本文主旨:針對(duì)靜壓會(huì)對(duì)差壓變送器的測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生顯著影響的問(wèn)題，研制了一種新型的靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置。該裝置是基于差壓傳感器直接測(cè)量差壓的原理，采用一個(gè)高精度的差壓傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)器，在靜壓跟隨條件下進(jìn)行差壓變送器的檢測(cè)。研究中采用了#小二乘法曲線(xiàn)擬合的修正方法，以降低差壓型標(biāo)準(zhǔn)器的靜壓影響誤差，提高標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度。

0 引言

    差壓變送器實(shí)際使用時(shí)是在靜壓狀態(tài)下測(cè)量液體、氣體和蒸汽的差壓，并將差壓變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)，主要用于工業(yè)過(guò)程差壓參數(shù)的測(cè)量和控制。但是目前差壓變送器的檢測(cè)通常是在低壓端通大氣的情況下進(jìn)行的，沒(méi)有在變送器高、低壓兩端口施加靜態(tài)過(guò)程壓力，也就是在非靜壓狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，與實(shí)際使用狀態(tài)不一致。據(jù)報(bào)道，英國(guó)、挪威和法國(guó)在近幾年，從 14 個(gè)主要制造廠取得的16 臺(tái)差壓變送器樣品的靜壓性能進(jìn)行了評(píng)估，取得了如下的結(jié)果:11 臺(tái)儀表未能滿(mǎn)足制造廠關(guān)于靜壓影響的規(guī)定指標(biāo)，靜壓的影響遠(yuǎn)大于儀表的準(zhǔn)確度要求，其中 2 臺(tái)儀表在規(guī)定的靜壓值情況下，其量程的變化是其允許誤差的 4 倍，可見(jiàn)，靜壓對(duì)差壓變送器技術(shù)特性影響極大。對(duì)于靜壓性能差的差壓變送器，在靜壓下的差壓檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，如果在檢測(cè)差壓變送器時(shí)沒(méi)有施加規(guī)定的靜態(tài)過(guò)程壓力，則檢測(cè)的可信度就會(huì)大大降低。我國(guó)《壓力變送器guojia計(jì)量檢定規(guī)程》對(duì)差壓變送器靜態(tài)過(guò)程壓力和靜壓影響有特別的規(guī)定 ［1］ 。

    所以針對(duì)靜壓會(huì)對(duì)差壓變送器的差壓測(cè)量產(chǎn)生靜壓影響誤差的問(wèn)題［2］ ，研究了一套靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置，在靜壓條件下進(jìn)行差壓的測(cè)量。

1 總體設(shè)計(jì)

    靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置是基于差壓傳感器直接測(cè)量差壓的原理，采用一個(gè)高精度的差壓傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)器，在高靜壓條件下進(jìn)行差壓變送器的檢測(cè)。由于高精度差壓傳感器本身就具有高靜壓下測(cè)量差壓的性能，所以選擇合適的高精度差壓傳感器直接測(cè)量差壓是可行的。傳感器型式的檢測(cè)裝置不同于傳統(tǒng)的活塞式檢測(cè)裝置，更適合用于現(xiàn)場(chǎng)。

    另外，項(xiàng)目研發(fā)的裝置用于在線(xiàn)檢測(cè)，該裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)差壓變送器的技術(shù)指標(biāo)來(lái)定位的，在線(xiàn)檢測(cè)的差壓變送器多為 0． 5 級(jí)及以下準(zhǔn)確度等級(jí)，所以該項(xiàng)目選擇 0． 05 級(jí)高精度差壓傳感器作為在線(xiàn)測(cè)量裝置的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。

2 裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

    靜壓跟隨式差壓變送器的在線(xiàn)檢測(cè)裝置主要由高精度的差壓傳感器、壓力傳感器、靜壓自動(dòng)控制系統(tǒng)、高靜壓差壓調(diào)控系統(tǒng)、平衡閥和信號(hào)處理電路及顯示單元等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 1所示。

    在線(xiàn)檢測(cè)裝置基于差壓傳感器直接測(cè)量差壓的原理，但靜態(tài)工作壓力應(yīng)保持在工作壓力狀態(tài)，即靜壓下的差壓測(cè)量。

    高精度差壓傳感器的高、低壓側(cè)通過(guò)高、低壓容腔分別與被測(cè)差壓變送器的高、低壓側(cè)相連接，高、低壓容腔由一只平衡閥相連通。靜壓自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生規(guī)定的靜壓壓力 p 0 送至低壓容腔，待壓力平衡穩(wěn)定后，高精度壓力傳感器采集到低壓容腔壓力值p L ，由于平衡閥開(kāi)啟，高壓容腔壓力 p H 與低壓容腔壓力 p L 相等，且均為靜壓壓力值，即 pH = p L = p 0 ，此時(shí)差壓為零。

    關(guān)閉平衡閥，應(yīng)用壓力動(dòng)態(tài)密封法，靜壓自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)低壓容腔進(jìn)行自動(dòng)控壓，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓調(diào)整，使其壓力始終保持靜壓值 p 0 。同時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)高靜壓差壓調(diào)控系統(tǒng)，采用靜壓跟隨的差壓調(diào)控技術(shù)，增大高壓容腔的壓力值，分別送至差壓變送器和高精度差壓傳感器的高壓側(cè)，與低壓側(cè)形成壓力差，于是高精度差壓傳感器直接采集到差壓值 p，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元處理，#終以數(shù)顯的形式在顯示裝置上指示出差壓值 p，這里的 p 即為標(biāo)準(zhǔn)的差壓值，換算成理論輸出電流值，與被測(cè)差壓變送器的實(shí)際輸出值之差即是差壓變送器的測(cè)量誤差。

