绝压变送器的零点调整与分析

绝压变送器的零点调整与分析
秦亭亭　洪扁　马力　冯齐斌 / 上海市计量测试技术研究院
摘　要　首先分析了绝压变送器的结构原理、使用环境、人为调试等方面影响产生零位漂移的现象；然后研究了不同量程的绝压变送器在进行零点调整时产生的线性误差；最后，针对小量程绝压变送器校准过程中由于设备真空度不足造成的线性差问题，提出了采用“分子泵-机械泵”双级泵真空系统来进行零点调整的方法。

关键词　绝压；表压；变送器；零位漂移；校准
0　引言
压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备。

它能感受压力并将压力信号转变为可传送的标准输出信号，如4 ~ 20 mA电流信号或1~5 V电压信号。

压力变送器因其具有工作可靠、准确度等级高、性能稳定、抗干扰能力强和测量信号传输距离远等优点，在工业现场得到了广泛的使用。

压力变送器根据压力类型可以分为表压变送器、差压变送器和绝压变送器。

表压力是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，或者相对将大气压作为零压力就称为表压力。

一般压力仪表，若无特殊装置，其零点压力实际就是当时的大气压，表压力常用p g表示。

差压是指两个压力之间的差值，或者是以大气压力以外的任意压力作为零点所表示的压力，用p d 表示。

绝对压力（简称绝压）是相对于绝对真空所测得的压力，即从完全的零压力开始所测得的压力。

它是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力，也叫不带条件起算的全压力。

一般用p a或者abs表示绝对压力。

从结构上来说，表压和差压变送器的低压室膜片直接与大气接触，处于大气压环境时即为其压力零点。

输出信号为4~20 mA的表压或差压变送器在大气压环境中的理论输出电流值（简称理论输出值）为4 mA。

该类变送器在校准过程中若出现零点漂移现象，可利用调整工具在大气压环境下直接对其进行零点调整。

对于输出信号为4~20 mA的绝压变送器，其在真空状态下的理论输出值才为4 mA，而现实条件下完全真空是不可能实现的。

因此，在实际校准过程中对绝压变送器进行零点调整时，应该考虑系统真空度对其零点产生的影响。

1　绝压变送器的零位漂移
在分析历年来客户送检变送器的校准数据时发现，相对于表压与差压变送器，绝压变送器更容易产生零点漂移，有的甚至在周期检定时输出值已严重超差。

例如，分析某核电公司每年周期送检的大量ROSEMOUNT的3051系列变送器数据时发现，对于该系列的表压和差压变送器，其周期稳定性较好，零位漂移较小，测量误差与回程误差均在允许范围内；而反观该系列的绝压变送器，往往零位漂移严重，偏差较大。

分析其原因，主要有以下几点：
1）测量原理与结构方面，3051系列的压力变送器工作时，介质压力通过变送器高、低侧的隔离膜片和灌充油传递到δ室中心的测量膜片，该测量膜片是一张紧的弹性元件，用于检测作用在测量膜片上的差压。

测量膜片的位移与差压成正比。

测量膜片的位置由它两侧的电容固定极板通过直接数字电容电路检测出来，如图1所示。

对于表压和差压变送器，大气压如同时施压在传感膜片的低压侧，在高压侧无压力作用下，膜片两端为对称结构，容易实现压力平衡。

但是，对于
绝压变送器，其低压侧始终保持一个参考压力（即高真空基准室），这样传感器膜片两端为非对称结构，也就是无论参考腔体漏气还是材料变形等因素均会
导致零位变动，即发生零位漂移。

图1　变送器敏感元件图
2）使用现场环境影响
绝压变送器的稳定性受温度影响较大。

例如，核工厂内的冷却水管道上使用的变送器，往往接触介质的温度可达100 ℃。

当这些绝压变送器在高温、真空状态下工作时，腔体内的隔离膜片因真空而外鼓，于是密封系统内的压力降低，填充液黏度随着下降，从而导致硅油的挥发性增强，沸点降低，热膨胀性增强，出现硅油部分气化、体积膨胀，使隔离膜片变形，进而产生零位漂移。

