Jeśli kiedykolwiek zrobiłeś „zdrowy”przetwornik ciśnieniaodłączony od linii, podłącz go do kalibratora i bez wyraźnego powodu okazało się, że odczytuje pół procenta od zera. Znasz już frustrującą część tego problemu: dryf rzadko się ogłasza. Nie ma alarmu „Twoja pętla 4–20 mA powoli Cię okłamuje”. Proces po prostu zaczyna działać trochę bogato, trochę ubogo lub zaczyna działać kontroler poziomu i nikomu nie przychodzi do głowy zrzucać winy na przetwornik, dopóki nie zostaną sprawdzone trzy inne rzeczy.
W tym artykule omówiono, co faktycznie dzieje się wewnątrz czujnika, gdy nadajnik dryfuje, dlaczego tak się dzieje nawet w przypadku-dobrze utrzymanego sprzętu i co odróżnia nadajnik, który utrzymuje kalibrację przez lata od takiego, który wymaga opieki nad dzieckiem.
Co właściwie oznacza „dryf” w pętli 4–20 mA
Zanim przejdziemy do przyczyn, warto dokładnie określić, czym jest dryf, ponieważ rozwiązanie zależy od typu, z którym masz do czynienia.
Zerowy dryfprzesuwa cały wynik o stałe przesunięcie. Jeśli przetwornik ma wysyłać 4 mA przy 0%, a zamiast tego wysyła 4,3 mA, to samo przesunięcie 0,3 mA pojawia się w każdym punkcie skali - 50% odczytów jest wysokie z tym samym marginesem co 0%. Ten błąd jest zwykle łatwy do wykrycia i łatwy do skorygowania za pomocą trymowania zera pola.
Dryf rozpiętościjest bardziej irytujący. Błąd rośnie w miarę oddalania się odczytu od zera, więc przetwornik może wyglądać doskonale przy niskich wartościach procesowych i różnić się o procent lub więcej w pobliżu pełnej skali. Oto, co objawia się tym, że „przepływomierz przez większość dni wskazuje dobrze, ale coś szwankuje podczas szczytowego obciążenia” i jest to dokładnie ten rodzaj błędu, za który obwinia się proces, zanim ktokolwiek sprawdzi przyrząd.
Większość przetworników, które zawodzą w terenie, wykazuje kombinację obu parametrów plus pewną histerezę, dlatego też prawdziwa kontrola kalibracji - a nie tylko-porównanie odczytu na żywo z innym miernikiem - to jedyny niezawodny sposób na potwierdzenie dryftu.
Rzeczywiste przyczyny dryfu
Nic z tego nie jest tajemnicze. Gdy przetwornik opuszcza warsztat i zostaje oddany do użytku, te same czynniki, takie jak: temperatura, zmiany ciśnienia, wilgotność, wibracje i zwykłe starzenie się podzespołów, - odpowiadają za prawie całą-długoterminową utratę dokładności [1]. Oto jak faktycznie wygląda każda z nich.
Cykl termiczny na elemencie czujnika
Każdy czujnik ciśnienia ma współczynnik temperaturowy, co oznacza, że jego zero i zakres nieznacznie zmieniają się wraz z temperaturą otoczenia lub procesu. Jest to kompensowane przez kalibrację fabryczną, ale powtarzające się cykle ogrzewania i chłodzenia - zbiornik napełniany gorącym produktem i opróżniany do temperatury otoczenia, instalacja zewnętrzna, w której temperatura w dzień i w nocy waha się 40 stopni F - powodują ciągłe naprężenia mechaniczne membrany i jej połączenia. Po wystarczającej liczbie cykli krzywa kompensacji zbudowana przez fabrykę przestaje odpowiadać rzeczywistości tak blisko, jak kiedyś.
Zmęczenie membrany i pełzanie materiału
Sam element czujnikowy porusza się, nawet jeśli o mikrony. Cienkie-ogniwa pojemnościowe z cienką membraną są podatne na powolne pełzanie w punkcie zerowym po latach cyklicznych zmian ciśnienia, a elementy piezorezystancyjne również nie są odporne - sama struktura kryształu zmienia się nieznacznie pod wpływem długotrwałego naprężenia. Jedna z często cytowanych danych z badań oprzyrządowania wskazuje, że typowy dryft zerowy dla czujników pojemnościowych w ciągłej pracy przemysłowej mieści się w przedziale od kilku setnych do kilku dziesiątych procenta rocznie [2] - na papierze jest to niewielka wartość, ale wystarczająca, aby mieć znaczenie w przypadku ściśle kontrolowanego-transferu lub pętli bezpieczeństwa na przestrzeni kilku lat.
Starzenie się podzespołów elektronicznych
To nie tylko czujnik. Elektronika kondycjonująca sygnał, przetwornik A/D, napięcie odniesienia - – wszystko to się starzeje. Kondensatory lekko wysychają, wartości rezystorów rosną, a w przypadku starszych przetworników analogowych samo to może wyjaśniać znaczący udział w całkowitym obserwowanym dryfie. W dużej mierze jest to powód, dla którego inteligentne przetworniki oparte na mikroprocesorach-z reguły utrzymują kalibrację zauważalnie lepiej niż starsze jednostki analogowe w tym samym okresie użytkowania - po prostu pozostaje mniej obwodów analogowych do dryftu.
