Wenn Sie jemals einen „gesunden“DrucktransmitterWenn Sie das Gerät vom Stromnetz trennen, es an einen Kalibrator anschließen und feststellen, dass der Messwert ohne ersichtlichen Grund um ein halbes Prozent von Null abweicht, kennen Sie bereits den frustrierenden Teil dieses Problems: Drift macht sich selten bemerkbar. Es gibt keinen Alarm für „Ihre 4-20-mA-Schleife lügt Sie langsam an.“ Der Prozess fängt einfach an, ein wenig fett, ein wenig mager zu laufen, oder ein Niveauregler fängt an zu schwanken, und niemand denkt daran, dem Sender die Schuld zu geben, bis drei andere Dinge bereits überprüft wurden.
In diesem Artikel erfahren Sie, was tatsächlich im Inneren des Sensors passiert, wenn ein Sender abweicht, warum dies auch bei gut gewarteten Geräten passiert und was einen Sender, der jahrelang seine Kalibrierung beibehält, von einem Sender unterscheidet, der überwacht werden muss.
Was „Drift“ in einer 4-20-mA-Schleife tatsächlich bedeutet
Bevor wir uns mit den Ursachen befassen, sollten Sie genau sagen, was Drift ist, denn die Lösung hängt davon ab, mit welcher Art Sie es zu tun haben.
Null Driftverschiebt die gesamte Ausgabe um einen festen Offset. Wenn ein Sender 4 mA bei 0 % senden soll und stattdessen 4,3 mA sendet, wird an jedem Punkt der Skala derselbe Versatz von 0,3 mA angezeigt. - 50 % ist um den gleichen Wert hoch wie 0 %. Dieser Fehler ist normalerweise leicht zu erkennen und mit einem Feld-Null-Trimm leicht zu korrigieren.
Spannendriftist das nervigere. Der Fehler nimmt zu, wenn sich der Messwert von Null entfernt, so dass der Messumformer bei niedrigen Prozesswerten einwandfrei aussehen kann, in der Nähe des Skalenendwerts jedoch um ein Prozent oder mehr abweicht. Dies wird angezeigt als: „Der Durchflussmesser zeigt an den meisten Tagen gute Werte an, aber während der Spitzenlast stimmt etwas nicht“, und es ist genau die Art von Fehler, die dem Prozess zugeschrieben wird, bevor jemand das Instrument überprüft.
Die meisten Sender, die im Feldeinsatz ausfallen, weisen eine Mischung aus beidem und eine gewisse Hysterese auf, weshalb eine echte Kalibrierungsprüfung - und nicht nur ein Live--Messwertvergleich mit einem anderen Messgerät - die einzige zuverlässige Möglichkeit ist, die Drift zu bestätigen.
Die tatsächlichen Ursachen hinter der Drift
Nichts davon ist mysteriös. Sobald ein Sender die Werkbank verlässt und in Betrieb genommen wird, sind dieselben wenigen Faktoren - Temperatur, Druckwechsel, Feuchtigkeit, Vibration und gewöhnliche Komponentenalterung - für fast alle langfristigen Genauigkeitsverluste verantwortlich [1]. Hier erfahren Sie, wie sich jedes einzelne tatsächlich abspielt.
Temperaturwechsel am Sensorelement
Jeder Drucksensor hat einen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sich Nullpunkt und Spanne geringfügig mit der Umgebungs- oder Prozesstemperatur verschieben. Dies wird durch die Werkskalibrierung kompensiert, aber wiederholte Heiz- und Kühlzyklen - ein Tank, der sich mit heißem Produkt füllt und an die Umgebungstemperatur entleert, eine Außeninstallation mit 40 Grad Fahrenheit zwischen Tag und Nacht - belasten die Membran und ihre Verbindung ständig mechanisch. Über genügend Zyklen hinweg stimmt die von der Fabrik eingebaute Kompensationskurve nicht mehr so genau mit der Realität überein wie früher.
