Um die Genauigkeit eines Drucksensors zu berechnen, müssen sowohl die Referenzgenauigkeit als auch die Leistung vor Ort berücksichtigt werden. Der wahrscheinliche Gesamtfehler (ETP) ergibt sich aus der Addition von Unsicherheiten wie der Genauigkeit des kalibrierten Messintervalls, den Auswirkungen der Umgebungstemperatur und den Auswirkungen des statischen Drucks.
In der weiten Welt der Verfahrenstechnik ist die Druckmessung der Grundstein für effiziente, sichere und zuverlässige Arbeitsabläufe.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie und dem Fortschritt der Industrie wird der Bedarf an präzisen Druckmessungen immer größer.
Für Wartungsingenieure, Instrumentierungs- und Steuerungsingenieure und Verfahrenstechniker kann das Navigieren durch das Dickicht der Drucksensoren manchmal wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen sein.
Aber keine Angst! Um eine optimale Leistung zu erzielen, ist es entscheidend, die feinen Nuancen zu verstehen, die die Genauigkeit eines Sensors beeinflussen.
Dieser Artikel befasst sich mit dem Thema Drucksensoren und soll Wartungsingenieuren Aufschluss darüber geben, mit welcher Methode genaue Druckmessungen möglich sind.
Zunächst werden wir erkunden, wie wichtig es ist, die erforderliche Genauigkeit für bestimmte Prozessanwendungen zu definieren. Anschließend entwirren wir den Unterschied zwischen der Leistung vor Ort und der Referenzgenauigkeit und betonen, warum diese Unterscheidung von entscheidender Bedeutung ist.
Später werden wir die Vielzahl von Betriebsbedingungen entschlüsseln, denen ein Drucksensor ausgesetzt sein kann: von schwankenden Umgebungstemperaturen bis hin zu variablen statischen Drücken und deren jeweilige Auswirkungen. Auch die Nullpunktverschiebung, die Reichweitenverschiebung und ihre kumulativen Verzweigungen werden behandelt.
Schließlich werden wir Ihnen eine umfassende Methodik zur Berechnung des wahrscheinlichen Gesamtfehlers eines Drucksensors an die Hand geben.
Wir hoffen, dass Sie am Ende dieses Artikels über das nötige Wissen verfügen, um nicht nur den richtigen Drucksensor auszuwählen, sondern auch dessen Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer hinweg zu gewährleisten. Lassen Sie uns gemeinsam auf diese lehrreiche Reise gehen!
Der erste Schritt besteht darin, die von der industriellen Anwendung geforderte Leistung für den Druckmesspunkt zu definieren.
Die Vor-Ort-Leistung von Drucksensoren sollte im Allgemeinen je nach Anwendung zwischen 0,5 und 2,0 % des kalibrierten Messbereichs liegen. Die folgenden Leistungsziele werden im Durchschnitt für alle Serviceklassifizierungen erwartet: Anlagensicherheit und -effizienz 0,5 %, Umweltkontrolle 1,0 %, Scada-System und verteiltes Kontrollsystem 1,5 % und Anlagenüberwachungssystem und Prozessoptimierung 2 ,0 %. Natürlich handelt es sich hierbei nur um Durchschnittswerte und einige Kunden werden je nach ihren spezifischen Bedürfnissen höhere oder niedrigere Erwartungen haben. Dennoch geben diese Zahlen eine allgemeine Vorstellung davon, welches Leistungsniveau unsere Kunden anstreben.
Die Leistung vor Ort sollte nicht mit der Referenzgenauigkeit verwechselt werden.
Es gibt zwei unterschiedliche Konzepte, wenn man von Messsystemen spricht:
Dies ist die Genauigkeit eines Drucksensors unter bestimmten, kontrollierten Bedingungen, normalerweise in einem Labor. Sie bietet einen Standard oder eine Referenz, mit der die Leistung des Sensors verglichen werden kann. Die Referenzgenauigkeit umfasst die kombinierten Effekte von Nichtlinearität, Hysterese und Nichtwiederholbarkeit unter diesen definierten Bedingungen.
