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壓力變送器是一種將壓力變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。其輸出信號與壓力變量之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系。

 

1阻尼系數(shù)

在壓力計(jì)量中，阻尼系數(shù)直接影響儀表的輸出特性，在需要快速響應(yīng)的應(yīng)用場合一般都將阻尼系數(shù)調(diào)低甚至置0處理，而在告警動作的應(yīng)用場合都將阻尼系數(shù)調(diào)高甚至置#大值來避免誤報(bào)警的產(chǎn)生。以Rosemount儀表為例，其阻尼系數(shù)的計(jì)算公式為：

式（1）中，P=previousdampedvalue

N=newsensorvalue

T=dampingtimecosntant

U=updaterate

進(jìn)一步分析計(jì)算，t是運(yùn)行時(shí)間，T為阻尼時(shí)間常數(shù)，隨著時(shí)間t的不斷增加，輸出值由上次值變?yōu)楸敬沃担�整個(gè)變化過程呈階梯上升[1]。

當(dāng)t為0時(shí)，即開始階段的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×（1-1）=上次

當(dāng)t為T時(shí)，即經(jīng)過一個(gè)時(shí)間常數(shù)后的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×63.212%

當(dāng)t為正無窮時(shí)，即#后階段的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×（1-0）=本次

 

類似上述阻尼系數(shù)計(jì)算方式，另一種重慶川儀的濾波阻尼計(jì)算公式如下：

式（2）中，P為經(jīng)過濾波阻尼計(jì)算的終值，P0為前一次濾波阻尼計(jì)算值，P1為本次濾波阻尼的計(jì)算值，D為0s~32s之間的數(shù)值。通過D值的大小調(diào)整濾波阻尼的響應(yīng)效果，將上述兩種濾波算法加入儀表中實(shí)現(xiàn)C語言示例代碼如下：

 

doublePreviousValue,NewValue,DampValue,Tconst,t;

DampValue=PreviousValue+(NewValue-PreviousValue)*(1-exp(-t/Tconst));

DampValue=PreviousValue*Tconst/(Tconst+0.4)+NewValue*0.4/(Tconst+0.4);

 

2輸出函數(shù)

Rosemount3051型壓力變送器中，3051CD為差壓（DP）變送器、3051CG為表壓（GP）變送器、3051CA為絕壓（AP）變送器、3051L為液位變送器。3051有兩種輸出設(shè)置：線性輸出和開方輸出。開方輸出是為了配合流量測量，讓儀表的輸出壓力值與流量值成正比例。當(dāng)用戶選擇壓力變送器為開方輸出模式，當(dāng)變送器檢測到輸入壓力過小接近于零時(shí)，變送器會自動切換到線性輸出模式，以確保在接近零點(diǎn)處輸出更為平緩而不是突變（見Rosemount說明書3.9.2）。在坐標(biāo)上X為滿量程流量值%，Y軸為滿量程輸出mA值[2]。詳細(xì)的說明如下：

由壓力傳感器元件的特性限制，當(dāng)0＜X≤0.6%時(shí)，K＜1.0；當(dāng)0.6＜X＜0.8%時(shí)，K=42.0；當(dāng)X≥0.8%時(shí)，K根據(jù)所設(shè)置量程變化。

 

例如，在K=0.36時(shí)，如果依舊用開方輸出，則K變?yōu)?.6比原來的0.36變化更劇烈，影響小壓力的變送輸出效果。因此，當(dāng)小于0.6%時(shí)，開方輸出變?yōu)榫�性輸出。而當(dāng)K>0.6時(shí)，如K由42.0變?yōu)?.48則變化更平緩，變送輸出效果變好。因此，將0.6%作為線性輸出到開方輸出的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

 

需要注意的是K值往往隨著量程比變化，當(dāng)量程比越大，X值量程越大，Y值量程不變，K值越小越平緩。反之，量程比越小，X值量程越小，K值越大越陡峭，輸出變化越劇烈影響變送輸出效果。常用的做法是量程比小時(shí)（小于10:1），變送器本地開方輸出保證變送效果；量程比大時(shí)（大于10:1），變送器線性輸出保證變送效果（在后端系統(tǒng)中開方）[3]。

 

3051變送器為兩線制4mA～20mA輸出，硬件具有自我診斷功能。當(dāng)診斷檢測到故障之后，變送器會把環(huán)路電流強(qiáng)置到正常飽和值范圍之外，變送器可以根據(jù)故障模式報(bào)警跳線的位置，把輸出強(qiáng)制設(shè)置為高值或低值。依據(jù)4mA～20mA的HART報(bào)警定義：低時(shí)，4mA～20mA飽和電流為3.9mA，報(bào)警電流≤3.75mA；高時(shí)，4mA～20mA飽和電流為20.8mA，報(bào)警電流≥20.75mA。在進(jìn)行3051的零點(diǎn)調(diào)整時(shí)，零壓力下的變送器PV值必須在URL的3%范圍之內(nèi)，才能夠使用零點(diǎn)調(diào)整功能進(jìn)行校準(zhǔn)操作。

