Преобразователь перепада давления с малой погрешностью: класс точности нельзя оценивать только по одной цифре

Преобразователи перепада давления используются для измерения разности давлений на двух сторонах и широко применяются для контроля расхода воздуха, определения засорения фильтров, пересчёта уровня, измерения разрежения в топках, расхода в трубопроводах и управления давлением в герметичных ёмкостях. При малых диапазонах перепада давления, например 0–1 kPa, 0–5 kPa или 0–10 kPa, отклонение в несколько десятков паскалей уже может изменить решение системы управления. Поэтому «высокая точность» не должна пониматься только как указание класса 0,1, 0,25 или 0,5 на табличке прибора.

При выборе прежде всего необходимо уточнить базу для класса точности. Распространённое в отрасли обозначение «класс 0,25» обычно означает, что основная допускаемая погрешность не превышает ±0,25% от верхнего предела диапазона. Если диапазон составляет 0–1 kPa, основная погрешность равна приблизительно ±2,5 Pa. При диапазоне 0–10 kPa для того же класса 0,25 основная погрешность составляет около ±25 Pa, поэтому минимальные фактически различимые изменения давления в этих случаях отличаются.

Следовательно, первый принцип оценки преобразователя перепада давления с малой погрешностью заключается в следующем: процентную точность необходимо перевести в фактическое значение в паскалях, а затем оценить с учётом допустимого диапазона колебаний измеряемого объекта. Если порог управления системы составляет всего 20 Pa, простой выбор изделия с диапазоном 10 kPa и классом 0,5, как правило, не позволит обеспечить надёжную сигнализацию и регулирование.

I. Сначала разберитесь в классе точности, диапазоне и суммарной погрешности

1. Класс точности следует рассчитывать по полному диапазону

Приведённая погрешность преобразователя перепада давления чаще всего определяется относительно верхнего предела диапазона URL или калиброванного диапазона Span, а не относительно текущего фактического измеренного значения. Если устройство длительно работает вблизи 10% диапазона, абсолютная погрешность может по-прежнему быть близка к погрешности полного диапазона и после пересчёта в процент от показания существенно возрастать.

Например, основная допускаемая погрешность преобразователя 0–2 kPa класса 0,25 составляет примерно ±5 Pa. При фактическом перепаде давления 100 Pa величина ±5 Pa соответствует ±5% показания; при фактическом перепаде 1,5 kPa — приблизительно ±0,33% показания. Это также является основной причиной, по которой в задачах малых перепадов давления нельзя необоснованно увеличивать диапазон.

Рациональный подход состоит в том, чтобы типовая рабочая точка по возможности находилась в пределах 30%–80% диапазона, с запасом на колебания давления, пусковые и остановочные удары, а также защиту от избыточного давления. Для таких условий, как малое давление в воздуховодах и перепад давления в чистых помещениях, приоритетно следует рассматривать специализированные решения для измерения малых перепадов с низким диапазоном и высоким разрешением.

2. Нельзя принимать базовую точность за суммарную погрешность на объекте

Класс точности в каталогах продукции в большинстве случаев отражает основную погрешность, полученную при заданной эталонной температуре, заданном статическом давлении, стабильном электропитании и стандартных условиях монтажа. Фактическая погрешность на объекте также зависит от изменения температуры, общего статического давления, положения установки, скопления жидкости в импульсных трубках, электромагнитных помех и смещения нуля.

При закупке или приёмке необходимо требовать от поставщика чёткого указания способа выражения точности: «±0,1%FS» или «±0,1%URL», а также включены ли повторяемость, гистерезис и долговременная стабильность. Разные способы обозначения имеют разные расчётные базы, поэтому нельзя проводить горизонтальное сравнение только по надписи «класс 0,1» или «высокая точность».

Для защитных блокировок, учёта энергопотребления или критических точек контроля качества рекомендуется применять метод бюджета погрешностей: по отдельности суммировать основную точность, температурный дрейф, влияние статического давления, влияние монтажа и погрешность индикации и сбора данных, удерживая проектный запас в пределах 70% от допустимой погрешности.

II. Влияние статического давления: малый перепад труднее измерить при высоком общем давлении

1. Различайте перепад давления и статическое давление

Перепад давления — это разность между давлением на стороне высокого и низкого давления, тогда как статическое давление — это уровень давления, одновременно воздействующий на обе стороны. Например, если давления на двух сторонах трубопровода составляют 1,002 MPa и 1,000 MPa, фактический перепад равен лишь 2 kPa, но обе стороны прибора одновременно находятся под статическим давлением около 1 MPa.