Membranermüdung und Materialkriechen
Das Sensorelement selbst bewegt sich, wenn auch nur um Mikrometer. Kapazitive Zellen mit dünner-Membran neigen nach Jahren des Druckwechsels zu einem langsamen Kriechen in ihrem Nullpunkt, und auch piezoresistive Elemente sind nicht immun -die Kristallstruktur selbst verändert sich unter anhaltender Belastung leicht. Einer häufig zitierten Zahl aus Instrumentierungsstudien zufolge liegt die typische Nullpunktdrift für kapazitive Sensoren im Dauerbetrieb in der Industrie irgendwo im Bereich von einigen Hundertstel bis einigen Zehntel Prozent pro Jahr [2] - auf dem Papier gering, aber ausreichend, um bei einer engen Verwahrung-Übertragung oder Sicherheitsschleife über ein paar Jahre hinweg von Bedeutung zu sein.
Alterung elektronischer Komponenten
Es ist nicht nur der Sensor. Die Signalaufbereitungselektronik, der A/D-Wandler, die Referenzspannung -, alles altert. Kondensatoren trocknen leicht aus, Widerstandswerte schleichen sich ein, und bei älteren analogen Sendern kann dies allein einen erheblichen Anteil an der gesamten beobachteten Drift ausmachen. Dies ist ein wesentlicher Grund dafür, dass intelligente, mikroprozessorbasierte-Messumformer die Kalibrierung bei gleicher Lebensdauer im Allgemeinen deutlich besser halten als herkömmliche analoge Geräte -es gibt einfach weniger Abweichungen bei den analogen Schaltkreisen.
Statische Druckeffekte auf DP-Transmitter
Dieser hier überrascht viele Leute. Bei einem Differenzdrucktransmitter, der eine kleine Differenz über eine Leitung misst, die bei hohem statischen (Leitungs-)Druck verläuft, führt ein Fehler im statischen Druck selbst zu einem Fehler im DP-Messwert -, auch wenn der statische Druck nicht die Variable ist, die Sie messen. Aus genau diesem Grund sind Anwendungen mit hohem-statischem DP, wobei Dampfströmung ein häufiges Beispiel ist, in Driftbeschwerden überproportional vertreten.
Mechanische Installationsbelastung
Ein Messumformer, der zu stark an seinem Prozessanschluss angezogen ist oder an einem Verteiler montiert ist, der leicht nicht richtig ausgerichtet ist, steht unter Last, bevor er überhaupt Prozessdruck wahrnimmt. Diese Grundspannung zeigt sich nicht immer am ersten Tag -, sie zeigt sich ein paar Monate später als Nullverschiebung, wenn Temperaturwechsel und Vibrationen sie lockern oder weiter einbetten. Vibrationen von nahegelegenen Pumpen und Kompressoren bewirken nach und nach das Gleiche.
Überfällige Neukalibrierung - die „Ursache“, die nicht wirklich eine Ursache ist
Besonders erwähnenswert: Manchmal gibt es überhaupt keinen dramatischen Misserfolg. Der Sender altert einfach im Einklang mit seiner veröffentlichten jährlichen Stabilitätsspezifikation und das Kalibrierungsintervall wurde über das hinaus ausgedehnt, wofür das Instrument ausgelegt war. Eine grobe Plausibilitätsprüfung, die einige Außendiensttechniker verwenden: Multiplizieren Sie die Betriebsjahre mit der veröffentlichten jährlichen Stabilitätsspezifikation -. Wenn der gemessene Fehler in diesem Bereich liegt, handelt es sich um normale Alterung und nicht um einen Fehler. Liegt der Wert deutlich darüber, ist ein anderer - thermischer, mechanischer oder statischer Druck - der wahrscheinlichere Schuldige.