Hierbei handelt es sich um die Leistung eines Sensors oder Messsystems unter realen Bedingungen oder in der Umgebung, für die es bestimmt ist.
Mehrere Faktoren können die Leistung vor Ort beeinflussen, darunter Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Einfluss des statischen Drucks, die zeitliche Stabilität, der Einfluss der Versorgungsspannung, die Montageposition und andere Umweltfaktoren.
Die Leistung vor Ort kann aufgrund dieser äußeren Einflüsse von der Referenzgenauigkeit abweichen.
In der Praxis kann ein Drucksensor zwar unter kontrollierten Bedingungen eine ausgezeichnete Referenzgenauigkeit aufweisen, seine Leistung vor Ort kann jedoch aufgrund der Komplexität und Unvorhersehbarkeit der tatsächlichen Umgebung schwanken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, diese beiden Elemente bei der Bewertung oder dem Einsatz eines Drucksensors für eine bestimmte Anwendung zu berücksichtigen.
Im zweiten Schritt werden die Betriebsbedingungen festgelegt, denen das Gerät ausgesetzt sein wird.
Je nach Anwendung können Drucktransmitter starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sein.
Wenn beispielsweise ein Drucksensor im Freien verwendet wird, kann die Umgebungstemperatur zwischen -20 °C und 60 °C schwanken. Dies unterscheidet sich deutlich von der Verwendung in einem Labor, wo die Umgebungstemperatur stabil und klimatisiert ist.
Ein weiterer Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist der statische Druck auf den Prozess.
Bei einer Differenzdruckmessung verschlechtert sich die Genauigkeit, je höher der statische Druck ist. Bei Sensoren für Absolut- und Relativdruck hat der statische Druck keine Auswirkungen.
Die Kenntnis dieser Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen können, ermöglicht es uns, den wahrscheinlichen Gesamtfehler (ETP) zu berechnen, der die Genauigkeit des Drucksensors unter den Installationsbedingungen der Anwendung definiert, wenn alle einzelnen Fehlerquellen zusammengefasst werden. Dieser Gesamtleistungsfehler ist die Differenz zwischen der positivsten und der negativsten Messabweichung im Vergleich zum tatsächlichen Druck. Er wird berechnet, indem alle möglichen Fehler innerhalb der Grenzen der Betriebsbedingungen der Anwendung kombiniert werden.
Der Wert des wahrscheinlichen Gesamtfehlers wird verwendet, um die ungünstigste Leistung des am Standort installierten Druckmessumformers zu definieren.
Faktoren wie die Umgebungstemperatur und der statische Druck haben einen gewissen Einfluss auf die Genauigkeit und die Leistung des Drucksensors. Ihr Einfluss wirkt sich sowohl auf den Nullpunkt als auch auf den eingestellten Messbereich der Drucktransmitter aus, was zu Abweichungen oder Ungenauigkeiten bei der Messung führt.
Wir haben zuvor die gewünschte Genauigkeit vor Ort für die Anwendung ermittelt, die Installationsparameter bestimmt, die die Genauigkeit unserer Messung beeinflussen, sowie deren Einfluss auf die Nullpunktverschiebung und die Skalenverschiebung.
Im nächsten Schritt wird der wahrscheinliche Gesamtfehler anhand der Spezifikationen berechnet, die auf der Website des Drucksensorherstellers verfügbar sind (technische Spezifikationen). Diese Berechnung besteht aus der Summe der Quadratwurzeln der Unsicherheiten, die mit der Referenzgenauigkeit und den Installationsfaktoren wie der Umgebungstemperatur und der Wirkung des statischen Drucks zusammenhängen.
