เหตุใดสัญญาณเครื่องส่งสัญญาณความดันจึงดริฟท์เกิดขึ้น

หากคุณเคยดึง "สุขภาพดี"เครื่องส่งสัญญาณความดันวางไว้บนเครื่องสอบเทียบ และพบว่าอ่านค่าได้ครึ่งเปอร์เซ็นต์จากศูนย์โดยไม่มีเหตุผลที่ชัดเจน คุณรู้อยู่แล้วว่าส่วนที่น่าหงุดหงิดของปัญหานี้คือ การดริฟท์ไม่ค่อยประกาศตัวเอง ไม่มีสัญญาณเตือนว่า "ลูป 4-20 mA ของคุณกำลังโกหกคุณอย่างช้าๆ" กระบวนการนี้เริ่มต้นขึ้นเล็กน้อย ผอมลงเล็กน้อย หรือตัวควบคุมระดับเริ่มตามล่า และไม่มีใครคิดที่จะตำหนิเครื่องส่งสัญญาณจนกว่าจะมีการตรวจสอบสิ่งอื่นอีกสามอย่างแล้ว

บทความนี้จะอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นจริงภายในเซ็นเซอร์เมื่อเครื่องส่งสัญญาณลอย เหตุใดจึงเกิดขึ้นแม้กับอุปกรณ์ที่ได้รับการดูแลอย่างดี และสิ่งที่แยกเครื่องส่งสัญญาณที่เก็บการสอบเทียบมานานหลายปีจากเครื่องส่งสัญญาณที่ต้องรับเลี้ยงเด็ก

จริงๆ แล้ว "ดริฟท์" หมายถึงอะไรบนลูป 4-20 mA

ก่อนที่จะพูดถึงสาเหตุ คุณควรระบุให้แน่ชัดว่าการดริฟท์คืออะไร เพราะการแก้ไขจะขึ้นอยู่กับประเภทที่คุณกำลังเผชิญอยู่

ศูนย์ดริฟท์เลื่อนเอาต์พุตทั้งหมดด้วยออฟเซ็ตคงที่ หากเครื่องส่งสัญญาณควรจะส่ง 4 mA ที่ 0% และส่ง 4.3 mA แทน ค่าชดเชย 0.3 mA เดียวกันนั้นจะแสดงที่ทุกจุดบนสเกล - 50% อ่านค่าสูงด้วยระยะขอบเดียวกันกับ 0% โดยปกติแล้วสิ่งนี้จะมองเห็นได้ง่ายและแก้ไขได้ง่ายด้วยการตัดขอบเป็นศูนย์

ช่วงดริฟท์เป็นสิ่งที่น่ารำคาญมากกว่า ข้อผิดพลาดจะเพิ่มขึ้นเมื่อการอ่านเคลื่อนออกจากศูนย์ ดังนั้นเครื่องส่งสัญญาณจึงสามารถดูดีได้อย่างสมบูรณ์แบบที่ค่ากระบวนการต่ำ และปิดลงประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์หรือมากกว่านั้นใกล้เต็มสเกล นี่คือสิ่งที่ปรากฏเป็น "เครื่องวัดอัตราการไหลอ่านค่าได้ดีเกือบทุกวัน แต่มีบางอย่างผิดปกติระหว่างโหลดสูงสุด" และเป็นข้อผิดพลาดประเภทหนึ่งที่จะถูกตำหนิในกระบวนการนี้ก่อนที่ใครก็ตามจะตรวจสอบเครื่องมือ

เครื่องส่งส่วนใหญ่ที่ล้มเหลวในสนามจะแสดงทั้งสองอย่างผสมกัน บวกกับฮิสเทรีซีสบางส่วน ซึ่งเป็นสาเหตุที่การตรวจสอบการปรับเทียบจริง - ไม่ใช่เพียง-การเปรียบเทียบการอ่านแบบสดกับเกจอื่น - เป็นวิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในการยืนยันการเคลื่อนตัว

สาเหตุที่แท้จริงเบื้องหลังการดริฟท์

เรื่องนี้ไม่มีอะไรลึกลับเลย เมื่อเครื่องส่งสัญญาณออกจากโต๊ะและเข้าประจำการ ปัจจัยจำนวนหนึ่ง - อุณหภูมิ การหมุนเวียนของแรงดัน ความชื้น การสั่นสะเทือน และการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบทั่วไป - ปัจจัยเดียวกันนี้ทำให้เกิดการสูญเสียความแม่นยำในระยะยาว-เกือบทั้งหมด [1] นี่คือวิธีการเล่นของแต่ละคน

