静圧が差圧変換器の性能に与える影響

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異なる静圧下における差圧変換器の性能を調査するため、差圧ピストン式圧力計を用いて、さまざまなタイプの差圧変換器の異なる静圧下での特性曲線について実験的に研究した。その結果、静圧は差圧変換器の性能に大きな影響を与えることが明らかになった。静圧が増加するにつれて、差圧変換器の特性曲線は明らかに負の方向に曲がり、このような研究は差圧変換器の製造、検査、および応用において重要な参考となる。 圧力差変換器は、電力、化学、医薬品などの業界で広く利用されており、これらの計測器は産業安全や取引決済などに関わることが多いため、その性能を客観的かつ科学的に評価し、計測精度と信頼性を確保することが非常に重要です。標準器の性能など多くの要因に制約されるため、現在、差圧変換器の計測は依然として表圧の形で行われている。すなわち、高圧側（H側）に圧力を加え、低圧側（L側）は大気に開放し、大気圧を基準の静圧として測定するのである；場合によっては、低圧側から正圧を入力し（高圧側は大気開放）、負圧測定を模擬する。実際の使用状況では、高圧側と低圧側に異なる圧力値を同時に加え、異なる静圧下で差圧値を出力する。従来の表圧測定方式では差圧変換器の実際の動作状態を反映できないため、その真の性能も把握することができない。そこで、昌晖計器はDH.B249T型の高静圧差圧ピストン式圧力計を用いて、選定した3社が製造する差圧トランスミッターに対して一連の試験を行い、異なる静圧条件下での差圧トランスミッターの出力特性曲線の変化を分析した。 静圧が差圧変換器の性能に与える影響に関する研究 yunrun.com.cn/tech/2229.html 1. 差圧変換器の安定性試験 試験に使用された差圧変換器の情報は表1の通りである。差圧変換器自体の安定性が試験結果に与える影響を把握するため、選定した差圧変換器のゼロ点の長期安定性および異なる静圧下でのゼロ点安定性についてそれぞれ試験を行った。試験データはすべて、標準器がトランスミッタの出力に与える影響をできるだけ小さくするために、トランスミッタのディスプレイから直接圧力値を読み取っています。 表1 差圧変換器の情報　コード　差圧変換器の型式　差圧範囲/kPa　最大動作圧力/MPa　精度等級
A　昌晖YR-ER101　0-50　16　0.075級
B　富士FKCS36V5　0-500　16　0.065級
C　国産JK3351　0-250　10　0.5級

①ゼロ点の長期安定性
単結晶シリコン式差圧変換器Aとシリコンマイクロキャパシタ式差圧変換器Bの2種類の差圧変換器について、大気圧下で1週間以上にわたるゼロ点安定性試験を行った。その試験結果は図1に示されている。 http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291812081776.png 図1 差圧変換器A、Bのゼロ点の長期安定性 結果は、単結晶シリコン変換器Aの差圧測定範囲が0～50kPaであり、ゼロ点のドリフトが0.008%FS未満であることを示している；シリコンマイクロキャパシタ式送信機Bの差圧測定範囲は0～500kPaで、ゼロ点ドリフトは0.01%FS未満であり、いずれも試験要求を満たしています。 ②差圧変送器の異なる静圧下におけるゼロ点安定性 異なる静圧0、3、6、9、12MPaの条件下でサンプルのゼロ点について静圧試験を行った。各グループでそれぞれ2回の昇圧試験と2回の降圧試験を行い、連続して測定する。単結晶シリコン差圧変換器Aとシリコンマイクロキャパシタ差圧変換器Bの試験結果は、それぞれ図2および図3に示されている。 図2 単結晶シリコン圧力差変換器Aの異なる静圧下におけるゼロ点安定性
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図3 シリコンマイクロキャパシタ圧力差変換器Bの異なる静圧下におけるゼロ点安定性
結果から、静圧がゼロ点出力に与える影響の傾向は同じであり、すなわち静圧が増加するにつれて影響度も徐々に大きくなり、かつ特性曲線は負の誤差方向に徐々に偏っていくことがわかった。これは差圧変送器の典型的な特徴であるはずです。トランスミッタAは12MPaの静圧下でのゼロドリフトが0.015%FS以下；トランスミッターBは12MPaの静圧下でのゼロドリフトが0.03%FS以下；送信機Cは表示分解能が0.1kPaのみであるため、顕著なゼロドリフトは検出されなかった。 2、異なる静圧下における差圧変換器の特性 選定した差圧変換器について、静圧0、3、6、9、12MPaの条件下での差圧出力値をそれぞれ測定し、異なる静圧が差圧出力値の誤差に与える影響を評価する。 ①昌晖YR-ER101単結晶シリコン差圧変換器A 図4は、静圧0～12MPaのもとで行った5回の測定値の平均値を示した昌晖単結晶シリコン差圧変換器Aです。静圧が6MPaになると曲線が下に曲がり始め、つまり静圧が上昇するにつれて誤差が徐々に負の方向に大きくなっていくことがわかる。静圧12MPaの時、特性曲線の下向きの曲がりが最も顕著であり、50kPaの時には差圧変換器の測定結果が既に最大許容誤差を超えている。 http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291817374280.png http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291828380301.png 図4 単結晶シリコン圧力差変換器Aの異なる静圧における出力特性 ②富士FKCS36V5シリコンマイクロキャパシタ圧力差変換器B 圧力差変換器Bの圧力差測定範囲は0～500kPaです。図5に示すように、静圧が増加するにつれて、特性曲線は誤差の負の方向に顕著に曲がる。静圧が0MPaの場合にのみ、測定誤差は企業が定める許容誤差範囲内に収まっているが、静圧が12MPaになると誤差は0.25％FSを超え、最大許容誤差の4倍に達する。このような結果は、測定基準とトランスミッタの特性が共に引き起こすものです。 http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291818163572.png http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291825364308.png 図5 差圧変換器Bの異なる静圧における出力特性 ③国産容量式差圧変換器C 国産容量式差圧変換器Cの差圧測定範囲は0～250kPaで、試験結果は図6に示す。 http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291819533266.png http://yunrun.com.cn/upload/201810/29/201810291834262260.png 図6 静電容量式差圧変換器Cの異なる静圧下での出力特性 特性曲線は前述のものと類似している。そのうち、静圧9MPa時の測定誤差は、企業が定めた精度要件を既に超えている（注：上記の差圧変換器はいずれも、高静圧条件下での特性曲線の許容変動に関する企業からの情報を得ておらず、ここでは実際の測定結果のみに基づいて分析している）。 異なる静圧条件下での多型差圧変換器の出力特性曲線を測定した結果、すべての差圧変換器が静圧の影響を受けることがわかった。静圧の影響によってゼロ点がずれると、特性曲線も変化する。静圧が差圧変換器の特性曲線に与える影響は一貫しており、静圧が増加するにつれて、差圧変換器の出力特性曲線は明らかに誤差の負の方向に湾曲し、最大試験静圧時には一部の差圧変換器で最大許容誤差を超えてしまうこともあった。この結論は差圧変送器の製造、検査、および応用において重要な参考となるため、十分な注意が必要である。条件の許す計量機関には、より包括的な試験データを得て効果的な分析を行い、差圧変換器の計量基準に信頼性の高い技術的根拠を提供するため、差圧変換器の選定を増やして試験を実施することを推奨する。