个特征曲线之间的最大偏差称之为迟滞现象,并以满量程的百分比来表示。

非重复性

即使在相同的条件下测量,压力变送器电子部分也会受到随机条件的影响,这是因为在连续测量的情况下,输出信号在相同的压力下是不同的。在同一方向上连续三次测量的最大偏差被称之为非重复性。用户所认可的可信赖的压力测量仪器是它的最小非重复性。

类似于迟滞现象,非重复性也是不可补偿的。

温度误差

温度的变化直接影响到压力传感器的特性。举个例子,应用在压阻式压力传感器中的半导体电阻,随着温度的增加而降低。 制造商通过平衡热特性来完善他们的产品。温度相关的误差要么通过传感部分直接补偿,或者在电路部分进行。一些设备还集成温度原件来补偿温度相关的误差。总之,误差只能被缩小而不能完全消除。有些制造商通过温度系数表达其他的一些温度误差。

过载压力-过压

超出的特定误差限值在过压范围内,那么压力传感器不会受到永久损害。

爆破压力

爆破压力指的是使压力传感器传导部分发生形变的压力,这会造成机械上的损坏。

长期稳定性

外在因素影响测量仪器。出于此原因,在经过多年的使用后特征曲线也会随之发生变化。长期稳定性(也是长期漂移)是制造商在实验室条件下确定的,并在数据表中以满量程的百分比按照年的单位表示出来。

然而设备的实际操作条件和测试条件有很大的不同。制造商之间的测试流程也是有很大不同的,这样使得数据之间相比较非常困难。一般情况下,建议压力传感器每隔一段时间做次校准必要时进行调整。

精度:曲线的不一致性

正如一开始所提到的, “精度“ 不是一个固定值。它偶尔也会有另外一种叫法,即“曲线的不一致性”。这是根据IEC 770所描述的最大总误差,包括线性偏差和迟滞,以及非重复性。因此,它是在测量范围的上限上偏离理想的特征曲线并以百分比表示。

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压力的物理值和各种形式的压力

压力的物理值和各种形式的压力

除了温度,压力是工业应用中最常测量的物理变量之一。然而,存在着不同的测量单位,不同形式的压力。下面我们会解释一些最基本的术语。

压强表述为受力(F)作用在表面(A)上,可以用公式表示为:

p = F/A

根据国际单位体系,压力命名为帕斯卡(Pa)。这个术语起源于法国数学家Blaise Pascal (1623-1662),并从米和牛顿的单位推导出:1 Pa = 1 N/m2

由于帕斯卡是一个很小的压力单位。因此在工业应用中,普遍使用单位bar。用来表示压力的单位由于应用的不同而不同。单位Pa应用于洁净室的压力测量,而气象学则采用hPa。另一方面,血压测量单位则采用mmHg。

下面的转换图清楚地显示了这些单独的单元是如何换算的。

Figure 1: 压力单位换算表

压力形式

对于用户来说,重要的是要能够区分不同形式的压力,以便选择合适的压力传感器

因此,在压力测量中,绝压、差压和相对压力的划分是至关重要的。

绝压

绝压是相对零压力而言。这指的是一个没有空气存在的空间,例如,在浩瀚的宇宙中,或者在一个理想的真空中。因此,所测压力总是大于参考压力。为了更好的区分其他压力形式,绝对压力以abs表示:Pabs

绝压传感器使用传感器元件内的真空作为参考压力,位于膜的另一侧。

除了气象应用外,绝压压力传感器也常常应用在包装行业(例如真空包装)。

Figure 2: 各种压力形式概述

 

相对压力(表压)

相对压力是一种以大气压力作为基准所表示的压力,以amb来表示。这是通过地球覆盖空气层所作用的压力。这种压力下降维持到大约500公里的高度(在这个高度内,绝对压力是占优势)。海平面上的大气压力相当于大约1013毫巴和波动的高、低压力条件百分之五。

与绝对压力传感器相反,相对压力传感器的另一侧保持与大气相通,以确保与大气压一致。除了相对压力外,过压这个术语也是常见的。当过压高于大气压力时,则称为正过压。如果不是这种情况,则表示负过压(以前,也使用真空这个术语)。

相对压力测量的一个实际例子是车辆的轮胎压力。如果在气压为1bar的基础上,向轮胎提供2bar相对压力,那么绝对压力就等于3bar。

差压

差压指的是任何两个压力之间的差值。因此,差压传感器带有两个压力连接处。

差压测量的一个应用案例就是封闭罐体内的静态压力测量。

更多信息请点击这里.

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。