Der wahrscheinliche Gesamtfehler des Geräts umfasst die Referenzgenauigkeit, den Einfluss der Umgebungstemperatur, den Einfluss des statischen Drucks und wird mithilfe der folgenden TPE-Formel berechnet:
Wahrscheinlicher Gesamtfehler = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²)
E1 = Nenngenauigkeit der kalibrierten Skala oder Referenzgenauigkeit
E2 = Einfluss der Umgebungstemperatur
E3= Einfluss des statischen Drucks
E1. Nenngenauigkeit oder Referenzgenauigkeit
Die Nenngenauigkeit muss an der kalibrierten oder eingestellten Skala berechnet werden. Die Bezugsgenauigkeit umfasst die maximalen Unsicherheitsfehler für Hysterese, Nichtlinearität und Nichtwiederholbarkeit.
E2. Auswirkung der Umgebungstemperatur
Die Drucksensoren werden im Labor bei einer stabilen Umgebungstemperatur kalibriert. Die Umgebungstemperatur am Einsatzort kann davon abweichen. Diese Temperatur hat einen Einfluss auf die elektronischen Komponenten des Messgeräts, und es kann zu einer ungenauen Messung kommen. Hersteller von Drucksensoren, wie z. B. Fuji Electric, drücken diesen Effekt in der Regel in Änderungsschritten von 28 °C aus.
E3. Auswirkung des statischen Drucks
Fehler beim statischen Druck können durch mehrere Phänomene innerhalb des Drucksensors verursacht werden. Dazu gehören die Verformung der Metallmembranen unter dem Leitungsdruck und der Volumenausgleich des Füllöls. Die Anbieter definieren den Einfluss des statischen Drucks in der Regel alle 10 MPa Druckschwankung. Die Auswirkungen des statischen Drucks auf einen Differenzdrucksensor können sich durch Nullpunkt- und Skalenverschiebungen bemerkbar machen. Dieses Phänomen wird manchmal als "statischer Druckeffekt" oder "Leitungsdruckeffekt" bezeichnet.
Wirkung auf Null :
Dies ist die Verschiebung des Sensorausgangssignals, wenn im Transmitter kein Differenzdruck herrscht, aber statischer Druck oder Leitungsdruck angelegt ist.
Tipp: Der Effekt auf den Nullpunkt kann durch einen "Nullabgleich" unter statischen Druckbedingungen eliminiert werden, d. h. der Transmitter kann unter statischem Druck neu kalibriert oder justiert werden, um seinen Nullpunkt auf das korrekte Referenzniveau zu bringen.Dem Transmitter wird "mitgeteilt", dass der Ausgangsstrom unter statischem Druck, ohne Differenzdruck, Null darstellen muss. Dadurch werden die Auswirkungen des statischen Drucks auf die Nullpunktanzeige wirksam kompensiert.
Wirkung auf die Skala :
Dies ist die Änderung des Ausgangsbereichs des Messwertgebers aufgrund des statischen Drucks oder des Leitungsdrucks.
Wir betrachten für unser Beispiel die folgenden Dienstbedingungen für unsere Anwendung.
Wir verwenden die unten aufgeführten Spezifikationen des Fuji Electric FKC-Differenzdrucksensors, um die Gesamtleistung zu berechnen.
SpezifikationFuji Electric Differenzdrucksensor - FKC
Laden Sie die Spezifikation herunter, um die technischen Spezifikationen des Drucksensors von Fuji electric zu erfahren!
Betrachten wir also zunächst das richtige Modell für den erforderlichen Druckmessbereich und die Betriebsbedingungen der Anwendung, indem wir diese Anleitung zur Auswahl von Drucksensoren befolgen.
Die Skaleneinstellung sollte so nahe wie möglich an der oberen Grenze des Bereichs der Sensorzelle liegen, um die höchste Genauigkeit zu erzielen.
