← Назад к Категория измерения давления и контроля

Мир под давлением: измерения давления для перерабатывающей промышленности

Введение

Давление является вторым наиболее измеряемым параметром после температуры в перерабатывающей промышленности. Часто важно точно измерить, чтобы контролировать качество конечного продукта и быстро контролировать динамические процессы.

Другими важными соображениями являются сложные условия многих применений, требования безопасности при использовании во взрывоопасных средах и стоимость ведения записей калибровки. Выбор подходящих продуктов для измерения давления может быть сложным.

В этой статье рассматриваются различные доступные технологии и их преимущества, а также то, как эти преимущества производительности подходят для конкретных приложений.

Neculai Moisoi

Старший метролог, Друк

Ян Абб

Менеджер по промышленным продуктам, Druck

В этой статье также будут описаны типичные применения датчиков давления в перерабатывающей промышленности и проблемы, с которыми сталкиваются пользователи.

Основные типы датчиков давления

Индустрия датчиков давления претерпела бурное развитие после первоначального изобретения в 1938 тензодатчиков EE Simmons из Калифорнийского технологического института и AC Ruge из Массачусетского технологического института. Хотя доступно много форм-факторов, общий вид датчика давления представлен ниже.

Измерение давления

Рисунок 1: Типовой датчик давления с изолирующей диафрагмой

Типы по принципу восприятия

Пьезорезистивные датчики являются наиболее используемым типом датчиков, благодаря разнообразию применений, которым они соответствуют высоким уровням точности, и их обычно прочной конструкции.

Большинство пьезорезистивных датчиков основаны на мосте Уитстона на кремниевой подложке, где каждый резистор в мосте меняет свое значение в зависимости от приложенной деформации / давления, а затем этот сигнал может быть преобразован во множество электрических выходов.

Существует несколько приложений, где требуются параметры, выходящие за пределы возможностей пьезорезистивных датчиков, однако для большинства промышленных применений предпочтительными являются пьезорезистивные датчики.

Емкостные датчики также бывают самых разнообразных форм и форм, как правило, очень простых форм, где тонкая диафрагма представляет собой одну пластину конденсатора, а приложенное давление вызовет упругую деформацию / движение диафрагмы и, следовательно, изменение электрической емкости. ,

Благодаря высокой чувствительности они являются хорошими датчиками для измерения давления ниже, чем 20 мбар (20 гПа), но следует соблюдать осторожность, поскольку они, как правило, чувствительны к вибрациям и ударам.

Индуктивные датчики имеют аналогичный подход к емкостным датчикам, где чувствительная (упругая) капсула перемещает элемент сердечника внутри линейного переменного дифференциального трансформатора, следовательно, изменение индукции пропорционально приложенному давлению.

Большое разнообразие чувствительных капсул может использоваться с индуктивными датчиками; Это означает, что они могут использоваться для различных диапазонов, но следует соблюдать осторожность при наличии электрических помех и / или ударов и вибрации.

Резонансные датчики давления являются одними из самых точных кремниевых датчиков на рынке, и принцип их действия основан на изменении частоты резонатора, когда к нему прикладывается напряжение, обычно через кремниевую диафрагму, соединенную с концами резонатор.

Как правило, они представляют собой надежные датчики и имеют различные форм-факторы с различной степенью защиты от факторов окружающей среды. Однако их механический принцип может сделать их уязвимыми для механических волн, особенно если эти механические волны активируют различные частотные моды резонатора.

Типы по выводу

Основными двумя типами датчиков давления являются непрерывный выходной сигнал или дискретный (цифровой) выход.

Непрерывные типы - это mV, V, mA и Hz), и каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Имея это в виду, каждый должен быть выбран в зависимости от приложения и среды. В качестве примера, выходной сигнал в мВ желателен, если сигнал должен быть модифицирован в специальном приложении без необходимости отправлять его на большие расстояния, тогда как выходной сигнал V или выходной сигнал в мА могут быть отправлены на относительно большие расстояния, так как это менее вероятно получить влияние рабочей среды, чем выход мВ.

Цифровые датчики давления на выходе становятся все более популярными, поскольку их можно легко интегрировать в компьютеризированные системы, используя один и тот же набор проводов для нескольких датчиков (Modbus, Profibus, Canbus), и что их также можно использовать в конфигурации «подключи и работай» ( RS232, USB) или даже подключен без проводов (беспроводной, Bluetooth).

Датчики давления метрологические характеристики

Метрологические характеристики датчиков давления могут существенно отличаться от производителя к производителю, и очень важно понимать эти характеристики, чтобы гарантировать, что подходящий датчик выбран для предполагаемого применения.