การหมุนเวียนความร้อนบนองค์ประกอบเซนเซอร์

เซ็นเซอร์ความดันทุกตัวมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ ซึ่งหมายถึงศูนย์และช่วงการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามอุณหภูมิแวดล้อมหรืออุณหภูมิกระบวนการ สิ่งดังกล่าวได้รับการชดเชยในการสอบเทียบจากโรงงาน แต่วงจรการให้ความร้อนและความเย็นซ้ำๆ - ถังที่เติมผลิตภัณฑ์ร้อนและเทออกสู่สิ่งแวดล้อม การติดตั้งกลางแจ้งที่แกว่ง 40 องศา F ระหว่างกลางวันและกลางคืน - ทำให้เกิดความเครียดทางกลอย่างต่อเนื่องบนไดอะแฟรมและการยึดเกาะของไดอะแฟรม เมื่อเกินรอบที่เพียงพอ เส้นโค้งการชดเชยที่โรงงานสร้างขึ้นจะหยุดตรงกับความเป็นจริงเหมือนที่เคยเป็นมา

ความล้าของกะบังลมและการคืบของวัสดุ

องค์ประกอบการตรวจจับจะเคลื่อนที่ แม้ว่าจะมีขนาดไมครอนก็ตาม เซลล์เก็บประจุไดอะแฟรมบาง-มีแนวโน้มที่จะคืบคลานช้าในจุดศูนย์หลังจากวงจรแรงดันหลายปี และองค์ประกอบไพโซรีซิสทีฟก็ไม่สามารถต้านทานได้ - โครงสร้างผลึกเองก็เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยภายใต้ความเครียดที่ยืดเยื้อ ตัวเลขหนึ่งที่อ้างถึงบ่อยครั้งจากการสำรวจเครื่องมือวัดทำให้ค่าเบี่ยงเบนศูนย์โดยทั่วไปสำหรับเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟในการบริการทางอุตสาหกรรมต่อเนื่องบางแห่งในช่วงไม่กี่ร้อยถึงสองสามในสิบเปอร์เซ็นต์ต่อปี [2] - มีขนาดเล็กบนกระดาษ แต่ก็เพียงพอที่จะสำคัญกับการควบคุมดูแลที่เข้มงวด-ในการถ่ายโอนหรือวงจรความปลอดภัยในช่วงสองสามปี

การเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ไม่ใช่แค่เซนเซอร์เท่านั้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับปรับสภาพสัญญาณ, ตัวแปลง A/D, แรงดันอ้างอิง - อายุทั้งหมด ตัวเก็บประจุจะแห้งเล็กน้อย ค่าของตัวต้านทานจะค่อยๆ คืบคลาน และในเครื่องส่งสัญญาณแบบอะนาล็อกรุ่นเก่า เพียงอย่างเดียวก็สามารถอธิบายถึงส่วนแบ่งที่มีความหมายของการเบี่ยงเบนที่สังเกตได้ทั้งหมด นี่เป็นส่วนสำคัญว่าทำไมเครื่องส่งที่ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ที่ชาญฉลาด-โดยทั่วไปจึงมีการสอบเทียบได้ดีกว่าหน่วยแอนะล็อกแบบเดิมอย่างเห็นได้ชัดตลอดอายุการใช้งานเท่าเดิม - มีเพียงวงจรแอนะล็อกเหลือให้เบี่ยงเบนน้อยลง

ผลกระทบแรงดันคงที่ต่อเครื่องส่งสัญญาณ DP

สิ่งนี้ทำให้ผู้คนจำนวนมากไม่ระวัง บนเครื่องส่งสัญญาณความดันดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งวัดค่าดิฟเฟอเรนเชียลเล็กๆ ข้ามเส้นที่ทำงานด้วยแรงดันสถิต (เส้น) สูง ข้อผิดพลาดในแรงดันสถิตในตัวจะแปลเป็นข้อผิดพลาดในการอ่าน DP - แม้ว่าความดันสถิตจะไม่ใช่ตัวแปรที่คุณกำลังวัดก็ตาม การใช้งาน DP คงที่สูง- ตัวอย่างการไหลของไอน้ำเป็นตัวอย่างทั่วไป แสดงให้เห็นอย่างไม่เป็นสัดส่วนในการร้องเรียนเรื่องการลอยตัวด้วยเหตุผลนี้