Für eine Druckmessung von 0-100 mbar wählen wir das Modell FKC..33, das den nächstgelegenen Bereich von 0/320 mbar bietet.
| Vorlagen | Grenzwert bei statischem Druck MPa {bar} | Messbereiche kPa {mbar} MIN | Messbereiche kPa {mbar} MAX | Mögliche Einstellungen kPa {m bar} |
|---|---|---|---|---|
| FKC 11 | -0.1 bis + 3.2 {-1 bis + 32} | 0.1 {1} | 1 {10} | ±1 {±10} |
| FKC 22 | -0.1 bis + 10 {-1 bis + 100} | 0.1 {1} | 6 {60} | ±6 {±60} |
| FKC 33 | -0.1 bis + 16 {-1 bis + 160} | 0.32 {3.2} | 32 {320} | ±32 {±320} |
| FKC 35 | -0.1 bis + 16 {-1 bis + 160} | 1.3 {13} | 130 {1300} | ±130 {±1300} |
| FKC 36 | -0.1 bis + 16 {-1 bis + 160} | 5 {50} | 500 {5000} | ±500 {±5000} |
| FKC 38 | -0.1 bis + 16 {-1 bis + 160} | 30 {300} | 3000 {30000} | ±3000 {±30000} |
| FKC 43 | -0.1 bis + 42 {-1 bis + 420} | 0.32 {3.2} | 32 {320} | ±32 {±320} |
| FKC 45 | -0.1 bis + 42 {-1 bis + 420} | 1.3 {13} | 130 {1300} | ±130 {±1300} |
| FKC 46 | -0.1 bis + 42 {-1 bis + 420} | 5 {50} | 500 {5000} | ±500 {±5000} |
| FKC 48 | -0.1 bis + 30 {-1 bis + 300} | 30 {300} | 3000 {30000} | ±3000 {±30000} |
| FKC 49 | -0.1 bis + 30 {-1 bis + 300} | 500 {5000} | 20000 {200000} | {+20000,-10000} {+200000,-100000} |
Genauigkeit des kalibrierten Messbereichs oder Referenzgenauigkeit
| Genauigkeit: (inkl. Linearität, Hysterese & Wiederholbarkeit) |
| Für Modelle von 32 kPa bis 3000 kPa |
| EMR > 1/10 des Maximalbereichs: ±0,065% des EMR oder optional ±0,04% des EMR |
| EMR < à 1/10 de l’échelle maximale : ± (0.015 + 0.005 × Ech.max/EMR ) % de l’EMR |
Die beste Referenzgenauigkeit, einschließlich der maximalen Unsicherheitsfehler für Hysterese, Nichtlinearität und Nichtwiederholbarkeit, beträgt für den Fuji Electric FKC Drucktransmitter ± 0,04 % der Skala.
E1 = 0.04 % *100
E1= 0,04 mbar
Auswirkung der Umgebungstemperatur
| Einfluss der Temperatur |
|---|
| Die folgenden Werte gelten für Temperaturschwankungen von 28°C zwischen -40°C und +85°C. |
| Max. Messbereich | Wirkung auf die Null (% des EMR) | Gesamteffekt (% des EMR) |
|---|---|---|
| "1"/100 mmCE {10 mbar} "2"/600 mmCE {60 mbar} | ± (0.125+0.1 Ech.max/EMR)% | ± (0.15+0.1 Ech.max/EMR)% |
| "3"/32kPa {320mbar} "5"/130kPa {1300mbar} "6"/500kPa {5000mbar} "8"/3000 kPa {30000mbar} "9"/20000 kPa {200000mbar} | ±(0,075+0,0125 Ech.max/EMR)%. | ±(0,095+0,0125 Ech.max/EMR)%. |
In unserem Beispiel beträgt der Unterschied in der Umgebungstemperatur 28 °C.
Wir betrachten hier den Gesamteffekt des Temperatureffekts.