 

3開方運(yùn)算

壓力變送器和差壓變送器的輸出方式有線性輸出和開方輸出。上述文中已經(jīng)對兩種方式的輸出特點(diǎn)做了說明，但是針對開方輸出，輸出的具體計(jì)算公式一直未明確。如變送器設(shè)置為開方輸出，后端的積算儀設(shè)置為開方采集。如果變送器的下限為0時(shí)，開方的計(jì)算公式不會混淆，但一旦不為0時(shí)，積算儀二次表采集就會出現(xiàn)混亂造成瞬時(shí)流量和累積流量錯誤，且不易發(fā)現(xiàn)問題。

舉例說明：變送器的下限為2kPa（4mA）、上限為10kPa（20mA）。

當(dāng)變送器設(shè)置為線性輸出，差壓為5kPa時(shí)，輸出量程37%，電流10.0mA。

當(dāng)變送器設(shè)置為變送輸出，差壓為5kPa時(shí)，輸出量程37.961%，電流13.8mA。開方的內(nèi)容是指電流值（百分比），而不是針對具體的電壓值進(jìn)行逐個(gè)開方，可以理解為將線性輸出的電流百分比值計(jì)算好以后再進(jìn)行開方運(yùn)算得到的結(jié)果。

錯誤的計(jì)算公式計(jì)算電流為11.52mA：

由計(jì)算公式可以很明顯地看出，當(dāng)變送器下限為0時(shí)，兩個(gè)計(jì)算公式的結(jié)果相同，沒法察覺錯誤的產(chǎn)生。目前，市場在用的積算儀、流量計(jì)算機(jī)針對變送器的開方運(yùn)算也在用上述錯誤的計(jì)算公式。因此，沒有特殊原因的情況下，盡可能把變送器的下限設(shè)置為0[5,6]。

 

4溫度補(bǔ)償

壓力傳感器的元件特性受溫度影響較大，做溫度測量的感溫元件一般有RTD和NTC[7]，電阻封裝的RTD溫度特性遵循Callender-vanDusen公式：

依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，α為3.9083E-3，δ為-5.775E-7，β為-4.183E-12。

式（4）中：Rt是t℃時(shí)的電阻值。

R0是0℃時(shí)的電阻值。

A、B、C是傳感器的特定常數(shù)。

依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，A為3.9083E-3，B為-5.775E-7，C為-4.183E-12。

 

針對壓力和差壓傳感器溫度補(bǔ)償?shù)馁Y料有很多，傳統(tǒng)的壓力傳感器有藍(lán)寶石壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器和電容式差壓傳感器及單晶硅壓力傳感器。傳感器受元件的自身特性影響，在20℃標(biāo)定的數(shù)值，一旦環(huán)境溫度發(fā)生較大變化就會對傳感器自身的非電量特性產(chǎn)生影響。溫度補(bǔ)償方式分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償?shù)姆�(wěn)定性較好，利用元件自身的溫度特性將壓力傳感器的溫度偏移抵消掉。軟件補(bǔ)償是目前較為常用的補(bǔ)償方法，針對傳感器現(xiàn)在的應(yīng)用環(huán)境分幾個(gè)溫區(qū)（-30℃、-10℃、20℃、50℃和70℃）進(jìn)行逐點(diǎn)標(biāo)定，然后將這些數(shù)據(jù)結(jié)合坐標(biāo)軸的壓力和溫度點(diǎn)一起寫入傳感器后端的處理電路中，保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的介質(zhì)一般為flash、eeprom或者鐵電存儲器，溫度補(bǔ)償?shù)倪^程會影響變送器的輸出準(zhǔn)確度及變送效果。

 

5結(jié)論

詳細(xì)闡述了壓力變送器阻尼系數(shù)、輸出函數(shù)、開方運(yùn)算和溫度補(bǔ)償，讓使用者更明確壓力變送器上述幾個(gè)參數(shù)的設(shè)置過程，對變送器線性輸出和開方輸出在壓力零點(diǎn)附近的函數(shù)切換做了詳盡的解釋，變送器斜率大時(shí)選擇開方輸出，斜率小時(shí)選擇線性輸出。并說明了當(dāng)變送器下限不為零時(shí)，變送器的開方計(jì)算過程。本文有助于儀表從業(yè)者對工業(yè)變送器的正確設(shè)置和應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的應(yīng)用效果。