ความเครียดในการติดตั้งเครื่องกล

เครื่องส่งสัญญาณที่บิดแรงเกินไปในการเชื่อมต่อกระบวนการ หรือติดตั้งบนท่อร่วมที่ไม่เป็นจริงเล็กน้อย จะอยู่ภายใต้โหลดก่อนที่จะเห็นแรงกดดันในกระบวนการ ความเครียดพื้นฐานนั้นไม่ได้แสดงในวันแรกเสมอไป - แต่จะแสดงเป็นการเปลี่ยนแปลงเป็นศูนย์ในอีกไม่กี่เดือนต่อมา เมื่อการหมุนเวียนด้วยความร้อนและการสั่นสะเทือนทำงาน มันจะหลวมหรือนอนต่อไป การสั่นสะเทือนจากปั๊มและคอมเพรสเซอร์ที่อยู่ใกล้เคียงจะค่อยๆ สั่นสะเทือนเช่นเดียวกัน

การปรับเทียบใหม่ที่เกินกำหนด - "สาเหตุ" ที่ไม่ใช่สาเหตุจริงๆ

การตั้งชื่อแยกกัน: บางครั้งไม่มีความล้มเหลวอย่างมากเลย เครื่องส่งสัญญาณมีอายุตามข้อกำหนดความเสถียรประจำปีที่เผยแพร่ และช่วงการสอบเทียบได้ขยายออกไปเกินกว่าที่เครื่องมือได้รับการออกแบบมาให้รองรับ การตรวจสอบสุขภาพคร่าวๆ ที่เทคโนโลยีภาคสนามใช้: คูณจำนวนปีที่ใช้บริการด้วยข้อกำหนดความเสถียรประจำปีที่เผยแพร่ - หากข้อผิดพลาดที่วัดได้อยู่ในสนามเบสบอลนั้น มันเป็นอายุปกติ ไม่ใช่ข้อผิดพลาด หากเกินกว่านั้น อาจมีอย่างอื่นอีก - ความดันความร้อน เชิงกล หรือสถิต - ที่น่าจะเกิดขึ้นมากกว่า

ตัวอย่างภาคสนาม

วิศวกรกระบวนการในโรงงานผสมสารเคมีขนาดกลาง-เคยเล่าว่าต้องไล่ตามสัญญาณเตือนระดับเป็นระยะๆ เป็นเวลาที่ดีกว่าของไตรมาส เครื่องส่งสัญญาณระดับ DP- บนเครื่องปฏิกรณ์แบบมีแจ็คเก็ตจะอ่านได้อย่างถูกต้องในการตรวจสอบการปิดเครื่อง ดริฟท์ให้สูงขึ้นในระหว่างดำเนินการผลิต และกลับสู่สถานะเดิมในชั่วข้ามคืน - ซึ่งทำให้ดูเหมือนว่าเป็นปัญหาของกระบวนการมากกว่าเป็นปัญหาเกี่ยวกับเครื่องมือ ต้องใช้การดึงบันทึกการสอบเทียบและโยง-การอ้างอิงบันทึกกับบันทึกอุณหภูมิแบบแบตช์เพื่อสังเกตรูปแบบ: ข้อผิดพลาดช่วงของตัวส่งสัญญาณติดตามได้เกือบจะทุกประการกับการหมุนเวียนของความร้อนจากแจ็คเก็ต ไม่ใช่กับระดับในตัวมันเอง การเปลี่ยนเครื่องส่งสัญญาณที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่เผยแพร่ต่ำกว่า - และเพิ่มฉนวนกันความร้อนบนเส้นอิมพัลส์ - สามารถแก้ไขปัญหาได้โดยไม่ต้องสัมผัสส่วนควบคุมกระบวนการเลย บทเรียนที่ติดอยู่กับทีมในภายหลัง: อย่าถือว่า-การเปรียบเทียบการอ่านแบบสดทำให้เบี่ยงเบนไป และอย่าถือว่าการอ่านค่าการปิดระบบที่เสถียรหมายความว่าเครื่องส่งสัญญาณยังอยู่ในสภาพโหลดได้ดี

การวินิจฉัยการดริฟท์ก่อนที่จะทำให้คุณเสียค่าใช้จ่าย

นิสัยบางอย่างลอยไปตั้งแต่เนิ่นๆ ก่อนที่จะกลายเป็นกระบวนการที่ไม่พอใจหรือการตรวจสอบล้มเหลว:

