由于市場對差壓變送器測量準(zhǔn)確度的要求不斷提高，導(dǎo)致差壓變送器的靜壓影響誤差越來越突出。從金屬電容式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析出發(fā)，并結(jié)合一定的試驗(yàn)，得出結(jié)論：金屬電容式差壓傳感器由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，其靜壓影響誤差不可消除或明顯減小。只有通過靜壓補(bǔ)償或采用硅差壓傳感器原理，才可實(shí)現(xiàn)較小的靜壓影響誤差。
1、引言
差壓變送器在線性校準(zhǔn)時(shí)，通常是在負(fù)壓室通大氣的條件下進(jìn)行的。也就是說靜壓為1個(gè)大氣壓，但是一旦安裝到現(xiàn)場實(shí)際使用時(shí)，往往會(huì)在正負(fù)壓室加上一定的工作壓力，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)零位產(chǎn)生了偏移，滿位輸出也出現(xiàn)一定的偏移(滿位偏移一般要通過與標(biāo)準(zhǔn)儀器比對讀出)。這種當(dāng)加上工作靜壓，導(dǎo)致變送器的零位和滿位輸出與大氣校驗(yàn)時(shí)的零位和滿位發(fā)生偏移的稱為靜壓影響誤差。
2、靜壓影響對變送器性能的影響和現(xiàn)場舉例
差壓變送器的靜壓誤差直接影響到其綜合精度。差壓變送器的綜合精度(%)一般有3個(gè)因素組成，它們是精度(%)、環(huán)境溫度變化影響(%/30°)、靜壓變化影響(%/7MPa)。它們的計(jì)算公式為：
由此可見，靜壓誤差對差壓變送器的綜合精度來說，是一個(gè)非常重要的因素。這點(diǎn)，昌暉儀表在各個(gè)實(shí)際的應(yīng)用工況中也得到了實(shí)際印證。
比如，當(dāng)差壓變送器應(yīng)用到孔板流量檢測的現(xiàn)場應(yīng)用的時(shí)候，在管道內(nèi)部裝上孔板或噴嘴等節(jié)流件，由于節(jié)流件的孔徑小于管道內(nèi)徑，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，流束截面突然收縮，流速加快。經(jīng)節(jié)流件后，后端流體的靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓壓差，該靜壓壓差與流體的流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系、符合Q=K。用差壓變送器測量節(jié)流件前后的差壓，實(shí)現(xiàn)對流量的測量。見圖1所示：
圖1 差壓變送器現(xiàn)場壓力連接圖
當(dāng)應(yīng)用在電廠測高壓蒸汽流量時(shí)，如果對靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給流量測量帶來較大誤差，尤其是在相對流量較小時(shí)，影響更可觀。例如一臺(tái)金屬電容差壓變送器型差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì)，在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2％FS ，雖然其零位誤差，可以通過調(diào)零來消除，但是滿位輸出誤差總是無法避免的，因此此誤差直接影響流量的測試，并且影響量很大。在這種應(yīng)用工況下，差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要，如果靜壓誤差經(jīng)過補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測量精度將會(huì)得到大幅提高。
3、金屬電容傳感器靜壓影響產(chǎn)生的原因
金屬電容式傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
金屬電容傳感器工作原理介紹：介質(zhì)壓力通過隔離膜片和硅油傳遞給位于δ室中心的測量膜片，測量膜片隨它兩邊的差壓而變形。測量膜片的位移，與差壓成正比，最大位移為0.1mm。由它兩側(cè)的電容極板檢測，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4-20mADC輸出信號(hào)。
圖2 金屬電容傳感器軸向解剖圖 圖3 受工作靜壓時(shí)的工作剖面圖
3.1靜壓影響產(chǎn)生的原因一
從圖2、圖3可以看出金屬電容式是兩邊受壓，壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內(nèi)部中心膜片上。
從圖4金屬電容式傳感器簡化后的應(yīng)力分布圖和撓度變化圖上可以看出，傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布， X方向的應(yīng)力得到全部抵消，但是Y方向的應(yīng)力q全部加在了傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因，越靠近中心，結(jié)構(gòu)越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高壓靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)最大的撓度f。結(jié)果就是，在高靜壓下中心隔離膜片向外的漲緊力增加，膜片的繃緊程度相對工作靜壓為零時(shí)，得到加強(qiáng)。并且工作靜壓越大，其繃緊的程度越大。
在繃緊力增加的狀況下，中心膜片隨差壓的位移就會(huì)變小，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4～20mADC輸出的信號(hào)也同樣變小。最終導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生，靜壓影響誤差的出現(xiàn)，并且靜壓影響絕對誤差與所加的工作靜壓有一定的線性關(guān)系，工作靜壓越大，其量程的靜壓誤差就越大。
至于零位的靜壓誤差，則表現(xiàn)為方向不確定，這主要與焊接應(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規(guī)律性。