С чисто метрологической точки зрения, некоторые параметры (например, повторяемость, точность, точность) имеют качественное определение, однако на протяжении многих лет они использовались в качестве количественных параметров, поэтому мы будем использовать их таким же образом. Ниже мы остановимся на основных метрологических параметрах:

Смещение сигнала

Смещение сигнала - это ошибка датчика при минимальном давлении (на рисунке 2 показано смещение сигнала для датчика давления с диапазоном от 0 до 1000 мбар и с выхода 0 до 5 V). С практической точки зрения важно знать, можно ли отрегулировать смещение датчика («обнуление»), так как многие датчики могут дрейфовать со временем, и была бы желательна возможность «обнуления».

Вместе с регулировкой смещения многие датчики имеют возможность регулировать диапазон (выход при максимальном давлении минус выход при минимальном давлении), что также поможет скорректировать дрейф во времени. Измерение и сброс таких смещений требует плана калибровки и технического обслуживания, чтобы гарантировать, что производительность остается в требуемых пределах.

Датчик манометрического давления 0-1000 мбар. Измерение давления

Рисунок 2: Смещение датчика давления

чувствительность

Чувствительность датчика - это отношение изменения выходного сигнала и изменения давления. Если мы рассмотрим график выше, где выход изменяется на 5 V, а давление изменяется на 1000 мбар, то чувствительность составляет 5 мВ / мбар. Это важный параметр для того, как мы будем использовать сигнал в приложении, а также для определения влияния электрических помех на работу датчика.

Точность

Точность - это, как правило, термин, используемый для описания поведения датчиков с точки зрения его повторяемости, погрешности линейности и гистерезиса сигнала. Традиционно некоторые производители использовали термин «точность» для описания этого параметра.

Однако, как правило, как бы ни назывался этот параметр, лучший подход - понять, каковы его составные части. Точность как параметр говорит нам не о том, насколько точно мы измеряем давление, а о том, как сами датчики ведут себя. Например - это повторяется? это линейно? есть ли гистерезис давления или температуры?

Повторяемость - это близость согласия между результатами последовательных измерений одного и того же давления, выполненных при одних и тех же условиях измерения за относительно короткий промежуток времени. Часто повторяемость определяется как стандартное отклонение повторных измерений или амплитуда (максимум - минимум).

Погрешность линейности определяется как разница между измеренным значением датчиком и теоретической линией (которая определяется либо как BSL - наилучшая посадка по прямой линии, либо TSL - посадка по прямой линии клеммы), которая предполагает линейное поведение датчика. На рисунке 3 представлена ​​ошибка линейности для случая BSL, и для характеристики датчиков выбирается максимальная ошибка (в качестве сценария наихудшего случая).

Датчик манометрического давления 0-2000 мбар. Измерение давления

Рисунок 3: Ошибка линейности датчика давления

Погрешность гистерезиса давления или температуры - это разница между двумя отдельными измерениями, проведенными в одной и той же точке, но одна, где значение увеличивается, и одна, где значение уменьшается. Размер гистерезиса варьируется в зависимости от технологии датчика давления и физической конструкции датчика.

датчик абсолютного давления 0-100 мбар. Измерение давления

Рисунок 4: Ошибка гистерезиса давления


общийВ общем, параметры 3, описанные выше, включены в одну спецификацию, которая определяет приемлемые пределы для точности (пример: точность составляет +/- 0.1% от полной шкалы).

точность

Точность должна быть связана с указанной ошибкой измерения, включая влияние систематической ошибки, случайной ошибки и дрейфа (в случаях, когда точность указана в течение определенного периода времени). Точность датчика давления или измерения получается как часть оценки неопределенности измерения и включает в себя множество факторов, включая стандартную и / или неопределенность проверяемого устройства (UUT), точность и т. Д. Оценка неопределенности измерения / калибровки требует специальных знаний, поэтому здесь мы сосредоточимся на том, как интерпретировать точность.

Каждое измерение должно иметь неопределенность измерения (либо путем указания точности в техническом паспорте, либо из-за неопределенности в сертификате калибровки). В большинстве случаев точность оценивается как расширенная неопределенность, которая предполагается следующей за нормальным распределением и коэффициентом покрытия = 2. Проще говоря, как в примере ниже: истинное значение измеренной величины x найдено с вероятностью 95% в пределах диапазона (xU, x + U).

Измерение давления

Рисунок 5: Представление точности для значения давления X


При сравнении точности с точностью для датчика давления: точность говорит нам о том, как датчик ведет себя, а точность (и она будет включать в себя факторы точности) говорит нам о том, насколько точны наши измерения или каковы границы, содержащие истинное значение измерения.

Долгосрочная стабильность (дрейф)

Долгосрочная стабильность инструмента часто определяется его противоположной величиной, а именно долговременным дрейфом, согласно следующим определениям:

  • Стабильность измерительного прибора - это свойство измерительного прибора, благодаря которому его метрологические свойства остаются постоянными во времени
  • Инструментальный дрейф - это непрерывное или инкрементное изменение во времени в показаниях, вызванное изменениями метрологических свойств измерительного прибора.