Ein Feldbeispiel
Ein Verfahrenstechniker in einer mittelgroßen chemischen Mischanlage beschrieb einmal, wie er fast ein Vierteljahr lang einem intermittierenden Füllstandsalarm nachjagte. Der auf DP- basierende Füllstandstransmitter an einem ummantelten Reaktor zeigte bei Abschaltprüfungen korrekte Werte an, stieg während der Produktionsläufe hoch und beruhigte sich über Nacht wieder -, was den Anschein erweckte, es handele sich eher um ein Prozessproblem als um ein Instrumentenproblem. Um das Muster zu erkennen, mussten Kalibrierungsaufzeichnungen herangezogen und mit dem Temperaturprotokoll der Charge abgeglichen werden: Der Messbereichsfehler des Senders stimmte fast genau mit dem Temperaturwechsel der Ummantelung überein, nicht mit dem Füllstand selbst. Der Austausch eines Senders mit einem niedrigeren veröffentlichten Temperaturkoeffizienten - und das Hinzufügen einer Wärmeisolierung an der Impulsleitung - lösten das Problem, ohne die Prozesssteuerung überhaupt zu beeinträchtigen. Die Lektion, die dem Team danach im Gedächtnis blieb: Gehen Sie nicht davon aus, dass Live-Messwertvergleiche Abweichungen ausschließen, und gehen Sie nicht davon aus, dass ein stabiler Abschaltmesswert bedeutet, dass der Sender unter Last in Ordnung ist.
Drift diagnostizieren, bevor es Sie kostet
Einige Gewohnheiten fangen frühzeitig an, sich zu verabschieden, bevor es zu einer Störung des Prozesses oder einem fehlgeschlagenen Audit kommt:
- Vergleichen Sie bei jeder Kalibrierung die Zahlen „wie gefunden“ und „wie übrig“., nicht nur, ob die letzte Lesung bestanden wurde. Ein Sender, der eine große Korrektur benötigte, um zu bestehen, sagt Ihnen etwas, auch wenn er technisch gesehen bestanden hat.
- Entlüften Sie in die Atmosphäre und überprüfen Sie den wahren Nullpunkt, nicht nur ein Live-Prozessvergleich mit einem anderen Instrument - Zwei driftende Instrumente können miteinander übereinstimmen und beide sind falsch.
- Verfolgen Sie den Trend, nicht nur Bestehen/Nichtbestehen.Ein Sender, der bei jeder Überprüfung 80 % seiner zulässigen Toleranz ausschöpft, steuert irgendwohin; Wer über Jahre hinweg konstant bei 5 % der Toleranz bleibt, braucht wahrscheinlich kein kürzeres Intervall.
- Separate Neu-Bereichsbestimmung von der tatsächlichen Kalibrierung.Durch Ändern der Werte für den unteren/oberen Bereich eines Smart-Transmitters ändert sich die Anzeige - und es wird nichts an der Korrektur der Sensordrift vorgenommen. Das kommt öfter durcheinander, als es sollte.
Kalibrierungspraktiken, die das Driftrisiko tatsächlich reduzieren
Verwenden Sie eine ordnungsgemäß nachvollziehbare Referenz
Die Feldkalibrierung ist nur so gut wie ihr Vergleich. Der Referenzstandard sollte auf ein nationales Metrologieinstitut - NIST in den USA oder eine gleichwertige Stelle an anderer Stelle - rückführbar sein und als Arbeitsregel sollte das Referenzinstrument deutlich genauer sein als der zu testende Sender, was üblicherweise mit einem Genauigkeitsverhältnis von mindestens 3:1 bis 4:1 angegeben wird, das als Test Accuracy Ratio oder TAR bezeichnet wird [3][4]. Die Kalibrierung eines Senders mit einer Nennleistung von ±0,075 % gegenüber einer Referenz, die nur doppelt so genau ist, beweist nicht wirklich etwas.