• เปรียบเทียบตัวเลข "ตามที่พบ" กับ "ด้านซ้าย" ในทุกการสอบเทียบไม่ใช่แค่ว่าการอ่านครั้งสุดท้ายผ่านไปหรือไม่ เครื่องส่งที่ต้องมีการแก้ไขครั้งใหญ่เพื่อผ่าน กำลังบอกคุณบางอย่าง แม้ว่าในทางเทคนิคจะผ่านก็ตาม
• ระบายออกสู่บรรยากาศและตรวจสอบศูนย์จริงไม่ใช่แค่การเปรียบเทียบกระบวนการจริงกับเครื่องมืออื่น - เครื่องมือดริฟท์สองชิ้นสามารถตกลงกันได้และทั้งคู่ก็ผิด
• ติดตามแนวโน้ม ไม่ใช่แค่ผ่าน/ไม่ผ่านเครื่องส่งสัญญาณที่ใช้ 80% ของพิกัดความเผื่อที่อนุญาตในการตรวจสอบแต่ละครั้งกำลังมุ่งหน้าไปที่ไหนสักแห่ง การคงตัวที่ 5% ของความอดทนเป็นเวลาหลายปีอาจไม่จำเป็นต้องมีช่วงเวลาที่สั้นลง
• แยก-ช่วงใหม่จากการสอบเทียบจริงการเปลี่ยนค่าช่วงล่าง/บนบนตัวส่งสัญญาณอัจฉริยะจะเปลี่ยนสิ่งที่แสดง - โดยไม่ได้ทำอะไรเลยเพื่อแก้ไขการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์ สิ่งนี้จะปะปนกันบ่อยกว่าที่ควรจะเป็น

แนวทางปฏิบัติในการสอบเทียบที่ช่วยลดความเสี่ยงจากการดริฟท์ได้จริง

ใช้ข้อมูลอ้างอิงที่ติดตามย้อนกลับได้อย่างเหมาะสม

การสอบเทียบภาคสนามจะดีพอๆ กับการเปรียบเทียบเท่านั้น มาตรฐานอ้างอิงควรตรวจสอบย้อนกลับไปยังสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ - NIST ในสหรัฐอเมริกา หรือหน่วยงานที่เทียบเท่าที่อื่น - และตามกฎการทำงาน เครื่องมืออ้างอิงควรมีความแม่นยำมากกว่าเครื่องส่งที่อยู่ภายใต้การทดสอบ โดยทั่วไปอ้างถึงอัตราส่วนความแม่นยำอย่างน้อย 3:1 ถึง 4:1 หรือเรียกว่าอัตราส่วนความแม่นยำในการทดสอบ หรือ TAR [3][4] การปรับเทียบเครื่องส่งสัญญาณที่มีอัตรา ±0.075% เทียบกับข้อมูลอ้างอิงที่มีความแม่นยำเพียงสองเท่านั้นไม่ได้พิสูจน์อะไรเลย

กำหนดช่วงเวลาจากข้อมูล ไม่ใช่นิสัย

ไม่มีช่วงเวลา "ที่ถูกต้อง" แบบสากล - ขึ้นอยู่กับความสำคัญของลูป สภาพแวดล้อมของกระบวนการ และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบใดๆ ที่นำไปใช้ การถ่ายโอนการดูแลและความปลอดภัย-ลูปเครื่องมือมักจะมีวงจรที่ได้รับคำสั่งของตัวเองโดยไม่คำนึงถึงการเคลื่อนตัวที่สังเกตได้ [4] สิ่งสำคัญคือช่วงเวลาถูกกำหนดจากข้อมูลการสอบเทียบในอดีตสำหรับบริการเฉพาะนั้นๆ ไม่ได้คัดลอกมาจากคำแนะนำทั่วไปของผู้ผลิตและไม่เคยกลับมาตรวจสอบอีก