E2 = ± (0.095 + 0.0125*320)%
E2= ± 0,135 mbar
Einfluss des statischen Drucks
| Statischer Druck | Auswirkung auf den Nullpunkt (% der maximalen Skala) |
|---|---|
| "1" / 100 mmWS {10 mbar} "2" / 600 mmWS {60 mbar} | ± 0,1% / 0,1 MPa {1 bar} ± 0,063% / 1 MPa {10 bar} |
| "3" "4" | ±0,035% / 6,9 MPa {69bar} ±0,035% / 6,9 MPa {69bar} |
Wir betrachten hier die Nullverschiebung des statischen Druckeffekts.
E3= ± 0,035*320%
E3= ± 0,112 mbar
Wir können nun den wahrscheinlichen Gesamtfehler berechnen.
Wahrscheinlicher Gesamtfehler (VZÄ)
Voraussichtlicher Gesamtfehler = ± √ ((E1)²+ (E2)²+ (E3)²)
E1 = Nenngenauigkeit der kalibrierten Skala
E2 = Auswirkung der Umgebungstemperatur um 28°C
E3 = Auswirkung des statischen Drucks um 6,9 MPa
TPE = SQRT ((0.04)^2+(0.135)^2+(0.112)^2)
TPE= 0,179 mbar
TPE= 0,179 % der Reichweite
Die Prozessanwendung erforderte eine Genauigkeit von ± 0,2 % des Messbereichs. Der Sensor wird unter normalen Betriebsbedingungen einen Differenzdruck von 100 mbar messen. Die erforderliche Leistung für den vor Ort installierten Sensor wird ±0,5 mbar betragen. Wir können daraus schließen, dass der Fuji Electric FKC-Differenzdrucksensor für diese Anwendung geeignet ist. Um unsere Analyse der Druckleistung zu vervollständigen, können wir einen weiteren Faktor hinzufügen, der die Genauigkeit des Drucks vor Ort beeinflusst.
Überdruckeffekt
Überdruck bezieht sich auf eine Situation, in der der Druck den kalibrierten Maximalbereich des Messgeräts überschreitet. Solche Zustände können bei einem Unfall oder in einer abnormalen Situation auftreten. Die Genauigkeit von Drucksensoren wird auch durch einen Überdruck beeinträchtigt. Hersteller von Drucksensoren, wie z. B. Fuji Electric, drücken diesen Effekt in der Regel auf der Grundlage des maximalen Betriebsdrucks aus.
| Statischer Druck | Auswirkung auf den Nullpunkt (% der maximalen Skala) |
|---|---|
| "1" / 100 mmWS {10 mbar} "2" / 600 mmWS {60 mbar} | ± 0,96 % / 3,2 MPa {32 bar} ± 0,31 % / 10 MPa {100 bar} |
| "3" "3" "4" "4" | ± 0,10 % / 16 MPa {160 bar} FKC 35, 36, 38 ± 0,15 % / 16 MPa {160 bar} FKC 33 ± 0,26 % / 42 MPa {420 bar} FKC 43, 45, 46 ± 0,06 % / 10 MPa {100 bar} FKC 48, 49 |
E4 = ± 0.15*320%
E4= ± 0,6 mbar
Wir können nun die Gesamtgenauigkeit einschließlich des Bereichsüberdruckeffekts berechnen.
Gesamtgenauigkeit = ± √ ((E1)²+(E2)²+(E3)²+(E4)2))
TA = SQRT ((0.04)^2+(0.135)^2+(0.112)^2+(0.6)^2)
TA = 0,62639 mbar
TA = 0,62639 % der Reichweite
Die Druckmessung ist nach wie vor ein grundlegender Aspekt, um effiziente und sichere Abläufe in der Verfahrenstechnik zu gewährleisten. Ihre Genauigkeit ist angesichts der Vielfalt und Komplexität der Anwendungen in den verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung.