Legen Sie Intervalle anhand von Daten fest, nicht anhand von Gewohnheiten
Es gibt kein universelles „richtiges“ Intervall -, es hängt von der Kritikalität der Schleife, der Prozessumgebung und den geltenden gesetzlichen Anforderungen ab. Für den eichpflichtigen Verkehr und sicherheitsinstrumentierte Regelkreise gelten häufig eigene vorgeschriebene Zyklen, unabhängig von der beobachteten Abweichung [4]. Wichtig ist, dass das Intervall auf der Grundlage historischer Kalibrierungsdaten für diesen bestimmten Dienst festgelegt wird und nicht von einer allgemeinen Empfehlung eines Herstellers kopiert und nie erneut überprüft wird.
Passen Sie die Sensortechnologie an die Anwendung an
Nicht jede Sensortechnologie verhält sich unter der gleichen Belastung gleich. Kapazitive Elemente neigen dazu, im Laufe der Zeit eine Nullstabilität beizubehalten; piezoresistive Designs reagieren schneller, können aber unter anhaltender Belastung mehr Drift zeigen; Digitale, mikroprozessorkompensierte Sender-übertreffen im Allgemeinen analoge-reine Designs hinsichtlich der Langzeitstabilität, da die Temperaturkompensation rechnerisch und nicht durch alternde analoge Komponenten erfolgt [5]. Für Dienste mit hohem statischen Differenzdruck lohnt es sich, auf einen Messumformer mit einer veröffentlichten, getesteten statischen Druckfehlerspezifikation zu achten. - Viele Datenblätter verdecken diese Zahl, und es ist genau diejenige, die die tatsächliche-Leistung in dieser Anwendung vorhersagt.
Was dies bedeutet, wenn Sie einen Sender angeben
Für einen Käufer, der Sender bewertet, anstatt Fehler bei einem installierten zu beheben, besteht die praktische Erkenntnis darin, über die Basisgenauigkeitszahl in der ersten Zeile des Datenblatts hinauszuschauen. Die Spezifikationen, die tatsächlich das langfristige Driftverhalten vorhersagen, liegen weiter unten: veröffentlichte jährliche Stabilität (normalerweise angegeben in %/Jahr), Temperaturkoeffizient über den gesamten kompensierten Bereich und - für DP-Sender - die Spezifikation des statischen Druckeffekts. Ein Sender mit einer etwas geringeren Gesamtgenauigkeit, aber strengeren Stabilitätsspezifikationen wird ein „genaueres“ Gerät nach zwei oder drei Betriebsjahren häufig übertreffen. Hier zeigen sich die tatsächlichen Kosten der Abweichung: ungeplanter Neukalibrierungsaufwand, Prozessstörungen und bei regulierten Anwendungen Auditergebnisse.
Letzte Gedanken
Drift ist kein Zeichen dafür, dass ein Sender defekt ist -, sondern eine physikalische Gewissheit für jeden Sensor, der realen Temperaturwechseln, mechanischer Belastung und Komponentenalterung ausgesetzt ist.- Die technische Frage ist nicht, wie man es beseitigt, sondern wie man es spezifiziert, installiert und kalibriert, damit es in einem vorhersehbaren, dokumentierten Bereich bleibt, anstatt in sechs Monaten als mysteriöses Prozessproblem aufzutauchen.
Referenzen
- ScienceDirect, „Genauigkeit von Drucktransmittern“ -https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057809000329
- GAMICOS, „Drucktransmitter-Nullpunktdrift: Diagnose- und Kalibrierungsleitfaden“ -https://blog.gamicos.com/Pressure-Sender-Null-Drift-Diagnose-Kalibrierung-Anleitung
- ISA, „Grundlagen der Kalibrierung von Drucktransmittern“, InTech -https://www.isa.org/intech-home/2016/september-october/departments/basics-der-Kalibrierung-Druck-Messumformer
- Control Global, „Kalibrierung von Druckinstrumenten“ -https://img.controlglobal.com/files/base/ebm/controlglobal/document/2022/08/1661881713031-ct1705enchantingPressureinstrumentation.pdf
- RealPars, „Was verursacht Analogdrift?“ -https://www.realpars.com/blog/analog-Drift