จับคู่เทคโนโลยีเซ็นเซอร์กับแอปพลิเคชัน

ไม่ใช่ทุกเทคโนโลยีการตรวจจับจะทำงานในลักษณะเดียวกันภายใต้ความเครียดเดียวกัน องค์ประกอบแบบคาปาซิทีฟมีแนวโน้มที่จะมีเสถียรภาพเป็นศูนย์เมื่อเวลาผ่านไป การออกแบบแบบพายโซรีซิสทีฟตอบสนองได้เร็วกว่า แต่สามารถแสดงการเบี่ยงเบนได้มากกว่าภายใต้ภาระที่ยั่งยืน โดยทั่วไปแล้วเครื่องส่งสัญญาณที่ได้รับการชดเชยแบบดิจิทัลและไมโครโปรเซสเซอร์จะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอะนาล็อก-เฉพาะการออกแบบเพื่อความเสถียรในระยะยาว- เนื่องจากการชดเชยอุณหภูมิได้รับการจัดการด้วยคอมพิวเตอร์ แทนที่จะผ่านส่วนประกอบแอนะล็อกที่มีอายุมากขึ้น [5] สำหรับบริการ DP คงที่สูง- เครื่องส่งสัญญาณที่มีข้อกำหนดข้อผิดพลาดเกี่ยวกับแรงดันคงที่ที่ผ่านการทดสอบและเผยแพร่แล้วนั้นคุ้มค่าที่จะให้ความสนใจกับเอกสารข้อมูลจำนวนมาก - ที่ฝังตัวเลขนี้ไว้ และเป็นเอกสารที่คาดการณ์-ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงในแอปพลิเคชันนั้นอย่างแน่นอน

สิ่งนี้หมายความว่าเมื่อคุณระบุเครื่องส่งสัญญาณ

สำหรับผู้ซื้อที่กำลังประเมินเครื่องส่งสัญญาณแทนที่จะแก้ไขปัญหาที่ติดตั้งแล้ว สิ่งที่นำไปใช้ได้จริงคือการมองข้ามหมายเลขความแม่นยำพื้นฐานในบรรทัดแรกของเอกสารข้อมูล ข้อมูลจำเพาะที่คาดการณ์พฤติกรรมการเลื่อนลอยในระยะยาว-จริงๆ ลดลงอีก: ความเสถียรรายปีที่เผยแพร่ (โดยปกติจะระบุเป็น %/ปี) ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิตลอดช่วงการชดเชยเต็ม และ - สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ DP - ข้อกำหนดเอฟเฟกต์แรงดันคงที่ เครื่องส่งสัญญาณที่มีความแม่นยำพาดหัวข่าวต่ำกว่าเล็กน้อยแต่มีข้อกำหนดความเสถียรที่เข้มงวดกว่ามักจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าหน่วยที่ "แม่นยำกว่า" ในการใช้งานในช่วงสองหรือสามปี ซึ่งเป็นจุดที่ต้นทุนที่แท้จริงของการเบี่ยงเบนปรากฏขึ้น: แรงงานในการปรับเทียบใหม่โดยไม่ได้วางแผน กระบวนการพลิกผัน และในการใช้งานที่ได้รับการควบคุม ผลการตรวจสอบ

ความคิดสุดท้าย

การดริฟท์ไม่ใช่สัญญาณว่าเครื่องส่งสัญญาณมีข้อบกพร่อง - แต่เป็นความแน่นอนทางกายภาพสำหรับเซ็นเซอร์ใดๆ ที่สัมผัสกับ-การหมุนเวียนของความร้อนในโลกจริง ความเครียดทางกล และการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบ คำถามทางวิศวกรรมไม่ใช่วิธีการกำจัดมัน แต่เป็นวิธีระบุ ติดตั้ง และปรับเทียบเพื่อให้มันอยู่ภายในแถบที่คาดเดาได้และมีการบันทึกไว้ แทนที่จะแสดงเป็นปัญหากระบวนการลึกลับในอีกหกเดือนนับจากนี้

อ้างอิง

• ScienceDirect, "ความแม่นยำของเครื่องส่งสัญญาณความดัน" -https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057809000329
• GAMICOS, "เครื่องส่งสัญญาณความดัน Zero Drift: คู่มือการวินิจฉัยและการสอบเทียบ" -https://blog.gamicos.com/pressure-คู่มือ-เครื่องส่งสัญญาณ-ดริฟท์-การวินิจฉัย-การปรับเทียบ-
• ISA, "พื้นฐานของการปรับเทียบเครื่องส่งสัญญาณความดัน" InTech -https://www.isa.org/intech-home/2016/september-october/departments/basics-ของ-การสอบเทียบ-ความดัน-เครื่องส่งสัญญาณ
• Control Global "การสอบเทียบเครื่องมือวัดความดัน" -https://img.controlglobal.com/files/base/ebm/controlglobal/document/2022/08/1661881713031-ct1705calibratingpressureinstrumentation.pdf
• RealPars "อะไรทำให้อนาล็อกดริฟท์" -https://www.realpars.com/blog/analog-ดริฟท์