Когда малый перепад давления накладывается на высокое статическое давление, разделительные мембраны датчика, чувствительный элемент и конструкция корпуса подвергаются более высокой механической нагрузке. При недостаточных характеристиках по статическому давлению нулевая точка будет смещаться вслед за изменением общего давления. Даже если сам перепад не изменяется, выходной сигнал может дрейфовать.

При изучении технических параметров следует уделять особое внимание «влиянию статического давления» или «влиянию общего давления». Единицами могут быть %FS/MPa, %URL/MPa либо непосредственно Pa. Чем меньше значение, тем слабее влияние изменения высокого статического давления на нулевую точку перепада и точность диапазона.

2. Для условий высокого статического давления необходимо выполнять расчёт по месту эксплуатации

Предположим, что влияние статического давления у преобразователя малого перепада составляет ±0,05%FS/MPa, диапазон равен 0–2 kPa, а статическое давление на объекте изменяется от 0,5 MPa до 2,5 MPa, то есть на 2 MPa. Дополнительное влияние только от изменения статического давления составит примерно ±2 Pa. В обычных условиях это может быть допустимо, однако для задач управления уровня 10 Pa его необходимо включать в бюджет погрешностей.

При выборе также необходимо подтвердить максимальное рабочее статическое давление, допустимое одностороннее избыточное давление и допустимое двустороннее избыточное давление. Максимальное рабочее статическое давление определяет возможность длительной работы под давлением среды, а устойчивость к избыточному давлению связана с кратковременными рисками при переключении клапанов, гидроударах или засорении. Эти три показателя не могут заменять друг друга.

В трубопроводах с паром, жидкостью или газом высокого давления необходимо применять подходящие клапанные блоки, импульсные трубки и меры по конденсации, обеспечивая одинаковое состояние среды с обеих сторон. Различия температуры, высоты столба жидкости или пути передачи давления на двух сторонах также создают дополнительную разность статического давления и влияют на стабильность нуля.

III. Погрешность датчика из-за температурного дрейфа: для малых диапазонов требуется обязательный расчёт

1. Температурный дрейф главным образом включает дрейф нуля и дрейф диапазона

Физические характеристики чувствительных элементов датчика, электронных компонентов, заполняющей жидкости и металлических конструкций изменяются с температурой. Дрейф нуля проявляется как общее повышение или понижение выходного сигнала при неизменном фактическом перепаде давления; дрейф диапазона проявляется как изменение пропорционального соотношения между входом и выходом. Эти два вида погрешностей необходимо различать.

Измерение малого перепада давления легче подвержено влиянию температурного дрейфа нуля. Например, для изделия 0–1 kPa с температурным дрейфом нуля ±0,05%FS/10℃ при отклонении температуры окружающей среды от температуры калибровки на 20℃ теоретическая дополнительная погрешность нуля может достигать ±1 Pa. Если фактическая цель управления составляет лишь 30 Pa, влияние 1 Pa уже заметно.

Помимо температуры окружающей среды, необходимо учитывать температуру среды и суточные перепады температуры. У преобразователей, установленных на наружном оборудовании, вблизи котлов, на трубных эстакадах под прямыми солнечными лучами или в низкотемпературных складских зонах, фактическое изменение температуры может превышать 30℃. Нельзя оценивать их характеристики только по точности при нормальной лабораторной температуре.

2. Параметры температурного дрейфа следует приводить к фактическому перепаду температуры

В технической документации температурный дрейф часто указывается как «%FS/10℃» или «%URL/℃». Специалисты по контролю качества должны принимать температуру калибровки за исходную точку и рассчитывать максимальное отклонение между максимальной, минимальной температурой на объекте и температурой калибровки, а не ориентироваться только на среднюю ежедневную температуру. Чем больше перепад температуры, тем менее допустимо игнорировать накопленное значение температурного дрейфа.

Например, для изделия с диапазоном 0–500 Pa, температурным дрейфом нуля ±0,1%FS/10℃ и диапазоном температуры на объекте от -10℃ до 40℃ максимальное отклонение относительно точки калибровки 20℃ составляет 30℃. Дополнительная погрешность из-за температурного дрейфа составляет примерно ±1,5 Pa и должна оцениваться совместно с основной погрешностью, влиянием статического давления и погрешностью модуля сбора данных.

