常用压力变送器的工作原理和特点及_省略_输出电流示值误差测量不确定度评定_于丽平

收稿日期 2013 01 25 作者简介 于丽平 内蒙古自治区计量测试研究院检定员 硕士 常用压力变送器的工作原理和特点及其 输出电流示值误差测量不确定度评定 于丽平 肖利华 呼和 内蒙古自治区计量测试研究院 内蒙古 呼和浩特010020 摘要 介绍了广泛应用于工业自动化控制领域常用压力变送器的工作原理和特点 给出了变送器 输出电流测量误差的校准方法 并对校准结果进行不确定度分析评定 关键词 压力变送器 压阻式 压电效应 电容式 校准方法 不确定度评定 中图分类号 TP212文献标识码 A 文章编号 1007 6921 2013 05 0097 02 1常用压力变送器的工作原理及特点 压力变送器是将压力变量转换为可远距离传送 的标准化输出信号的仪表 它能将测压元件感受到 的气体 液体等物理压力参数 压力 液位等 转变 成标准电信号 以供给二次仪表进行测量 指示和过 程调节 由感压单元 信号处理和转换单元组成 目 前工业上广泛采用 4mA 20mA 电流来传输模拟 量 常用压力变送器根据压力传感器的测量原理可 分为压阻式 扩散硅式 陶瓷式 压电式和电容式压 力变送器等 1 1压阻式压力变送器 压阻式压力变送器的主要组成部分之一是电阻 应变片 它是一种将被测件上的应变变化转换成为 一种电信号的敏感器件 通常是将应变片用特殊的 黏合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上 当基体 受力发生应力变化时 电阻应变片也一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻上的电 压发生变化 该变送器具有极低的价格和较高的精 度以及较好的线性特性 1 2扩散硅压力变送器 扩散硅压力变送器问世于 20 世纪 90 年代中 期 它利用弹性元件的压阻效应 当被测介质的压力 直接作用于传感器的膜片上时 膜片产生与介质压 力成正比的微位移 使传感器的电阻值发生变化 利 用电子线路检测这一变化 并转换输出一个统一的 标准信号 该变送器与传统产品相比具有技术先 进 性能可靠 安装方便 准确度高 体积小等优点 1 3陶瓷压力变送器 抗腐蚀的陶瓷压力变送器没有液体的传递 当 压力作用在陶瓷膜片上时 膜片会产生微小的形变 使印刷在陶瓷膜片的背面的厚膜电阻通过与之连接 的惠斯通电桥 闭桥 输出一个与激励电压成正比 的电压信号 通过变送器内置电路对压力物理量进 行测量 转换成统一的标准信号 该变送器可将各 种介质 腐蚀性和非腐蚀性的气体 液体 直接引入 到陶瓷膜片上 陶瓷的热稳定特性及其厚膜电阻使 其工作温度范围高达 40 135 故有较高的测 量精度 稳定性好且输出信号强 价格低廉 1 4压电压力变送器 压电压力变送器的工作原理是压电效应 晶体 是各向异性的 当沿着一定方向受力时 晶体能产生 出电的效应 当机械力撤掉之后 又会重新回到不带 电的状态 传感器中主要使用的压电材料有石英 酒 石酸钾钠和磷酸二氢胺等 该变送器主要应用在加 速度和压力的测量中 具有结构简单 体积小 重量 轻 使用寿命长等特点 但只能用于测量动态的应力 1 5电容式压力变送器 电容式压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片 上的电极组成一个电容 当两侧压力不一致时 测量 膜片产生的位移量和压力差成正比 故两侧电容量 就不等 通过振荡和解调环节 转换成与压力成正比 的信号 再通过变送电路对压力物理量进行测量并 转换成统一的标准信号 其精度高 耐腐蚀 耐污染 稳定性好 是国内外公认的检测低真空压力的理想 仪表 主要应用于民用工业的各个领域 并在航天 工业 核工业等军事工业中发挥着独特的作用 2示值误差测量结果不确定度评定 2 1概述 2 1 1测量依据 JJG 882 2004 压力变送器 JJF1059 1 2011 测量不确定度评定与表示 2 1 2环境条件 温度为 20 5 每 10min 变化不大于 1 湿度为 45 H 75 H 2 1 3测量标准 0 05 级活塞式压力计标准装置 测量范围为 0 1MPa 6MPa 高精度数字多用表 电流测量误差 0 050 D 0 005 FS 2 1 4测量对象 压力变送器 测量范围 0 6MPa 准确度等级 