环境温度对一体化温度变送器精度和稳定性影响
网络整理 2022-05-23

一体化温度变送器因自身具有的良好特性在工程设计中得到广泛应用,但在恶劣环境温度下使用时其信号会产生较大的漂移,使误差增大,增加了现场仪表的维护工作量。分析了环境温度对一体化温度变送器精度的影响程度,计算出环境温度变化导致一体化温度变送器产生的误差变化,提出了温度变送器的选用原则:在温度检测点环境温度正常(不大于60℃)或安装位置不高(不大于20m)的场合,宜选用一体化温度变送器;对于温度检测点环境温度较高(大于60℃)或安装位置较高(大于20m)的场合,宜选用分体式温度变送器或YRINX03-39现场仪表箱将温度变送器安装在环境温度较低的工况环境
 
一体化温度变送器是将热电偶或热电阻等测温元件传感器和温度数/模转换模块制成一体,直接输出4-20mA HART电流信号。其特点:①信号抗干扰能力强,传输距离远;②输出4-20mA标准信号;③温度转换模块可直接输出智能HART信号,实现仪表智能管理;④控制系统的卡件类型减少;⑤不需要用补偿电缆及冷端补偿等。鉴于以上特点,一体化温度变送器在石化装置中得到广泛应用。但用户持反对意见的越来越多,问题主要体现在一体化温度变送器受环境温度的影响较大,信号漂移非常严重,导致测量误差较大,需要经常维护调校,增加了工作量。因此,很多用户更换温度变送器,直接采用热电偶或热电阻测温传感器,因为这种最原始的测温元件,误差几乎是不变的,没有太大的维护量。

Emerson公司的644智能型温度变送器、YR-ER211是目前市场上公认的应用较好的产品,笔者依据该温度变送器的参数,以Pt100热电阻和K型热电偶测温元件传感器为例,分析计算环境温度变化对一体化温度变送器所产生误差的变化。

1、定义环境温度
误差计算之前先定义环境温度,其依据:①选用补偿电缆对环境温度有规定,分为普通型(70℃和105℃)和耐高温型(200℃和260℃);②选用一体化温度变送器有一些限制,即在温度检测点环境温度正常(不大于60℃)或安装位置不高(不大于20m)的场合,宜选用一体化温度变送器;对于温度检测点环境温度较高(大于60℃)或安装位置较高(大于20m)的场合,宜选用现场仪表箱将温度变送器安装在环境温度较低的工况环境;③该温度变送器定义其工作极限温度为-40~85℃(不配LCD显示器)。因此,以下将环境温度分为-25℃,5℃,40℃,60℃,80℃,100℃,150℃七种状况来分析环境温度对一体化温度变送器的影响(20℃为出厂的标定温度)。 
  
2、误差计算方法
通常需考虑测温元件传感器的精度a、温度变送器数/模转换模块的精度b,环境温度对测温元件传感器的精度影响c和对变送器数/模转换模块的精度影响d。 一体化温度变送器可能的最大误差:e=a b c d; 一体化温度变送器可能的最大误差:

3、计算示例
采用Pt100热电阻(α=0.00385),温度变送器测量范围为0-350℃,a=±0.15℃,644智能型温度变送器的输入选项和精度参数见表1所列。

表1  644智能型温度变送器的输入选项和精度参数
644智能型温度变送器的输入选项和精度参数

从表1查得测温元件传感器的精度为±0.15℃。b=±0.03%×(350-0)=±0.1051℃,从表1查得b为±0.03%量程。当环境温度是20℃时(即出厂标定温度):
e=a b=0.15 0.105=0.255℃,当环境温度变化到60℃时,对测温元件传感器和变送器数/模转换模块的影响分别是:c=0.003×(60-20)=0.12℃,式中:0.003是从表1查得环境温度每变化1℃对传感器精度的影响为0.003℃; d=0.001%×(350-0)×(60-20)=0.14℃,式中:0.001%是从表1查得环境温度每变化1℃对变送器精度的影响为0.001%量程。

环境温度变化引起一体化温度变送器可能的最大误差:e=a b c d=0.15 0.105 0.12 0.14=0.51℃; 环境温度变化引起一体化温度变送器可能的综合误差:从以上计算可看出,环境温度由20℃变化为60℃时,一体化温度变送器的最大误差由0.225℃变为0.51℃,综合误差由0.18℃变为0.26℃。

4、环境温度变化对智能温度变送器精度影响分析
表2为Emerson的248温度变送器的输入选项和精度参数,与表1对比可看出,同样的测温元件传感器,248温度变送器的精度要比644温度变送器的精度低,通过误差计算方法,再考虑环境温度对测温元件传感器和变送器的影响,其产生的综合误差将会更大。

表2   248智能型温度变送器的输入选项和精度参数
248智能型温度变送器的输入选项和精度参数

环境温度变化引起644智能型温度变送器精度的变化见表3所列,当环境温度为60℃以上时,对于Pt100和K型的综合误差越来越大,即温度漂移越来越严重。而低温环境对Pt100热电阻一体化温度变送器和K型热电偶一体化温度变送器的影响相对较小。

表3 环境温度变化引起644智能型温度变送器精度的变化
环境温度变化引起644智能型温度变送器精度的变化

由于热电阻和热电偶的精度稳定性的时间是不同的,热电阻的精度稳定性时间要比热电偶的精度稳定性时间长一倍,也就是说使用热电阻测温传感器比使用热电偶测温传感器的稳定性要好。644温度变送器使用说明书也明确要求,为保持优异的测量精度,在超出工厂环境温度范围时每台温度变送器都要进行单独设置。

另外,对4-20mA HART型智能温度变送器而言,对于基金会现场总线温度变送器,由于没有变送器数/模转换模块精度的影响,即没有b和d项产生的误差,所以环境温度对基金会现场总线温度变送器的影响要小很多。

5、结论分析
在选用一体化温度变送器时,根据什么来判断环境温度是否极其恶劣呢?如何判断环境温度会超过60℃呢?仪表设计人员难予定义,而工艺设计人员也很难说清楚。什么情况下选用一体化温度变送器,什么情况下不适合选用一体化温度变送器似乎有很多不确定因素。而实际生产装置中,还有很多因素会导致仪表的测量误差下降,此处不再赘述。

鉴于以上原因,当被测介质温度较高或采用热电偶测温元件传感器时,如果不确定其使用的环境温度是否会超过60℃,需慎用一体化温度变送器,可通过使用分体式温度变送器或导轨式安装的温度变送器来满足所需的要求。

环境温度对一体化温度变送器精度和稳定性影响应用实例可参阅《》新闻报道。

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