Компараторы давления и цифровые эталонные манометры в сравнении с грузопоршневыми манометрами.
|
Калибровка аналоговых манометров и датчиков в собственной калибровочной лаборатории или на месте традиционно выполнялась с использованием грузопоршневых манометров.
В последнее время технология производства эталонных манометров развилась до такой степени, что во многих случаях эталонный манометр с компаратором давления может стать жизнеспособной альтернативой грузопоршневому манометру.
|
|
|
|
Грузопоршневые манометры.
Обычный грузопоршневой манометр создаёт, контролирует и измеряет давление. Он работает по основному уравнению давления, где ряд калиброванных грузов укладывается на поршень известной площади. Используя уравнение Давление = Сила / Площадь, где Сила = Масса х Ускорение (и где ускорение - местная сила тяжести), мы можем видеть, что давление напрямую связано с массой. Мы складываем известные массы, соответствующие номинальному давлению, которое мы хотим откалибровать на тестируемом устройстве (DUT), и работаем с насосом до тех пор, пока массы не поднимутся (или не сместятся). На данный момент мы знаем, исходя из количества применяемой массы, какое именно давление мы прикладываем к нижней части поршня; и используя закон Паскаля, который гласит, что давление, которое оказывается на жидкость или газ, передается в каждую точку жидкости или газа без изменений, поэтому мы знаем, какое давление мы применяем к проверяемому устройству.
|
Погрешность грузопоршневого манометра
Площадь поршня и массы грузов могут быть определены с очень хорошим уровнем неопределенности, также и ускорение может быть рассчитано исходя из локальной гравитации (или массы могут быть механически отрегулированы в соответствии с местной гравитацией), так что фактическое давление обычно может быть известно с погрешностью 0,025% или лучше. Используя традиционное требование 4: 1 TUR (согласно которому погрешность эталона должна быть как минимум в четыре раза лучше, чем погрешность поверяемого устройства), мы можем видеть, что этот тип оборудования для калибровки давления подходит для поверки устройств с погрешностью 0,1% или больше. Как правило, спецификация неопределенности аналогового манометра выражается в процентах от полной шкалы, тогда как погрешность грузопоршневого манометра представляет собой процент от установленного значения, поэтому соотношение погрешностей (TUR) улучшится при давлениях менее 100% шкалы. Имеются грузопоршневые манометры с погрешностью 0,015%, что позволяет калибровать более широкий диапазон устройств. Программная коррекция, учитывающая погрешности, связанные с температурой, высотой головки и свойствами рабочей среды, может улучшить погрешность грузопоршневого манометра до значения 0,008%, что позволяет поверять приборы с погрешностью всего 0,025% (что дает TUR 3,12: 1, что может быть приемлемым в некоторых обстоятельствах).
|
Программное обеспечение Fluke Calibration PressCal может использоваться для компенсации погрешностей, связанных с условиями тестирования и окружающей среды, а также позволяет использовать грузопоршневой манометр в областях с различной локальной гравитацией.
Используйте программное обеспечение Fluke Calibration PressCal, чтобы компенсировать изменения в условиях испытаний и условий окружающей среды, а также в областях с различной локальной гравитацией.
|
|
Компараторы давления
Компаратор давления работает так же, как и грузопоршневой манометр, в котором давление создается до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое значение (в случае грузопоршневого манометра поршень плавает; в случае с насосом эталонный манометр считывает давление). и затем проверяемое устройство сравнивается с эталонным давлением. Компараторы давления могут работать в различных диапазонах давления (включая вакуум) и средах - газ, вода и масло. Вместо поршня и одного порта давления для поверяемого устройства, у компаратора есть два порта - один для эталонного датчика и один для поверяемого устройства.
Fluke предлагает три семейства компараторов давления:
Ручные насосы серии 700.
Они полностью портативны и могут управляться одной рукой. Они генерируют давление от вакуума до 4 МПа (пневматический) и 70 МПа (гидравлический). Они идеально подходят для использования с эталонными манометрами (или модулями давления) в качестве действительно портативных систем калибровки для использования в цехах.
|
|
|
|
Насосы низкого и среднего давления серии P5500.