На объектах с большим перепадом температур можно использовать датчики малого перепада давления с температурной компенсацией и не размещать преобразователь непосредственно у стенки высокотемпературного трубопровода. При необходимости следует добавить солнцезащитный козырёк, теплоизоляцию или защитный шкаф для прибора. Монтажные меры не заменяют качественную температурную компенсацию, но могут значительно снизить колебания в реальной эксплуатации.

Упрощённый метод расчёта температурного дрейфа

Предварительная оценка может выполняться по формуле: «дополнительная погрешность от температурного дрейфа = коэффициент температурного дрейфа × диапазон × коэффициент фактической разности температур». Если параметр составляет 0,05%FS/10℃, диапазон — 2 kPa, а разность температур — 25℃, дополнительная погрешность равна приблизительно 0,0005×2000×2,5, то есть около ±2,5 Pa.

Если изделие одновременно имеет показатели температурного дрейфа нуля и диапазона, в области низких показаний в первую очередь следует учитывать дрейф нуля; при работе вблизи полного диапазона необходимо одновременно учитывать оба показателя. Для изделий сверхнизкого диапазона, таких как 0–100 Pa и 0–250 Pa, рекомендуется запросить у производителя полный диапазон температурной компенсации и заводские данные калибровки.

Приёмка на объекте не должна ограничиваться проверкой в одной точке при нормальной температуре: следует регистрировать выходной сигнал нуля и полного диапазона при типичных температурных условиях. Если оборудование невозможно испытать в термокамере, необходимо как минимум вести журнал сезонных сравнений и наблюдать тенденцию изменения нуля при одинаковых условиях зимой и летом.

IV. От таблицы параметров к объекту: как выбрать надёжный преобразователь малого перепада давления

1. Установите полный порядок проверки при выборе

На первом этапе определяются нормальный перепад давления, максимальный перепад, допустимая погрешность и порог сигнализации; на втором — наибольшее статическое давление с обеих сторон, тип среды, диапазон температур и коррозионность; на третьем этапе сравниваются класс точности, влияние статического давления, температурный дрейф, перегрузочная способность, способ выхода и степень защиты. Такой порядок позволяет избежать выбора сначала по цене или только по одному классу точности.

Для изделий с выходом 4–20mA также необходимо учитывать точность входного модуля шкафа управления, стабильность питания контура и условия заземления и экранирования. Даже если собственная погрешность преобразователя составляет лишь ±0,25%FS, дополнительная погрешность ±0,2%FS от модуля сбора данных может привести к тому, что итоговые характеристики системы не будут соответствовать ожиданиям.

Долговременная стабильность также заслуживает внимания. Некоторые изделия имеют обозначение «годовая стабильность ±0,1%FS» или аналогичные показатели, отражающие уровень дрейфа после длительной эксплуатации. Для установок непрерывного производства межкалибровочный интервал следует определять с учётом годовой стабильности и тяжести условий эксплуатации, а не применять неизменно единый период.

2. Приёмка и обслуживание определяют конечный результат измерения

При приёмке поставки следует проверить диапазон, точность, интерфейс давления, материал мембраны, выходной сигнал, диапазон питания и класс статического давления, а также сохранить заводские записи калибровки. Для критически важных точек можно провести сравнительные испытания не менее чем в 5 точках: 0%, 25%, 50%, 75% и 100% диапазона, одновременно проверяя погрешность обратного хода.

Если во время эксплуатации наблюдаются медленный дрейф выхода, невозможность возврата нуля или несоответствие колебаний перепада давления состоянию технологического процесса, сначала необходимо проверить засорение и утечки импульсных трубок, дисбаланс конденсата, неполное открытие клапанного блока и плохие электрические контакты, и лишь затем определять, вызвана ли проблема потерей точности самого датчика.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может предоставить рекомендации по целевой конфигурации с учётом фактического диапазона перепада давления, класса статического давления, температуры среды, способа монтажа и требований к сигналу. Перед закупкой рекомендуется систематизировать параметры условий на объекте, чтобы технические специалисты выполнили пересчёт погрешности и подбор диапазона, обеспечив проверяемую точность и стабильность измерения малого перепада давления даже в сложных условиях эксплуатации.