壓力差壓變送器的性能誤差研究

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明 650051)

壓力差壓變送器的性能誤差研究

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明 650051)

壓力差壓變送器制造廠提供的參考精度指標與用戶在生產現場實際應用時的整體性能誤差存在差距，通過研究分析找出了量程比、溫度、靜壓是造成這一差距的主要原因。針對上述原因列出了各變送器制造廠家提供的計算數據或公式，給出了壓力差壓變送器整體性能誤差的計算公式。靜壓條件可能無法改變，但量程比可以通過正確設計選型來降低其影響。建議用戶確定變送器量程時，盡量選擇小的量程比和環境溫度變化較小的場所安裝變送器。

壓力變送器; 差壓變送器; 精度; 性能誤差; 量程比; 靜壓

0 引言

壓力差壓變送器是目前應用量較大的現場參數變送器，被廣泛應用在工業自動化的各個領域。20世紀六七十年代，壓力差壓變送器精度指標為1.0%或0.5%。目前，絕大部分壓力差壓變送器的精度指標為0.1%或0.075%，最高精度指標為0.05%或0.025%[1-2]。精度是任何過程測量設備的關鍵性能指標，也是設備選型和維護需要考慮的一個重要因素。

但是上面提到的精度只是由壓力差壓變送器制造廠提供的指標，在用戶生產現場實際應用時，如果用整體性能誤差來表述的話，只有極小部分現場實際應用時的整體性能誤差可能達到制造廠提供的指標，大多數情況下兩者相去甚遠。本文將首先介紹有關壓力差壓變送器精度的概念，然后介紹實際影響壓力差壓變送器精度的主要因素，最后介紹整體性能誤差的計算。

1 變送器的參考精度

在每一個壓力差壓變送器產品的說明資料中，制造廠家往往首先介紹精度指標，正如很多樣本中附注介紹的那樣，它包括線性度、滯后和重復性。但也有制造廠家明確將這一指標稱之為參考精度(referenceaccuracy，RA)。這個指標只是一個供參考的精度，所以我們將制造廠家提供的“精度”指標統稱為參考精度。

通常，制造廠家提供的參考精度指標是在試驗室條件下測試的精度，這是由變送器制造廠在設計時和通過測試后提供的指標。典型的試驗室條件是：溫度為(20±5)℃，靜壓為0，相對濕度為45%～75%。大多數制造廠家對這一指標的描述是保證±3σ的一致性。測試誤差正態分布如圖1所示。實際測試時，大量的隨機誤差服從正態分布規律。如果概率密度取±1σ，置信概率為68.2%；概率密度取±2σ，置信概率為95.4%；概率密度取±3σ，置信概率為99.7%。3σ為極限誤差，其概率含義是在1 000次測試中只有3次測量誤差會超過3σ。由于一般測試中的測量次數只有幾十次，可以認為出現測量誤差超過3σ的概率是很小的。

圖1 測試誤差正態分布圖

參考精度是一個非常重要的指標，常常可以作為不同廠家壓力差壓變送器性能比較的基礎。但對于用戶在生產過程具體應用時的性能來說，因為參考精度僅適用于限定的量程比和規定的試驗室條件，當條件變化時，它不能全面衡量壓力差壓變送器在工業應用的整體性能[3]。壓力差壓變送器的參考精度只是其中的一個因素，還有其他一些影響精度的因素需要考慮。

2 影響變送器精度的因素

下面5個因素對壓力差壓變送器的總體性能產生明顯影響：量程比影響、溫度對零點的影響、溫度對量程的影響、靜壓對零點的影響、靜壓對量程的影響[4]。這5個影響因素可分別用TDE、TEz、TEr、SPEz、SPEr來表示。

部分制造廠商在樣本中還列出了電源影響、震動影響、安裝位置影響等，但這些因素影響小，通常不予考慮。

某些制造廠商在樣本中列出了給定應用條件下壓力差壓變送器總體性能的影響數據，如艾默生過程管理的3051壓力差壓變送器，參考精度為0.075%，其樣本產品給出了在下述條件下基于參考精度、環境溫度和壓力影響的綜合誤差為當溫度=±28 ℃、6.9MPa靜壓的量程比為1∶1到5∶1時，對壓力差壓變送器整體性能誤差的影響是0.15%量程。最高等級參考精度的3051S壓力差壓變送器給出了在下述條件下的基于參考精度、環境溫度和壓力影響的綜合誤差。當溫度=±28 ℃、6.9MPa靜壓的量程比為1∶1到5∶1時，對變送器整體性能誤差的影響是0.1%量程。這些總體性能的影響數據并不十分可靠，其資料中提供的某些型號、某些量程代號的溫度、壓力影響所造成的單項誤差就會超過相應的綜合誤差值，如3051CD差壓變送器的量程，6.9MPa靜壓對該量程的影響就達到讀數的±0.4%。