    繼續(xù)調(diào)節(jié)高靜壓差壓調(diào)控系統(tǒng)，可得到在恒定靜壓下的各個(gè)差壓值，由高精度差壓傳感器測(cè)量并顯示在裝置的顯示單元上。以上過(guò)程實(shí)現(xiàn)了差壓變送器靜壓跟隨下差壓測(cè)量。

3 裝置中標(biāo)準(zhǔn)器的選擇

3． 1 標(biāo)準(zhǔn)器量值溯源的測(cè)量模型

    高精度差壓傳感器是裝置的標(biāo)準(zhǔn)器，如何選擇準(zhǔn)確度較高的差壓傳感器是項(xiàng)目研究的關(guān)鍵。該項(xiàng)目用高靜壓氣體差壓活塞式壓力計(jì)作為高精度差壓傳感器的上一級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，進(jìn)行量值傳遞。

    高精度差壓傳感器進(jìn)行量值溯源的測(cè)量模型為:

    由測(cè)量模型可見(jiàn)，差壓測(cè)量值的不確定度主要是由砝碼質(zhì)量 Δm、活塞有效面積 s 和重力加速度 g的不確定度分量引入的，如果各不確定度分量數(shù)值較小，則差壓測(cè)量值的不確定度數(shù)值也較小。經(jīng)過(guò)比較分析，將 0． 05 級(jí)的高精度差壓傳感器量值溯源至 0． 01 級(jí)的高靜壓氣體差壓活塞式壓力計(jì)，符合量傳體系的要求。

3． 2 標(biāo)準(zhǔn)器靜壓影響誤差的修正

    由于高精度差壓傳感器本身是差壓型的傳感器，無(wú)論從理論分析還是實(shí)際測(cè)量都可以發(fā)現(xiàn)靜壓對(duì)差壓示值的影響。為提高差壓傳感器的準(zhǔn)確度，采用了多重誤差曲線(xiàn)的擬合，以減小差壓傳感器的輸出誤差。

    用 0． 01 級(jí)高靜壓氣體差壓活塞式壓力計(jì)，分別在靜壓 0，1，2，3，4 MPa 的條件下，對(duì) 0． 05 級(jí)的差壓傳感器(壓力輸出)進(jìn)行了 3 個(gè)循環(huán)共 6 次測(cè)量，取6 次測(cè)量的平均值為傳感器實(shí)際輸出壓力值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1 所示。

    測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在相同靜壓作用下，基本上差壓越大誤差也越大，大致呈線(xiàn)性。隨著靜壓的增大，測(cè)量誤差隨之增大。所以shou先對(duì)相同靜壓下，傳感器的實(shí)際輸出差壓值進(jìn)行線(xiàn)性擬合 ［3］ 。

    設(shè) x 為標(biāo)準(zhǔn)差壓值，z 為傳感器實(shí)際輸出差壓值，利用#小二乘法的線(xiàn)性擬合，得到 0，1000，2000，3000，4000 kPa 的靜壓作用下的直線(xiàn)方程分別為:

    z =1． 000 173x －0． 001 333 (1)

    z =1． 000 053x －0． 001 778 (2)

    z =0． 999 953x －0． 005 111 (3)

    z =0． 999 847x －0． 018 222 (4)

    z =0． 999 750x －0． 021 111 (5)

    對(duì)式(1) ～ 式(5)分別求導(dǎo)，得到不同靜壓(0，1000，2000，3000，4000 kPa) 下 dz/dx 的值分別為1． 000 173，1． 000 050，0． 999 953，0． 999 847，0． 999 750。

    設(shè) y 為靜壓力值，則不同靜壓與 dz/dx 的函數(shù)關(guān)系可運(yùn)用#小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合得到:

    根據(jù)以上分析可知，式(6)中的 C 與靜壓值 y有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系:

    y =0 時(shí)，C 1 = －0． 001 333;

    y =1000 時(shí)，C 2 = －0． 001 778;

    y =2000 時(shí)，C 3 = －0． 005 111;

    y =3000 時(shí)，C 4 = －0． 018 222;

    y =4000 時(shí)，C 5 = －0． 021 111。

    由此可見(jiàn)，C 函數(shù)可近似為高次方曲線(xiàn)，再一次利用#小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合可以得到修正公式:

    采用式(7)進(jìn)行修正后，對(duì)于靜壓為 0，1，2，3，4 MPa時(shí)的#大誤差均有所減少。通過(guò)靜壓影響誤差的修正，將高精度差壓傳感器的差壓測(cè)量的準(zhǔn)確度進(jìn)行了優(yōu)化，減少了靜壓帶來(lái)的影響，提高了標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度。

4 實(shí)驗(yàn)

    用靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置(課題裝置)測(cè)試了一臺(tái)差壓變送器，在不同靜壓條件下的電流輸出，與高靜壓氣體差壓活塞式壓力計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)裝置)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖2 ～圖6 所示。

    從以上各圖可知:2 個(gè)測(cè)量結(jié)果具有良好的一致性，靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果完全可信。

5 結(jié)論

    靜壓跟隨式差壓變送器在線(xiàn)檢測(cè)裝置基于差壓傳感器直接測(cè)量差壓的原理，較好地實(shí)現(xiàn)了差壓變送器在靜壓條件下差壓的在線(xiàn)檢測(cè)。該文提出的關(guān)于靜壓影響的數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)是一種思路和嘗試，今后可通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)整理得出靜壓對(duì)各類(lèi)型差壓壓力儀表誤差的影響曲線(xiàn)，建立數(shù)學(xué)模型，減小靜壓影響誤差，為差壓型壓力儀表的質(zhì)量提升提供技術(shù)支持。