Wpływ ciśnienia statycznego na przetworniki DP
To zaskakuje wiele osób. W przypadku przetwornika różnicy ciśnień mierzącego małą różnicę w linii pracującej pod wysokim ciśnieniem statycznym (liniowym), błąd samego ciśnienia statycznego przekłada się na błąd odczytu DP -, nawet jeśli ciśnienie statyczne nie jest zmienną, którą mierzysz. Zastosowania o wysokim-statycznym DP, czego częstym przykładem jest przepływ pary, są nieproporcjonalnie częściej zgłaszane w przypadku skarg związanych z dryftem właśnie z tego powodu.
Mechaniczne naprężenia instalacyjne
Przetwornik dokręcony zbyt mocno do przyłącza procesowego lub zamontowany na kolektorze w sposób nieco odbiegający od rzeczywistego, znajduje się pod obciążeniem, zanim w ogóle osiągnie ciśnienie procesowe. To naprężenie bazowe nie zawsze pojawia się pierwszego dnia -, pojawia się jako przesunięcie zerowe kilka miesięcy później, gdy cykle termiczne i wibracje rozluźniają je lub pogłębiają. Wibracje pochodzące z pobliskich pomp i sprężarek powodują stopniowo to samo.
Zaległa ponowna kalibracja - „Przyczyna”, która tak naprawdę nie jest przyczyną
Warto to nazwać osobno: czasami w ogóle nie ma dramatycznej porażki. Przetwornik po prostu starzeje się zgodnie z opublikowaną roczną specyfikacją stabilności, a okres kalibracji został wydłużony w stosunku do tego, do czego został zaprojektowany przyrząd. Zgrubna kontrola trzeźwości, którą stosują niektórzy technicy terenowi: pomnóż lata pracy przez opublikowaną roczną specyfikację stabilności -, jeśli zmierzony błąd mieści się w tym zakresie, jest to zwykłe starzenie się, a nie usterka. Jeśli jest znacznie większy, bardziej prawdopodobną przyczyną jest coś innego, - ciśnienie termiczne, mechaniczne lub statyczne -.
Przykład terenowy
Inżynier procesu w średniej wielkości-zakładzie dozowania chemikaliów opisał kiedyś występowanie przerywanego alarmu poziomu przez większą część kwartału. Przetwornik poziomu oparty na DP-w reaktorze z płaszczem odczytywał prawidłowo podczas kontroli wyłączania, osiągał wysokie wartości podczas serii produkcyjnych i stabilizował się z powrotem w ciągu nocy -, co sprawiało, że wyglądało to na problem z procesem, a nie z przyrządem. Trzeba było wyciągnąć zapisy kalibracji i-porównać je z dziennikiem temperatury wsadu, aby zauważyć wzór: błąd zakresu przetwornika śledzony niemal dokładnie wraz z cyklami termicznymi płaszcza, a nie samym poziomem. Zamiana przetwornika o niższym opublikowanym współczynniku temperaturowym - i dodanie izolacji termicznej na linii impulsowej - rozwiązało problem bez dotykania elementów sterujących procesem. Lekcja, która pozostała później w pamięci zespołu: nie zakładaj, że porównania odczytów na żywo-wykluczają dryft i nie zakładaj, że stabilny odczyt po wyłączeniu oznacza, że nadajnik działa dobrze pod obciążeniem.
Diagnozowanie driftu, zanim będzie Cię to kosztować
Kilka nawyków wcześnie wychwytuje dryf, zanim przerodzi się on w zakłócenie procesu lub nieudany audyt:
- Porównaj liczby „jak znaleziono” z liczbami „jak pozostało” przy każdej kalibracji, a nie tylko to, czy końcowe czytanie przeszło. Nadajnik, który wymagał dużej korekty, aby przejść pomyślnie, mówi ci coś, nawet jeśli technicznie przeszedł pomyślnie.
- Odpowietrzyć do atmosfery i sprawdzić rzeczywiste zero, a nie tylko porównanie procesu na żywo z innym instrumentem. - dwa dryfujące instrumenty mogą się ze sobą zgadzać i oba się mylą.
- Śledź trend, a nie tylko wynik pozytywny/nieudany.Przetwornik, który podczas każdej kontroli wykorzystuje 80% dopuszczalnej tolerancji, dokądś zmierza; taki, który utrzymuje się na stałym poziomie 5% tolerancji przez lata, prawdopodobnie nie potrzebuje krótszego odstępu.
- Oddziel-zmianę zakresu od rzeczywistej kalibracji.Zmiana wartości dolnego/górnego zakresu inteligentnego nadajnika zmienia to, co wyświetla -, ale nie poprawia dryftu czujnika. To się miesza częściej niż powinno.