壓力差壓變送器通常分為壓力、差壓這2大類，差壓變送器需考慮上述5個因素的影響，而壓力變送器只需考慮量程比影響及溫度影響。下面的分析是針對差壓變送器考慮的，而壓力變送器除了不考慮靜壓影響外，其余與差壓變送器相同。

2.1 量程比影響

所有差壓變送器的樣本都會指定量程范圍和量程比，規定了量程上限值(upperrangelimit，URL)和量程下限值(lowerrangelimit，LRL)，如圖2所示。如果變送器不帶量程遷移，則量程下限值LRL通常為0；如果變送器帶100%量程遷移，則量程下限值LRL等于-URL。例如ABB公司264DS差壓變送器H量程代碼的量程上限值URL是160kPa，因帶100%量程遷移，則量程下限值LRL是-160kPa。在LRL和URL范圍內(本例差壓范圍為-160～+160kPa)，用戶可以設定量程低范圍值(lowerrangevalue,LRV)和量程高范圍值(upperrangevalue,URV)。樣本中同時會規定用戶可設定的最大量程變化范圍和最小量程變化范圍。例如ABB公司264DS差壓變送器H量程代碼的最大量程變化范圍和最小量程變化范圍分別是160kPa和1.6kPa，而量程比就是最大量程變化范圍和最小量程變化范圍的比值，在本例中為160kPa∶1.6kPa，即100∶1。

圖2 變送器最大量程與用戶設定量程示意圖

差壓變送器的制造商同時也會說明，他們所聲稱的參考精度不一定適用于用戶選擇的每一個量程。通常制造商采用以下公式計算：

TDE=±[f1+f2(URL/Span)]

(1)

式中：f1、f2為制造廠家給出的系數。

通常URL/Span以量程比符號r代替，公式可簡化為：

TDE=±(f1+f2r)

(2)

比如，對于ABB公司264DSH量程代碼的差壓變送器，在1∶1到15∶1的量程比范圍內，變送器的精度仍為參考精度(0.075%)。如用戶選擇的量程超過15∶1的量程比，則給出了以下計算公式：

TDE=±0.005%r

(3)

大多數差壓變送器在10∶1的量程比范圍內，精度仍為參考精度，不受量程比的影響。但仍有相當數量的差壓變送器保證參考精度的量程比小于10∶1，這一指標甚至還有3∶1和2∶1；且同一型號產品的不同量程代號，保證參考精度的量程比也可能出現很大的差別，這都是用戶在計算受量程比影響后的精度時需特別注意的。

一般來說，TDE≥RA。當變送器量程選擇不當時，如選用變送器的設定量程位于大量程比的位置，有可能使差壓變送器整體性能誤差遠遠超過參考精度規定的誤差[5]。以ABB公司MV2010TD量程代號C的差壓變送器為例，其量程范圍是0.4～40kPa。按產品樣本介紹，如果選擇的量程在(0～4)kPa～(0～40)kPa之間時，精度指標可以達到該產品樣本所列參考精度指標(0.075%)；如果選擇的量程在(0～0.4)kPa～(0～4)kPa之間時，精度指標就不是該產品樣本所列的參考精度指標，而需要按公式計算附加誤差(即在原有0.075%基礎上增加這個附加誤差值)。

TDE=±(0.005%r-0.05%)

(4)

如果選其最小量程(0～0.4)kPa，按上式計算，附加誤差指標為0.45%，對應0.075%產品的TDE為0.525%，是原有誤差的7倍。

當傳統壓力差壓變送器的量程比大于10∶1時，精度通常開始降低。針對這一問題，施耐德電氣集團福克斯波羅公司推出了一個新的S系列壓力差壓變送器。這種變送器采用了專利技術FoxCal，在變送器的固件中存儲11個校準點，即量程上限(URL)的2.5%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、85%和100%，自動選擇基于輸入的正確曲線。