而当这些仪表送进计量实验室进行周期检定时，应在JJG 882-2004《压力变送器》检定规程中规定的环境条件进行计量检定，并应按照检定规程的要求对变送器的零点进行调整。

3）使用人员的错误调整
本院每年都会接收到数百台送检的绝压变送器，其中，有些企业的一批量绝压变送器均出现示值超差现象，究其原因发现，该企业仪表检修人员在检修绝压变送器时常常会发生调整错误。

例如，某单位送检的一批3051系列10 MPa 量程、4~20 mA 输出的绝压变送器，其在“真空状态”（即计量设备所能达到的最大真空度）下的实际输出电流值（简称“实际输出值”）均比理论输出值小。

分析原因发现，10 MPa 量程的绝压变送器在大气压环境下（标准大气压为101.321 kPa）的理论输出值为4.162 mA，接近于4 mA，这时，很多检修人员会误把这批变送器当作表压变送器处理，在大气压环境下直接对其进行清零操作而导致这些变送器在“真空状态”的实际输出值会低于理论输出值。

相对“零点”调整的误操作，有些企业常常会对绝压变送器的满量程进行错误调整。

例如，量程为0~100 kPa、4~20 mA 输
出的绝压变送器，其在100 kPa 绝压下的理论输出值应为20 mA，若在当地大气压为102 kPa 时，其理论输出电流应为20.32 mA。

当检修人员发现这些变送器的输出电流高于20 mA 时，会误在大气压状态下对该表进行满量程电流调整，致使该变送器量程扩大，也对其零位电流产生了影响。

2　绝压变送器校准过程中的零点调整
目前，对绝压变送器采用压力控制器配合机械泵的方法进行检定与校准，见图2
所示。

图2　压力变送器校准系统
采用FLUKE PPC4压力控制器作为压力标准器，其量程为0~110 kPa，最大允许误差为±0.01%。

机械泵采用EDWARDS 的RV5系列，极限压力为 3 Pa。

在使用该套设备对绝压变送器进行检定和校准时发现，由于各连接管路线路较长且无法实现线路的完全密封，实际使用过程中系统极限压力仅能稳定在绝压50 Pa 左右。

在对压力变送器进行测量误差项目的校准时，依据JJG 882-2004中6.2.3.3条的规定进行操作：检定前，用改变输入压力的办法对输出下限值和上限值进行调整，使其与理论的下限值和上限值一致。

一般可以通过调整“零点”和“满量程”来完成。

由于设备的局限性，日常检定校准工作中，只能以50 kPa 真空度作为绝压零位对绝压变送器进行零点调整。

在对一系列不同量程的绝压变送器调整过程中发现：按照同样方法调校大量程绝压变送器（一般指绝压变送器量程大于大气压）最终测量误差满足准确度要求，线性合乎标准。

但是对于小量程绝压变送器（一般指绝压变送器量程小于大气压），其线性与准确度往往不符合要求。

分析原因可以发现，对于大量程绝压变送器，如对准确度等级0.1级、测量范围0~100 kPa 的绝压变送器进行校准时，当系统抽到真空50 Pa 时，此时该绝压变送器理论输出电流为4.008 mA，如以此为绝压零位，将绝压变送器输出值调整为4 mA，再加压至绝压100 kPa，将输出值调整为20 mA。

调校成功后依据检定规程对其输出值进行校准，发现测
量误差和线性均符合要求。

分析可知，对于0.1级，测量范围为0 ~ 100 kPa、输出值为4 ~ 20 mA 的绝压变送器，其输出的最大允许误差为0.016 mA。

在使用真空系统对其进行零点调整时，舍去的0.008 mA 在其误差允许范围内，因此，以绝压50 Pa 为绝压零位调零，不会对其线性产生影响。

但是，对于小量程绝压变送器，如对准确度等级0.1级、测量范围为0 ~ 40 kPa abs 的绝压变送器进行检定时，当压力稳定在绝压50 Pa 时，绝压变送器理论输出值为4.020 mA，该电流值大于绝压变送器的最大允许误差值0.016 mA。

