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淺談噪聲變送器校準中存在的問題
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淺談噪聲變送器校準中存在的問題

時間:2021-05-25 09:11:29

【摘要】分析了噪聲變送器校準時應(yīng)注意的一些問題,提供了一種噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的校準方法,為噪聲變送器的準確校準提供參考和一定的技術(shù)基礎(chǔ)。XWr壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
變送器是一種將不同物理量的測試信號轉(zhuǎn)換為直流電流信號的換能設(shè)備,通常由測量傳感器和精密測量電路(放大器和適配器)組成。變送器的輸入信號,可以是溫度、壓力、振動和噪聲等。根據(jù)被采集信號的物理特性,變送器可以是溫度變送器、壓力變送器、振動變送器和噪聲變送器。變送器根據(jù)IEC過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準,將采集到的信號壓縮轉(zhuǎn)換為(4~20)mA直流電流輸出,直接連接到二次儀表、計算機采樣設(shè)備和工業(yè) PLC(Programmable Logic Controller)模塊中,實現(xiàn)各類信號的采集和處理。噪聲變送器就是一種將聲信號轉(zhuǎn)換為直流電流信號的換能設(shè)備。
 
變送器由于其信號輸出始終為(4~20)mA的標準直流電流輸出,因此具有良好的通用性和互換性;同時電流信號在進行信號遠距離傳輸時,與電壓信號傳輸相比,可有效減小信號衰減和壓降問題,同時直流電流信號干擾噪聲小,信號失真更小,傳輸更準確。
 
鑒于變送器的以上特點,各類變送器的應(yīng)用已十分廣泛。溫度變送器和壓力變送器已經(jīng)大量應(yīng)用于工業(yè)測量和監(jiān)測領(lǐng)域,檢定和校準方法已發(fā)布實施,技術(shù)相對成熟;振動變送器和噪聲變送器近幾年的工業(yè)應(yīng)用呈逐年增多趨勢,但尚無針對該類變送器現(xiàn)行有效的校準規(guī)范或檢定規(guī)程實施發(fā)布。目前振動變送器校準規(guī)范已由guojia市場監(jiān)督管理總局立項,制訂工作正在進行,而噪聲變送器暫無明確的校準方法和校準規(guī)范制訂計劃,噪聲變送器的校準問題亟待解決。本文在此基礎(chǔ)上,對一種噪聲變送器校準存在的問題進行分析,提出了一種噪聲變送器校準方法,通過測量噪聲變送器的電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度(以下簡稱系統(tǒng)靈敏度),分析不同頻率下噪聲變送器的電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的頻率響應(yīng),對噪聲變送器的計量特性進行符合性分析,為噪聲變送器的校準提供思路和技術(shù)基礎(chǔ)。 
 
1 校準需求
通常情況下,噪聲變送器的校準都與二次儀表配套組成噪聲測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)校準,或串聯(lián)250 Ω電阻后間接測量電壓量進行校準。但實際情況是,與噪聲變送器配套的二次儀表或工業(yè)化模塊往往集成在工作現(xiàn)場,不方便拆卸送檢,用戶往往單好送檢噪聲變送器,要求直接對噪聲變送器的計量特性進行校準。因此在不同頻率不同聲信號激勵下的電流輸出特性進行校準,更符合用戶的實際使用需求,同時直接測量的校準方式減少了測量過程中的不確定度影響因素,有效提高測量準確度。 
 
2 噪聲變送器的設(shè)計特點
噪聲變送器采集到的是空氣噪聲,其輸入?yún)⒘繛槁晧杭墸漭敵鰠⒘繛橹绷麟娏,范圍為?~20)mA。由于聲信號的量程范圍和聲壓級的加權(quán)計算各不相同,但無論聲信號的設(shè)計指標如何變化,經(jīng)放大器和適配器等后續(xù)電路處理后的輸出電流都為(4~20)mA,這就導(dǎo)致在研究噪聲變送器的電流輸出特性時,其輸出除以輸入的系統(tǒng)靈敏度的名義值不盡相同。因此在對噪聲變送器進行校準時,應(yīng)充分考慮噪聲變送器不同量程、不同頻率計權(quán)的設(shè)計要求。 
 
3 校準參數(shù)的選擇
通常情況下,描述現(xiàn)有聲學傳聲器靈敏度特性的參量為開路聲壓靈敏度(單位為mV/Pa)或開路聲壓靈敏度級(單位為dB,1V/Pa)。本文研究的噪聲變送器,并不是一種傳聲器,而是一個由傳聲器或麥克風、前置放大器和適配器組成的一個測量系統(tǒng),這個測量系統(tǒng)的信號輸入為聲壓級(單位為dB,20 μPa),輸出為直流電流(單位為mA)。噪聲變送器的校準參數(shù)應(yīng)是這個系統(tǒng)的輸出除以輸入得到這一測量系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度(根據(jù)系統(tǒng)靈敏度的定義:測量系統(tǒng)的示值變化除以相應(yīng)的被測量值變化所得的商);要研究的內(nèi)容是噪聲變送器的系統(tǒng)靈敏度在不同頻率下的頻率響應(yīng)特性,即這個系統(tǒng)在不同頻率下是否能保證輸出/輸入呈線性變化,這個系統(tǒng)靈敏度就是這個線性曲線的斜率。因此噪聲變送器的校準并不是要研究傳聲器本身的靈敏度特性,所做的測量工作也不是在開路情況下獲得的測量數(shù)據(jù)。
 
噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的特性除了傳聲器的特性影響外,所選參數(shù)#關(guān)鍵的影響因素在適配器。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特點,噪聲變送器無論它的聲壓級輸入在什么范圍,或進行什么樣的加權(quán)計算,它的輸出都需要轉(zhuǎn)換為(4~20)mA,就是說不同的設(shè)計聲壓級測量范圍和頻率計權(quán)的變化,都直接影響系統(tǒng)靈敏度的數(shù)值,本文研究的噪聲變送器就是規(guī)定了具體的參數(shù)范圍(測量范圍(20~8000)Hz,電流輸出范圍(4~20)mA,設(shè)計聲壓級量程為(0~130)dB,設(shè)計頻率計權(quán)為A計權(quán)),因此它的名義系統(tǒng)靈敏度根據(jù)定義為s=(20-4)/ (130-0)=0.1231 mA/dB;若設(shè)計聲壓級量程變?yōu)椋?~100)dB,電流輸出范圍仍是(4~20)mA,則此時的名義系統(tǒng)靈敏度根據(jù)定義為s=(20-4)/(100-0)=0.160 mA/dB;如果設(shè)計的頻率計權(quán)由A改為C計權(quán),計算得到的名義系統(tǒng)靈敏度也會發(fā)生變化,而傳聲器的開路聲壓靈敏度是傳聲器本身的計量特性,由傳聲器的結(jié)構(gòu)、換能原理等決定,其名義值不應(yīng)根據(jù)計算不同而發(fā)生改變。因此噪聲變送器的校準參數(shù)應(yīng)與傳聲器的開路聲壓靈敏度有所區(qū)別。 
 
4 系統(tǒng)靈敏度的量綱
根據(jù)噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的定義,系統(tǒng)靈敏度的量綱應(yīng)為“mA/dB”,參考為20 μPa。需注意的是若噪聲變送器系統(tǒng)靈敏度的量綱換為“mA/Pa”,與傳聲器的靈敏度形式上保持一致,是不適當?shù),根?jù)空氣聲聲壓級的定義,對噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度在不同頻率下進行計算,數(shù)據(jù)如表1所示。
噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度計算數(shù)據(jù)表
由表1看出,若采用mA/Pa的形式進行分析,實際上其在不同頻率下的電流輸出聲壓靈敏度并不是相同的,也就是這種噪聲變送器系統(tǒng)其聲壓級輸入和電流輸出并不是線性輸出,無法進行不同頻率下系統(tǒng)靈敏度的線性度分析。或者說這種系統(tǒng)在特定的情況下,電流輸出與聲壓級成正比,與聲壓不成線性變化。
 
5 系統(tǒng)靈敏度的符合性分析
噪聲變送器電流輸出的頻率響應(yīng)特性通常按照 IEC61672-1《電聲學聲級計第1部分:規(guī)范》中的1級或2級允差要求進行設(shè)計,其電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的頻率響應(yīng)特性可參考JJG 175-2015《工作標準傳聲器(靜電激勵器法)》中對應(yīng)型式給出的頻率響應(yīng)極限值進行符合性分析。IEC 61672-1于2013年修訂后,聲級計檢定規(guī)程和聲級計型式評價大綱已全面修訂,新規(guī)程修改了各計量特性的“接受限”,不再使用“允差”,并且各準確度等級聲級計對應(yīng)的接受限修改的更為嚴格,合格判定修改為不超過接受限,同時測量不確定度不超過附錄A中的#大允許測量不確定度。因此對噪聲變送器進行校準時,應(yīng)充分考慮被校準的噪聲變送器是按哪個版本的允許誤差進行設(shè)計的,如文中進行校準的TRSLT1A4型噪聲變送器,屬于按舊標準中2級允差設(shè)計的噪聲變送器,為保證其頻率響應(yīng)特性評價的一致性,仍采用舊版標準中給出的允差要求進行符合性分析。 
 
6 結(jié)論
分析了噪聲變送器在校準和符合性分析中應(yīng)注意的一些問題,提出了一種通過測量噪聲變送器的電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度頻率響應(yīng)對噪聲變送器電流輸出特性進行分析的校準思路,為噪聲變送器的準確校準提供參考和一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
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