Они работают при давлении до 2 МПа (пневматический) или 70 МПа (гидравлический, водяной или масляный) и являются портативными, хотя и не переносными. Они идеально подходят для работы на стенде или в поле, где недостаточно ручных насосов серии 700.
|
|
Насосы высокого давления серии P5500.
Они работают до 20 МПа (пневматический) или 138 МПа (гидравлический). Эти компараторы основаны на шасси грузопоршневого манометра с соответствующим номинальным давлением; однако узел поршень / цилиндр заменён на порт эталонного манометра.
|
|
Эталонные датчики
Грузопоршневые манометры и компараторы давления были доступны в течение нескольких десятилетий. Однако эталонные датчики с достаточной точностью, чтобы предложить жизнеспособную альтернативу грузопоршневым манометрам, стали доступны только недавно. Fluke и Fluke Calibration предлагают три класса цифровых эталонных датчиков:
700G. Они имеют погрешность 0,05% от полной шкалы, поэтому обычно подходят для калибровки проверяемых объектов с погрешностью 0,2% шкалы или выше.
700RG. Они имеют погрешность 0,04% от показания плюс 0,01% от полной шкалы, поэтому обычно подходят для калибровки проверяемых устройств с погрешностями 0,2% или более.
2700G. Они имеют погрешность 0,02% от полной шкалы, поэтому обычно подходят для калибровки проверяемых объектов с погрешностью 0,1% от полной шкалы или выше.
Эти датчики имеют такие функции, как USB-соединение для загрузки настроек и загрузки данных, регистрации температуры и нескольких различных единиц давления. 700G и 700RG также имеют искробезопасное исполнение.
Конфигурация компаратор плюс эталонный датчик
Типовой связкой для калибровки давления с помощью компаратора является компаратор давления с цифровым манометром, таким как Fluke Calibration 2700G, в качестве эталона, установленным на эталонном порту, и проверяемое устройство, подключенное к тестовому порту. Насос работает до тех пор, пока поверяемое устройство не покажет номинальное давление; «фактическое» давление считывается с эталонного манометра, а данные записываются для отчета о калибровке. Эта система сравнения может быть постоянно встроена в стенд давления для использования в лаборатории, или она может быть портативной для использования в полевых условиях. Во многих случаях может быть диапазон калибровочных приборов или устройств с различными диапазонами давления, и погрешность некоторых из них будет в процентах от считывания, а некоторых - в процентах от полной шкалы. Чтобы охватить этот диапазон проверяемых устройств, можно использовать несколько эталонных датчиков с одним компаратором.
|
Тестовая точка (МПа)
|
Погрешность тестируемого устройства (Па) 0.1% от измеренного значения
|
Погрешность 2700G (Па)
|
Соотношение погрешностей
|
|
2700G-70M
|
2700G-35M
|
2700G-20M
|
|
70
|
70000
|
14000
|
|
|
5.0
|
|
|
|
60
|
60000
|
14000
|
|
|
4.3
|
|
|
|
50
|
50000
|
14000
|
|
|
3.6
|
|
|
|
40
|
40000
|
14000
|
|
|
2.9
|
|
|
|
30
|
30000
|
14000
|
7000
|
|
2.1
|
4.3
|
|
|
20
|
20000
|
14000
|
7000
|
4000
|
1.4
|
2.9
|
5.0
|
|
10
|
10000
|
14000
|
7000
|
4000
|
0.7
|
1.4
|
2.5
|
|
Оптимално
|
|
Допустимо
|
|
Недопустимо
|
1. Точность. Это главное преимущество грузопоршневого манометра. Он может иметь погрешность до 0,008% (с программным обеспечением, 0,015% без) от измеренного значения, тогда как эталонный датчик и насос обычно имеют погрешность 0,02% от полной шкалы (это можно несколько улучшить, используя несколько эталонных манометров с разным пределами измерения).
2. Адиабатические эффекты. В соответствии с законом идеального газа P прямо пропорционально температуре и обратно пропорционально объему, согласно уравнению Клапейрона-Менделеева: PV = nRT, где n - количество газа в молях, а R - постоянная идеального газа.