因此，调零舍去的电流值会对其测量误差造成影响，导致绝压变送器测量误差超差。

另外，JJG 882-2004中6.2.3.3条规定，绝压变送器的零点绝对压力应尽可能小，由此引起的误差应不超过允许误差的1/20~1/10。

对于4 ~ 20 mA 输出的0.1级绝压变送器，其允许误差为±0.016 mA，按照该条规定，零点绝对压力引起的误差应不超过±（0.000 8~0.001 6）mA，而对于目前实验室使用的校准系统，其50 Pa 的极限真空度所引起的误差已经远远超过了规程规定的绝压变送器的零点绝对压力误差要求。

因此，想要使用该系统对绝压变送器零点调整，必须进行改进。

3　解决办法
为保证绝压变送器的零点绝对压力尽可能小，一种方法是使用真空泵对变送器进行直接抽压，如图3
所示。

图3　机械泵抽真空法
该方法可以避免气路过长和控制器等产生的泄露对机械泵真空度的影响，使用机械泵对绝压变送器直接抽压。

输出电流恒定不变时，可认为此时压力稳定在了真空泵的极限压力处，可以进行零点调整。

该方法避免了系统不必要的泄漏对真空度的影响，但由于系统连接管路细且短，其真空度难以稳定，且无法显示系统实时真空值，因此，实际校准过程中无法使用该方法。

为了保证系统可以稳定在较小的真空度并可以实时显示，在结合真空校准的基础上，提出使用“分
子泵-机械泵”双级泵真空系统来实验绝压变送器的零点调整与低值读取。

具体设计原理如图4所示。

高进气阀门
绝压变送器
图4　分子泵、机械泵机组
被检绝压变送器安装完毕后，进行抽真空操作，开启机械泵及相应阀门，低真空计显示20 Pa 以下后，打开电磁阀，启动分子泵；低真空计显示0.1 Pa 以下时开启高真空计查看真空度； 该设备结合真空计量的方法，可以实现机械泵与分子泵的转换，并实时显示系统真空度，采用薄膜真空计作为标准器，可以通过校准溯源至真空标准，进而完成低真空度下绝压变送器的零点调整。

4　结语
绝压变送器在实际使用过程中，由于环境因素、人为因素等影响，往往会产生零点漂移。

因此，当绝压变送器送至实验室进行校准时，常常需要零点调整。

本文在目前使用的压力变送器校准装置基础上，分析了不同量程下绝压变送器因零点调整产生的线性误差影响。

最后针对小量程绝压变送器，提出了一种使用“分子泵-机械泵”双级泵真空系统来进行零点调整的方法，取得了较好的实验效果。

参考文献
[1] 张玲玲，焦改红.绝压、负压变送器的调校及使用[J]. 中国仪器
仪表，2013（7）：43-45.
[2] 张晓华，田喜凡.绝压变送器应用中的故障现象及处理[J].中国计
量，2016（2）：117-119.
[3] 陈巍.绝压变送器应用中的故障现象及处理[J].生产质量，2017
（7）：31-34.
[4] 张伟.浅谈绝压变送器的校验和在实际应用中应注意的问题[J].四
川化工，2012（6）：32-33.
[5] 全国压力计量技术委员会.JJG 882-2004压力变送器检定规程[S].
北京：中国计量出版社，2004.
[6] 王海国，段小鹏.3051型压力变送器维修技术初探[J].中国计量，
2008（8）：118.
[7] 宋长安，邵佳锋，刘恩庆.分子泵获取高真空实验研究[J].甘肃科
技，2004（10）：113-115.
[8] 丁基敏.国内电容薄膜式压力变送器发展现状[J].上海计量测试，
2002，29（1）：33-34.
[9] 吴明清.绝对压力变送器在天然气流量计量中的应用[J].工业计
量，2005（S1）：74-76.
（下转第53页）
提供最优的技术装备，最大限度地发挥其社会效益和经济效益[5-6]。