采用11個校準點的標定方法，即使變送器在高量程比80∶1時，仍能保持其參考精度。福克斯波羅公司S系列變送器與傳統變送器的量程比性能比較如圖3所示。雖然該系列變送器通常只應用在40∶1的量程比，但這已經是競爭對手量程比的3～4倍。這樣在計算量程比影響時，就不用再從樣本尋找計算公式，并作復雜的計算了。現有產品有50kPa、250kPa的差壓變送器和1.4MPa、4.2MPa的壓力變送器。以40∶1量程比計算，可覆蓋(1.25～250)kPa的差壓變送器量程和35kPa～4.2MPa的壓力變送器量程[6-7]。

圖3 量程比性能比較曲線圖

2.2 溫度影響

在過程應用中，過程溫度、環境溫度會發生很大的變化，肯定會與變送器測試時的參考條件不同，這也意味著性能將與所介紹的參考精度不同。溫度變化會影響變送器的零點精度和量程精度，通常采用與式(2)形式相似的公式計算：

TE=±(f1+f2r)

(5)

式中:TE為溫度影響，可用來計算TEz或TEr；f1、f2為制造廠家給出的系數。

有的變送器制造商分別給出了溫度對零點精度和量程精度的影響數據，如ABB公司2010TD差壓變送器，樣本中給出了在-40～+80 ℃之間對零點精度和量程精度的影響數據分別為0.1%，即TEz=0.1%、TEr=0.1%。

當溫度為28 ℃時，橫河公司EJA-110E差壓變送器對零點精度和量程精度的綜合影響為：

TE=±(0.07%Span+0.02%URL)

(6)

式(6)似乎與式(1)形式不一樣，但實際上這是誤差絕對值的計算公式，當我們用實際量程Span除以式(6)時，可得到：

TE=±[0.07%+0.02%(URL/Span)]

(7)

TE=±(0.07%+0.02%r)

(8)

以西門子公司SITRANSPDSⅢ差壓變送器為例，-10～+60 ℃之間溫度變化對零點精度和量程精度的綜合影響為：

TE=±(0.1%+0.08%r)

(9)

重慶偉岸測器公司的SST3差壓變送器的參考精度為0.075%，量程比為6∶1。在最大量程時，溫度對零點、量程的綜合影響為±0.25%/55 ℃。在最小量程時，溫度對零點、量程的綜合影響為±2%/55 ℃。

溫度對差壓變送器的影響在接近最大量程(即小量程比)時很小，但在接近最小量程(即大量程比)時影響就很大，有時甚至超出了我們的想象。比如西門子公司SITRANSPDSⅢ差壓變送器在溫度對零點精度和量程精度的綜合影響公式中，如果輸入最大量程比為100，則得到TE為8.01%。而實際上早期的樣本資料中，r前面的系數f2還是0.1，計算結果還將超過10%。即使是代表差壓變送器較高水平的EJA-110E差壓變送器，其M量程代號輸入最大量程比為100，則得到TE為2.07%，與其參考精度0.055%相比，增大了37倍。再如F量程代號給出的28 ℃溫度對零點精度和量程精度綜合影響的數據：±(0.08%Span+0.18%URL)。

轉換后可得：

TE=±(0.08%+0.18%r)

(10)

F量程代號總量程比為10∶1，保證參考精度的量程比為2.5∶1。將r等于10、2.5分別代入上式，則所得TE分別為1.88%、0.53%，這相當于參考精度的34.2倍和9.6倍。

2.3 靜壓影響

類似于溫度和量程的影響，靜壓對變送器的零點和量程的精度也有實質性影響。這些影響通常采用與式(2)形式相似的公式計算：

SPE=±(f1+f2r)

(11)

式中：SPE為靜壓影響，可用來計算SPEz或SPEr；f1、f2為制造廠家給出的系數。

E+H公司PMD擴散硅差變送器靜壓對零點和量程的綜合影響為：0.2%/10MPa。

西門子最高精度的SITRANSP500差壓變送器(量程25kPa)靜壓對零點和量程的影響分別為：

SPEz=0.035%r/7MPa

(12)

SPEr=0.03%量程/7 MPa

(13)

