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環境溫度對一體化溫度變送器精度和穩定性影響
瀏覽次數:344發布日期:2020-11-18

       一體化溫度變送器因自身具有的良好特性在工程設計中得到廣泛應用,但在惡劣環境溫度下使用時其信號會產生較大的漂移,使誤差增大,增加了現場儀表的維護工作量。分析了環境溫度對一體化溫度變送器精度的影響程度,計算出環境溫度變化導致一體化溫度變送器產生的誤差變化,提出了溫度變送器的選用原則:在溫度檢測點環境溫度正常(不大於60℃)或安裝位置不高(不大於20m)的場合,宜選用一體化溫度變送器;對於溫度檢測點環境溫度較高(大於60℃)或安裝位置較高(大於20m)的場合,宜選用分體式溫度變送器或YRINX03-39現場儀表箱將溫度變送器安裝在環境溫度較低的工況環境。
      一體化溫度變送器是將熱電偶或熱電阻等測溫元件傳感器和溫度數/模轉換模塊製成一體,直接輸出4-20mA+HART電流信號。其特點:①信號抗幹擾能力強,傳輸距離遠;②輸出4-20mA標準信號;③溫度轉換模塊可直接輸出智能HART信號,實現儀表智能管理;④控製係統的卡件類型減少;⑤不需要用補償電纜及冷端補償等。鑒於以上特點,一體化溫度變送器在石化裝置中得到廣泛應用。但用戶持反對意見的越來越多,問題主要體現在一體化溫度變送器受環境溫度的影響較大,信號漂移非常嚴重,導致測量誤差較大,需要經常維護調校,增加了工作量。因此,很多用戶更換溫度變送器,直接采用熱電偶或熱電阻測溫傳感器,因為這種原始的測溫元件,誤差幾乎是不變的,沒有太大的維護量。
Emerson公司的644智能型溫度變送器、YR-ER211等是目前市場上公認的應用較好的產品,筆者依據該溫度變送器的參數,以Pt100熱電阻和K型熱電偶測溫元件傳感器為例,分析計算環境溫度變化對一體化溫度變送器所產生誤差的變化。
1、定義環境溫度
誤差計算之前先定義環境溫度,其依據:①選用補償電纜對環境溫度有規定,分為普通型(70℃和105℃)和耐高溫型(200℃和260℃);②選用一體化溫度變送器有一些限製,即在溫度檢測點環境溫度正常(不大於60℃)或安裝位置不高(不大於20m)的場合,宜選用一體化溫度變送器;對於溫度檢測點環境溫度較高(大於60℃)或安裝位置較高(大於20m)的場合,宜選用分體式溫度變送器或YRINX03-39現場儀表箱將溫度變送器安裝在環境溫度較低的工況環境;③該溫度變送器定義其工作極限溫度為-40~85℃(不配LCD顯示器)。因此,以下將環境溫度分為-25℃,5℃,40℃,60℃,80℃,100℃,150℃七種狀況來分析環境溫度對一體化溫度變送器的影響(20℃為出廠的標定溫度)。   
2、誤差計算方法
通常需考慮測溫元件傳感器的精度a、溫度變送器數/模轉換模塊的精度b,環境溫度對測溫元件傳感器的精度影響c和對變送器數/模轉換模塊的精度影響d。 一體化溫度變送器可能的大誤差:e=a+b+c+d; 一體化溫度變送器可能的大誤差:。
3、計算示例
采用Pt100熱電阻(α=0.00385),溫度變送器測量範圍為0-350℃,a=±0.15℃,644智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數見表1所列。
表1  644智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數

從表1查得測溫元件傳感器的精度為±0.15℃。b=±0.03%×(350-0)=±0.1051℃,從表1查得b為±0.03%量程。當環境溫度是20℃時(即出廠標定溫度):e=a+b=0.15+0.105=0.255℃,;當環境溫度變化到60℃時,對測溫元件傳感器和變送器數/模轉換模塊的影響分別是:c=0.003×(60-20)=0.12℃,式中:0.003是從表1查得環境溫度每變化1℃對傳感器精度的影響為0.003℃; d=0.001%×(350-0)×(60-20)=0.14℃,式中:0.001%是從表1查得環境溫度每變化1℃對變送器精度的影響為0.001%量程。
環境溫度變化引起一體化溫度變送器可能的大誤差:e=a+b+c+d=0.15+0.105+0.12+0.14=0.51℃; 環境溫度變化引起一體化溫度變送器可能的綜合誤差:。從以上計算可看出,環境溫度由20℃變化為60℃時,一體化溫度變送器的大誤差由0.225℃變為0.51℃,綜合誤差由0.18℃變為0.26℃。
4、環境溫度變化對智能溫度變送器精度影響分析
表2為Emerson的248溫度變送器的輸入選項和精度參數,與表1對比可看出,同樣的測溫元件傳感器,248溫度變送器的精度要比644溫度變送器的精度低,通過誤差計算方法,再考慮環境溫度對測溫元件傳感器和變送器的影響,其產生的綜合誤差將會更大。
表2   248智能型溫度變送器的輸入選項和精度參數

環境溫度變化引起644智能型溫度變送器精度的變化見表3所列,當環境溫度為60℃以上時,對於Pt100熱電阻一體化溫度變送器和K型熱電偶一體化溫度變送器的綜合誤差越來越大,即溫度漂移越來越嚴重。而低溫環境對Pt100熱電阻一體化溫度變送器和K型熱電偶一體化溫度變送器的影響相對較小。
表38195;環境溫度變化引起644智能型溫度變送器精度的變化

由於熱電阻和熱電偶的精度穩定性的時間是不同的,熱電阻的精度穩定性時間要比熱電偶的精度穩定性時間長一倍,也就是說使用熱電阻測溫傳感器比使用熱電偶測溫傳感器的穩定性要好。644溫度變送器使用說明書也明確要求,為保持優異的測量精度,在超出工廠環境溫度範圍時每台溫度變送器都要進行單獨設置。
另外,對4-20mA+HART型智能溫度變送器而言,對於基金會現場總線溫度變送器,由於沒有變送器數/模轉換模塊精度的影響,即沒有b和d項產生的誤差,所以環境溫度對基金會現場總線溫度變送器的影響要小很多。
在選用一體化溫度變送器時,根據什麽來判斷環境溫度是否極其惡劣呢?如何判斷環境溫度會超過60℃呢?儀表設計人員難予定義,而工藝設計人員也很難說清楚。什麽情況下選用一體化溫度變送器,什麽情況下不適合選用一體化溫度變送器似乎有很多不確定因素。而實際生產裝置中,還有很多因素會導致儀表的測量誤差下降,此處不再贅述。

        鑒於以上原因,當被測介質溫度較高或采用熱電偶測溫元件傳感器時,如果不確定其使用的環境溫度是否會超過60℃,需慎用一體化溫度變送器,可通過使用分體式溫度變送器或導軌式安裝的溫度變送器來滿足所需的要求。

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