上海市第九人民医院在管理工作中，尽可能使管理的科学性与合理性得到充分发挥，建立了信息化的管理机制，保证计量器具均进行周期检定，并建有完整档案；经常组织科室分析、研究计量结果，保障计量器具的整体质量良好和体系的有效运转。

4　结语
医学计量是确保计量器具准确、可靠、有效、安全的必要手段，是医疗质量保障体系的技术基础和重要保证，是医院现代化管理的重要内容。

计量器具的准确性直接关系到患者的生命安全和身体健康，只有将计量管理方式和计量技术手段用于医疗质量控制环节，通过计量检定、校准发现并解决计量器具存在的问题，才能避免医学计量不准确带来的社会危害，才能使患者获得可靠的诊断和治疗。

因此，医学计量不仅在一定程度上保护社会公众的利益，满足人民日益增长的美好生活需要，也为医疗机构的医疗质量安全提供了技术保障。

参考文献
[1] 杨雪怡.新形势下医学计量管理工作应注意和把握的几个问题探
讨[J].中国医疗器械信息，2018，24（10）：161-162.
[2] 李承君.完善医疗机构医学计量管理[J].上海计量测试，2016
（5）：62-63.
[3] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1139-2005计量器具检定
周期确定原则和方法[S].北京：中国计量出版社，2006.
[4] 罗伟，王凯.基于RFID技术的医疗设备质量追溯系统设计及应用
[J].医疗卫生装备，2016，37（3）：51-54.
[5] 姚苏莹.加强医学计量工作须探讨的几个问题[J].医疗卫生装备，
1996（2）：33-35.
[6] 黄莉洁，叶菁，赵智慧，等.提高医学诊疗设备计量服务水平[J].
上海计量测试，2017（4）：53-55.
Zero ajustment and analysis of the absolute
pressure transmitter
Qin Tingting，Hong Bian，Ma Li，Feng Qibin （Shanghai Institute of Measurement and Testing
Technology）
Abstract: This paper first analyzes the phenomenon of zero drift caused by the influence of structure, operation environment and artificial debugging on the absolute pressure transmitter, and then studies the linear error produced by zero adjustment of different range of absolute pressure transmitter. Finally, aiming at the linear problem caused by the lack of vacuum degree in the calibration process of small range absolute pressure transmitter, a method of zero adjustment is put forward, which uses "molecular pump-mechanical pump" two stage pump vacuum system. Key words: absolute pressure; gauge pressure; transmitter; zero drift; calibration
（上接第47页）
展开，据了解，经处理的生物柴油混合汽油的实验已经在部分地区公交车上试运作，这有助于餐饮单位主动安装油水分离器收集老油，回收利用以降低运营成本。

5　结语
相信通过以上一系列手段，可以更好地引导行业的发展，促进环保产业在市场竞争中取得先行优势和有利条件。

参考文献
[1] 徐根良，曾静，翁建庆.含有废水处理技术综述[J].水处理技术，
1991，17（1）：1-12.
[2] 环境保护部. HJ 554-2010餐饮业环境保护技术规范[M].北京：中
国环境科学出版社，2010.
[3] 王桥，杨一鹏，黄家柱，等.环境遥感[M].北京：科学出版社，
2005.
[4] 陈志莉，叶茂平.含油污水处理絮凝剂的选用研究[J].环境保护，
2002（1）：20-21.
[5] 张国徽.培育和发展餐饮油烟净化产业[J].环境保护与循环经济，
2010（6）：26-27.
（上接第49页）。