橫河EJA-110E差壓變送器M、H、V量程靜壓對零點和量程的影響分別為：

SPEz=0.028%URL/10 MPa

(14)

SPEr=0.1%量程/10MPa

(15)

以上公式中不包含量程比r的影響，但橫河公司附加說明SPEz得出的是最大量程的百分比。如果將所得的數值與最大量程比時的量程相比，靜壓對零點的影響就非常大了。

3 整體性能誤差

一旦差壓變送器的量程已設置，則參考精度、量程設置影響、溫度影響和靜壓影響等相關的誤差都已確定，那么用戶已具備確定整體性能誤差(total probable error，TPE)必要的元素。整體性能誤差也可稱為總概率誤差，它可以用來衡量用戶使用的差壓變送器在生產現場實際工況下可能產生的誤差大小[4]。TPE誤差計算應按誤差平方總和的方根計算：

(16)

因為每臺差壓變送器量程的設置、應用現場溫度和靜壓的條件都會有所不同，所以即使用戶使用的是同一制造商、同一型號甚至是同一量程代號的產品，其整體性能誤差也有差別，甚至會有很大的差別。

壓力變送器的整體性能誤差分析與計算同差壓變送器，只是無須考慮靜壓影響。

4 結束語

壓力差壓變送器適用于壓力、差壓、流量、物位、密度的檢測，壓力差壓測量量程比、溫度、靜壓的參數不同，將會影響變送器的性能。一方面，了解了這些參數對壓力差壓變送器性能影響的程度；另一方面，通過正確設計，降低了這些參數對壓力差壓變送器性能影響的程度，如確定變送器量程時盡量選擇小的量程比和選擇環境溫度變化小的場所安裝變送器。

按所列出的公式，計算出所選擇的壓力差壓變送器的整體性能誤差，再與期望值進行比較，確認當前的選型是否合適，以保證在特定應用中的壓力差壓變送器能達到期望值。

[1] 朱炳興.變送器選用與維護[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2] 方原柏.變送器的量程比和精確度[J].冶金自動化，2003，27(1)：54-56.

[3] 崔雨.影響差壓變送器性能的實驗研究[J].傳感器世界，2011，17(7):33-36.

[4] 楊萬國.壓力差壓變送器測量精度的探討[J].新疆石油天然氣，2005，1(2)：83-87.

[5] TED D.Comparing differential pressure transmitter accuracy[EB/OL].[2012-03-09].https://www.controlglobal.com /Whitepapers/2012.

[6] Foxboro.Accuracy and simplified calibration in Foxboro S series pressure transmitters [EB/OL].[2015-04-15].https://www.controlglobal.com/Articles.

[7] Foxboro.Pressure-measurement:ways-and-possibilities [EB/OL].[2016-05-23].http://www.pcne.eu/article/pressure-measurement-ways-and-possibilities.

ResearchonProbableErrorofPressureandDifferentialPressureTransmitters

FANGYuanbai

(KunmingEngineering&ResearchInstituteofNonferrousMetallurgy，Kunming650051，China)

Theindexofreferenceaccuracyprovidedbythemanufacturesofpressureanddifferentialpressuretransmittersisdifferentfromthetotalprobableerrorinpracticalapplicationatusers’productivesite,throughresearchingandanalyzing,themainreasonscausingsuchdifferencearefound,theyareturndownratio,temperatureandstaticpressure.Accordingtoabovereasons,thecalculationdataorformulasprovidedbyeachmanufacturerarelisted,andthecalculationformulaofthetotalprobableerrorofthepressureanddifferentialpressuretransmitteraregiven.Theconditionofstaticpressuremaynotbechanged,whiletheinfluenceofturndownratiomightbereducedthroughcorrectdesignandmodelselection.Itisrecommendedthatwhentherangeoftransmittersisdetermined,smallerturndownratioandtheinstallationsitewithsmallertemperaturevariationshallbeselected.

Pressuretransmitter;Differentialpressuretransmitter;Accuracy;Probableerror;Turndownratio;Staticpressure

方原柏(1942—)，男，教授級高級工程師，長期從事電子皮帶秤、無線通信、自動化儀器儀表及控制系統、有色金屬行業自動化技術的研究和應用工作。E-mail：fangyb42@sina.com。

TH7；TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701017

修改稿收到日期:2016-09-14