Для насоса давление устанавливается путем регулировки переменного объема. Как видно из вышесказанного, уменьшение объема (поворот маховика или прокачка рукоятки насоса) приведет к увеличению давления, что приведет к увеличению энергии в системе. В то время как большая часть приращения энергии достигается за счёт увеличения давления, часть ее уходит на повышение температуры. Когда вы прекращаете увеличивать давление, то есть прекращаете вращать маховик с переменным объемом, температура также перестает увеличиваться и постепенно снижается до температуры окружающей среды. Из приведенного выше уравнения видно, что, поскольку объем не меняется, падение температуры приводит к падению давления. Чем больше перепад давления между соседними уставками, тем больше изменение температуры и, следовательно, дольше требуется стабилизация. Тот же эффект наблюдается при снижении давления, когда ручка повернута, а объем (и, следовательно, давление) уменьшается, температура сначала упадет ниже температуры окружающей среды, а затем постепенно вернется к температуре окружающей среды. Следовательно, для стабилизации системы насоса и эталонного датчика требуется определенное время. Системам необходимо дать возможность стабилизироваться до того, как будут сняты показания, и, поскольку этот процесс стабилизации может иметь признаки, сходные с утечкой, пользователь также должен проверить, что в установке нет утечек.
С другой стороны, для сравнения, грузопоршневые манометры очень стабильны. Это потому, что у них есть плавающий поршень, который действует как баростат. Плавающий поршень, по сути, автоматически изменяет объем системы (плавая вверх и вниз, он увеличивает и уменьшает объем), поэтому он регулирует и компенсирует изменения давления, вызванные температурой, и поддерживает стабильность давления. (Обратите внимание, что если поршень DWT находится на максимальном удлинении, будет наблюдаться нестабильность, поскольку он не может плавать дальше для увеличения объема.)
3. Грузы. Загрузка грузов на обычном грузопоршневом тестере занимает много времени, может быть выполнена неправильно, может быть неудобной и небезопасной. Кроме того, грузы должны быть скорректированы с учетом локальной силы тяжести, поэтому, если грузопоршневой манометр перемещается, то массы должны быть перенастроены или же, требуется использовать программную коректировку в программном обеспечении.
Эти нюансы не касается связки из насоса и эталонного датчика. В дополнение к местной серьезности, логистика транспортировки масс может быть сложной и дорогой.
4. Уставки давления. Наименьшее значение груза в наборе грузов определяет наименьший возможный прирост давления при использовании грузопоршневого манометра. Реализация промежуточных значений давления между этими приращениями невозможно. Некоторые лабораторные процедуры или методики калибровки аналоговых манометров требуют установки значений номинального давления, которых не может достичь обычный грузопоршневой манометр. На системе из компаратора и эталонного манометра можно установить любое номинальное давление. Кроме того, большинство пользователей предпочитают, чтобы их приборы, особенно аналоговые, калибровались по номинальным значениям (ключевым точкам), а не по произвольным заданным значениям. С традиционным грузопоршневым тестером это обычно невозможно, особенно если грузопоршневой манометр и манометр работают в различных единицах измерения давления.
Вместо использования ограниченного набора массы для создания давления, которое только приближается к желаемым точкам давления, насос можно быстро и легко отрегулировать, чтобы установить давление на точное номинальное давление, как указано в методике поверки на калибруемое устройство, а затем проконтролировать фактическое значение давления по эталонному манометру.
5. Периодическая калибровка. Производить периодическую калибровку грузопоршневых манометров неудобно, так как калибровку поршня, осуществляют при помощи рабочего эталона давления нулевого разряда. Поверяются грузопоршневые манометры методом гидростатического уравновешивания между собой на специальной станине, на ней два монтажных места под два узла цилиндр-поршень, это требует много времени, значительных навыков и дополнительного оборудования. Также неудобно и дорого отправлять грузопоршневой манометр и грузы в калибровочную лабораторию для повторной сертификации. При использовании системы насоса и эталонного манометра требуется только повторная калибровка самого манометра, что является более быстрым и менее затратным, чем повторная калибровка грузопоршневого манометра.
Резюме
Традиционный грузопоршневой манометр предлагает лучшую точность и стабильность, чем компаратор давления с эталонным датчиком (-ами), но насос и манометр (-ы) проще в использовании и, как правило, поэтому, такая связка представляет жизнеспособную и привлекательную альтернативу грузопоршневому манометру, в случае, если насос плюс манометр (ы) обеспечивает достаточную точность.