Die umfassende Erforschung von Drucksensoren in diesem Artikel hat deutlich gemacht, wie wichtig es ist, sowohl die Referenzgenauigkeit als auch die Leistung vor Ort sowie die Faktoren zu verstehen, die diese Parameter beeinflussen, einschließlich der Auswirkungen der Umgebungstemperatur, der Auswirkungen des statischen Drucks, der Nullpunktverschiebungen und der Messbereichsverschiebungen.
Mithilfe einer systematischen Erklärung haben wir enthüllt, wie der wahrscheinliche Gesamtfehler (ETP) unter Berücksichtigung verschiedener Unsicherheiten wie der Genauigkeit des kalibrierten Bereichs, der Einflüsse der Umgebungstemperatur und der Auswirkungen des statischen Drucks berechnet werden kann. Das angeführte Beispiel, das die Spezifikationen des Differenzdrucksensors Fuji Electric FKC verwendet, vereinfacht die praktische Anwendung dieses Wissens noch weiter.
Im Wesentlichen muss bei der Auswahl eines Drucksensors sichergestellt werden, dass er nicht nur die geforderten Leistungsparameter erfüllt, sondern auch den wechselnden Bedingungen vor Ort standhält, sodass seine Genauigkeit während seiner gesamten Betriebslebensdauer gewährleistet ist. Durch die Integration der bereitgestellten Informationen können Wartungs- und Verfahrenstechniker zweifellos fundiertere Entscheidungen treffen und so die Zuverlässigkeit und Effizienz ihrer Systeme verbessern.
Bei der Auswahl eines Drucksensors ist es wichtig, sich für ein Gerät zu entscheiden, das die Umgebung möglichst wenig beeinflusst.
Die fortschrittliche Floating Cell-Technologie der Drucksensoren von Fuji Electric bietet eine hohe Immunität gegen Temperaturschwankungen, statischen Druck und Überdruck , wie sie in der Prozessindustrie üblich sind, und reduziert den Gesamtmessfehler erheblich.
Die Drucksensoren der Hochleistungsklasse von Fuji Electric wurden entwickelt, um die Druckmessung zu revolutionieren. Sie werden während des Herstellungsprozesses thermisch charakterisiert, um die Genauigkeit der Referenz zu verbessern und den Einfluss der Umgebungstemperatur und des statischen Drucks zu minimieren.
Dieser einzigartige Prozess der thermischen Charakterisierung, der als 4D-Gyration bezeichnet wird, ermöglichte es, die Zelle des Drucktransmitters in einem Temperaturbereich von -40 bis +85 °C zu charakterisieren.
Die Daten werden während des Herstellungsprozesses gesammelt, indem die Nullpunktverschiebung und die Reichweite bei verschiedenen Temperaturen mithilfe eines automatisierten Herstellungsprozesses aufgezeichnet werden. Ein nichtlinearer Kurvenanpassungsalgorithmus wird durchgeführt, um das einzigartige Verhalten des Drucksensors zu charakterisieren.
In jede Zelle des Druckmessumformers werden während dieses Prozesses kontinuierlich Kompensationsdaten geladen, um die Auswirkungen der thermischen Umgebung aktiv zu kompensieren. Das Ergebnis ist eine Referenzgenauigkeit (einschließlich Hysterese, Nichtlinearität und Nichtwiederholbarkeit) von weniger als +0,04 % des Skalenendwerts über diesen breiten, temperaturkompensierten Bereich.
Beseitigen Sie potenzielle Fehler bei der Messung des Differenzdrucks: Sparen Sie Zeit und Energie, indem Sie sich auf ein einziges Gerät verlassen, das speziell für präzise Differenzdruckmessungen entwickelt wurde.
Kontaktieren Sie Fuji Electric Deutschland noch heute, um mehr über unsere Drucksensoren der Hochleistungsklasse zu erfahren und das volle Potenzial der präzisen Druckmessung auszuschöpfen.
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