Praktyki kalibracyjne, które faktycznie zmniejszają ryzyko dryfu
Użyj odpowiednio identyfikowalnego odniesienia
Kalibracja w terenie jest tak dobra, jak to, z czym jest porównywana. Wzorzec referencyjny powinien być powiązany z krajowym instytutem metrologicznym - NIST w USA lub równoważną instytucją w innym miejscu -, a z reguły przyrząd referencyjny powinien być znacznie dokładniejszy niż testowany przetwornik, co jest powszechnie określane jako współczynnik dokładności wynoszący co najmniej 3:1 do 4:1, określany jako współczynnik dokładności testu (TAR) [3] [4]. Kalibracja przetwornika o wartości znamionowej ±0,075% względem odniesienia, które jest tylko dwukrotnie dokładniejsze, tak naprawdę niczego nie dowodzi.
Ustawiaj interwały na podstawie danych, a nie nawyków
Nie ma uniwersalnego „poprawnego” interwału -. Zależy to od krytyczności pętli, środowiska procesu i wszelkich mających zastosowanie wymagań prawnych. Przeniesienie rozliczeń i pętle-bezpieczeństwa często mają swoje własne, obowiązkowe cykle, niezależnie od zaobserwowanego odchylenia [4]. Ważne jest to, że odstęp czasu jest ustalany na podstawie historycznych danych kalibracyjnych dla tej konkretnej usługi, a nie kopiowany z ogólnych zaleceń producenta i nigdy nie sprawdzany ponownie.
Dopasuj technologię czujnika do zastosowania
Nie każda technologia czujnikowa zachowuje się tak samo pod tym samym obciążeniem. Elementy pojemnościowe mają tendencję do utrzymywania zerowej stabilności przez długi czas; konstrukcje piezorezystancyjne reagują szybciej, ale mogą wykazywać większy dryft przy długotrwałym obciążeniu; cyfrowe przetworniki z-kompensacją mikroprocesorową zazwyczaj przewyższają konstrukcje-wyłącznie analogowe pod względem długoterminowej-stabilności, ponieważ kompensacja temperatury jest obsługiwana obliczeniowo, a nie poprzez starzejące się komponenty analogowe [5]. W przypadku usługi o wysokim-statycznym DP warto zwrócić uwagę na przetwornik z opublikowaną, przetestowaną specyfikacją błędu ciśnienia statycznego, ponieważ - wiele arkuszy danych pomija tę liczbę i jest to dokładnie ten, który przewiduje-rzeczywiste działanie w tej aplikacji.
Co to oznacza w przypadku określania nadajnika
Dla kupującego oceniającego przetworniki, zamiast rozwiązywać problemy z zainstalowanym, praktycznym wnioskiem jest spojrzenie poza podstawową wartość dokładności podaną w pierwszym wierszu arkusza danych. Specyfikacje, które faktycznie przewidują-długoterminowe zachowanie dryfu, znajdują się dalej: opublikowana stabilność roczna (zwykle wyrażana w %/rok), współczynnik temperaturowy w całym zakresie kompensacji oraz - w przypadku przetworników DP - specyfikacja efektu ciśnienia statycznego. Przetwornik o nieco niższej dokładności głównej, ale o większej stabilności, często będzie osiągał lepsze wyniki niż „dokładniejsze” urządzenie po dwóch lub trzech latach użytkowania i wtedy ujawniają się rzeczywiste koszty dryftu: nieplanowana praca związana z ponowną kalibracją, zakłócenia procesu, a w zastosowaniach regulowanych – ustalenia audytu.
Ostatnie przemyślenia
Dryft nie oznacza, że przetwornik jest uszkodzony. - Jest to fizyczna pewność każdego czujnika narażonego-na rzeczywiste zmiany temperatury, naprężenia mechaniczne i starzenie się podzespołów. Problem inżynieryjny nie polega na tym, jak go wyeliminować, ale jak go określić, zainstalować i skalibrować, aby pozostał w przewidywalnym, udokumentowanym paśmie, zamiast pojawiać się jako tajemniczy problem procesowy za sześć miesięcy.
Referencje
- ScienceDirect, „Dokładność przetwornika ciśnienia” -https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057809000329
- GAMICOS, „Drift zerowy przetwornika ciśnienia: przewodnik po diagnostyce i kalibracji” -https://blog.gamicos.com/ciśnienie-przetwornik-zero-dryft-przewodnik po diagnostyce-kalibracji-
- ISA, „Podstawy kalibracji przetworników ciśnienia”, InTech -https://www.isa.org/intech-home/2016/september-october/departments/basics-of-kalibracji-przetworników-ciśnienia
- Control Global, „Kalibracja oprzyrządowania ciśnieniowego” -https://img.controlglobal.com/files/base/ebm/controlglobal/document/2022/08/1661881713031-ct1705calibrating Pressureinstrumentation.pdf
- RealPars, „Co powoduje dryft analogowy?” -https://www.realpars.com/blog/analog-dryft