0 5 级 输出电流 4mA 20mA 2 1 5测量方法 在规定的环境条件下 将待测压力变送器按检 定规程的要求连接在标准装置上 缓慢地升压 降 79 2013 年 3 月 内 蒙 古 科 技 与 经 济March 2013 第 5 期 总第 279 期Inner Mongolia Science Technology EconomyNo 5 Total No 279 书书书 压 待示值稳定后读数 用数字多用表读取相应检测 点的输出电流值 与标准值进行比较后 给出每一点 的示值误差 2 2数学模型 I I Im pm p I 0 式中 I 压力变送器的输出误差 mA I 压力变送器输出电流值 mA Im 压力变送器输出量程 mA P 压力变送器输入压力值 MPa pm 压力变送器输入量程 MPa I0 压力变送器输出起始值 mA 输入压力对压力变送器输出误差的灵敏系数 为 c1 I P Im Pm 16 6 2 7mA MPa 输出电流对压力变送器输出误差的灵敏系数 为 c2 I I 1 2 3不确定度评定 2 3 1压力变送器电流输出值多次重复性测量引 入的标准不确定度分量 u I1 输入压力为 3MPa 时 重复测量 6 次 测得值如 下 mA 12 0087 12 0082 12 0073 12 0101 12 0102 12 0096 珋I 12 0090mA xmax xmin 12 102mA 12 0073mA 0 0029mA 当 n 6 时 查表得 C 2 53 故 s C 0 0029mA 2 53 0 0012mA 取 6 次测量误差的平均值作为测量结果 所以 重复性引入的标准不确定度 u I1 槡槡 s n 0 0012 6 0 0005mA 2 3 2数字多用表引入不确定度 u I2 最大允许误差 0 050 D 0 005 FS 认为在该区间均匀分布 故 u I2 0 005 12 0 005 100 槡 3 0 0064mA 2 3 3活塞式压力计标准装置引入的不确定度 u p u p 6 0 05 0 0017MPa 2 3 4合成标准不确定度 u I u I u2 I1 u2 I2 槡 0 00062 0 0064 槡 2 0 0065mA 2 3 5标准不确定度汇总表 表 1标准不确定度汇总 序号不确定度来源 u xi ci ci u xi 1u p 0 0017MPa 2 7 mA MPa 0 0046mA 1 1活塞式压力计 0 0017MPa 2u I 0 0065mA10 0065mA 2 1直流电流表0 0064mA 2 2测量重复性0 0005mA 2 4合成标准不确定度 uc 因各不确定度分量彼此独立 互不相关 所以合 成标准不确定度为 uc u I 2 u p 槡 2 0 0065 2 0 0046 槡 2 0 00796mA 2 5扩展不确定度 取包含因子 k 2 则扩展不确定度为 U kuc 0 00796 2 0 016mA 3结束语 笔者从介绍常用压力变送器的工作原理和特点 着手 结合多年的检测经验和数据积累 给出了一种 压力变送器的电流输出值校准结果的不确定度评定 方法 希望能对从事压力变送器检定 校准工作的工 作人员有所启迪和帮助 参考文献 1 艾秋顺 张百平 压力变送器的测量不确定度 分析准 J 化工自动化与仪表 2011 4 2 国家质量技术监督局计量司 测量不确定度 评定与表示指南 M 北京 中国计量出版 社 2005 3 韦俊辉 压力变送器综合性能测试系统 J 自动化与仪表 2012 2 4 李鹏 李民强 陶瓷电容式智能压力变送器 J 工业计量 2007 5 5 丁基敏 国内电容薄膜式压力变送器发展现 状 J 上海计量测试 2002 1 櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂 上接第 96 页 3 4合成标准不确定度 uc 对于 5mg L 标准液体 uc u2 ci u2 c标 u2 c铂 槡 0 052 1 52 0 41 槡 2 1 6 对于 10mg L 标准液体 uc u2 ci u2 c标 u2 c铂 槡 0 072 1 52 0 41 槡 2 1 6 对于 40mg L 标准液体 uc u2 ci u2 c标 u2 c铂 槡 0 062 1 52 0 41 槡 2 1 6 4扩展不确定度评定 取包含因子