В большинстве случаев дрейф инструмента следует определенной математической модели с течением времени, но из-за различий между деталями для любой конкретной модели дрейф выражается в виде диапазона допусков, D = + / - 10 Па, следовательно это должно быть включено в общую точность инструмента.

Как правило, датчик давления проявляет некоторую форму дрейфа во времени, поэтому важно, чтобы системы были спроектированы с возможностью регулировки как для смещения, так и для смещения диапазона, а также чтобы была принята программа калибровки и технического обслуживания.

Влияние количества

Величины влияния - это любые внешние (т.е. не включенные во вход / выход) величины, которые могут влиять на работу датчика давления. Большую часть времени производители датчиков давления предоставляют диапазон величины влияния и ее влияния на метрологические характеристики датчика.

Влияние внешних факторов в основном дается в виде диапазона допусков, который следует учитывать при оценке точности прибора. Например, при рассмотрении влияния температуры для датчика давления величина воздействия (температура) определяется от -10 до + 50 ° C, а затем ее влияние определяется как диапазон допуска ± 0.75% от полной шкалы.

Величины воздействия и их влияние должны предоставляться производителями через их таблицы данных, и они различаются в зависимости от того, какой измеряемой величиной является тип датчика. Наиболее распространенными величинами влияния являются: температура, влажность, атмосферное давление, электромагнитные поля, вибрации, шум.

В зависимости от применения, указанные спецификации для влияющих величин должны быть тщательно изучены, так как в некоторых случаях вызванные эффекты намного превышают заявленную точность и / или точность.

Калибровка датчиков давления

В прошлые годы датчики давления выводились из системы, в которую они встроены, и калибровались в метрологической лаборатории. Однако это будет сопряжено с сопутствующими затратами, поскольку для предотвращения простоя потребуется установить запасные датчики, или система просто остановится, и ресурс будет недоступен, пока датчики не будут возвращены из калибровки / тестирования.

В наше время большинство датчиков калибруются «на месте» с использованием калибраторов давления, некоторые из которых способны одновременно генерировать и измерять давление и выходной сигнал (в мВ, В, мА и т. Д.). Кроме того, многие из калибраторов могут оценивать неопределенность калибровки (часто называемую «точностью») и автоматически сохранять / передавать данные через систему управления данными.

Всегда желательно иметь такую ​​систему, так как она надежно хранит все данные калибровки, что облегчает управление активами, уменьшает ошибки отчетности и помогает соответствовать сертификации ISO.

Метод калибровки является прямым методом, и помимо эксплуатационных проверок, которые необходимо выполнить перед выбором (выбор правильной арматуры для соединений под давлением, обеспечение системы без утечек, меры предосторожности и т. Д.), Калибратор должен быть выбран в качестве Эмпирическое правило должно быть в 4 более точным, чем калиброванный датчик.

портативный калибратор. Измерение давления

Рисунок 6: Дистанционная калибровка датчика давления с использованием модульного калибратора

Выбор правильного датчика для приложения

Выбор правильного датчика для приложения - это соответствие требований приложения конкретному параметру, который интересует пользователя.

Например, в приложении для испытания на герметичность абсолютная точность является второстепенным фактором шума. Важным было изменение показаний, и, следовательно, если датчики неправильно прочитали полосу 10 как полосу 9, последствия невелики, так как высокое разрешение имеет большее значение, чтобы увидеть небольшое изменение давления.

В качестве другого примера в контуре управления скорость отклика имеет решающее значение. Если датчик выводит давление, которое существовало в 100 мс в прошлом, будет очень трудно оптимизировать динамический процесс.

Конечно, есть некоторые приложения, такие как фискальный перенос и доставка массы газа в процесс, где общая точность является наиболее важным фактором. Существует связь 1: 1 между ошибкой давления и ошибкой массы, или, другими словами, ошибка 1% в показании давления является ошибкой 1% в счете.

В этой ситуации важно принимать во внимание не только показатель «точности» заголовка, но также производительность в диапазоне рабочих температур, а затем включать показатель стабильности, чтобы установить период перекалибровки, чтобы всегда поддерживать общую точность ,

Производители, как правило, ставят как можно больше подробностей в своей технической и маркетинговой литературе, но должны сбалансировать объем предоставляемой информации с тем, чтобы сделать информацию легко доступной и понятной.

Для большей уверенности в наилучшем соответствии требований к конкретному приложению часто необходимо привлекать команду разработчиков конструктора датчика давления, а в некоторых критических случаях можно вступить в партнерство, чтобы разработать индивидуальное решение для конкретного приложения. ,

Индустрия технологической промышленности

новости по теме

Оставить комментарий

Этот сайт использует Akismet для уменьшения количества спама. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Доля через