圖4 金屬電容式傳感器簡化后的應(yīng)力分布圖和撓度變化圖
3.2 靜壓影響產(chǎn)生的原因二
從圖5可以看出，當(dāng)對傳感器兩側(cè)施加靜壓時(shí)，金屬電容式的兩側(cè)曲面座同時(shí)受壓。而曲面坐由金屬和玻璃組成，在外力作用下，會(huì)產(chǎn)生微小變形。因此其兩側(cè)曲面坐的厚度L1和L2隨著靜壓力P的增大而線性縮小。從而，導(dǎo)致兩側(cè)電容極板的極距H1和H2增大。
根據(jù)電容的定義，對于平行板電容器的電容為：
圖5 金屬電容式傳感器X軸方向受靜壓力簡化圖
從以上靜壓影響產(chǎn)生的兩個(gè)原因分析，金屬電容傳感器在工作靜壓的影響下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生測量漂移誤差，對于滿位的漂移和工作靜壓存在一定的線性關(guān)系，對于零位的漂移則具有方向不確定性。
4、昌暉硅傳感器靜壓影響分析
金屬電容式傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
昌暉儀表引進(jìn)瑞士的硅傳感器采用整體封裝，周圍被密封硅油包圍，其敏感元件四周均受力，受靜壓影響力非常小。
工作原理介紹：
硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線即成“硅應(yīng)變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋。它和彈性元件（即其N型硅基底）結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側(cè)，與作用在負(fù)腔側(cè)硅油形成壓差，它們共同作用的結(jié)果使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對應(yīng)的信號(hào)。惠斯登電橋的輸出信號(hào)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mmADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
圖6 硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 硅傳感器在工作靜壓下的受應(yīng)力分布圖
從圖6硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖上可以看出，硅傳感器完全被硅油包容，從圖7硅傳感器在工作靜壓下的受應(yīng)力分布圖上可以看出，硅傳感器內(nèi)外各個(gè)方向的應(yīng)力得到了有效抵消。只有在基礎(chǔ)硅片和導(dǎo)油管的環(huán)裝連接膠處，當(dāng)有工作靜壓時(shí)存在一個(gè)將連接膠壓緊的應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力基本影響不到測量硅片，所以昌暉單晶硅傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受工作靜壓的影響較小，比較適合應(yīng)用于高靜壓測量場合。
5、金屬電容傳感器的靜壓影響數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
5.1 測量方法
圖8 靜壓對比測量裝置(T1為基準(zhǔn)差壓變送器，T2為被測差壓變送器，S1為負(fù)腔可調(diào)儲(chǔ)氣氣缸，S2為正腔儲(chǔ)氣氣缸)
工作原理：高壓氣源(7MPa)將高壓氮?dú)馔瑫r(shí)加到T1、T2變送器上，然后關(guān)閉三閥組的平衡閥，通過微動(dòng)調(diào)解S1的氣缸活塞，可獲得變送器的量程輸出。將被測變送器和基準(zhǔn)變送器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即可推算被測變送器的在此高壓靜壓(7MPa)下的量程靜壓影響誤差。
5.2 測量數(shù)據(jù)
本試驗(yàn)中，基準(zhǔn)差壓變送器采用昌暉單晶硅差壓變送器(經(jīng)過靜壓補(bǔ)償)，被測差壓變送器采用金屬電容差壓變送器DP型電容式差壓變送器。滿量程均為40kPa，工作靜壓為7MPa。試驗(yàn)前，所有的變送器均經(jīng)過線性補(bǔ)償，其基本誤差符合±0.075%的要求。
表1：昌暉單晶硅差壓變送器和金屬電容差壓變送器同量程(40kPa)7MPa工作靜壓下的電壓輸出值記錄
從表1中可以看出：
①在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的零位輸出沒有規(guī)律性，與0MPa靜壓下的零位輸出比較，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)變小，部分?jǐn)?shù)據(jù)變大。
②在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的壓差線性輸出全部偏小，壓差值越大則偏差越大。即滿量程輸出偏差最大，平均滿量程靜壓偏差達(dá)-0.020V，即-0.5%。
分析以上列舉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)文中對不同傳感器對靜壓影響量的闡述，可知金屬電容式差壓變送器由于其本身結(jié)構(gòu)上的原因，導(dǎo)致其輸出在靜壓工作下發(fā)生較大的偏移。
從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，為了降低或消除這種偏差，可以通過以下兩個(gè)方案實(shí)施：
①敏感元件采用壓力傳導(dǎo)介質(zhì)全包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如上文提到的采用硅傳感器，它能有效地降低或消除靜壓影響；
②采用軟件靜壓補(bǔ)償原理
首先，在傳感器內(nèi)部額外設(shè)置靜壓傳感器，用以測試工作靜壓；然后，使用專用設(shè)備對每種量程的差壓傳感器進(jìn)行多次重復(fù)的靜壓誤差測試，積累到一定的數(shù)據(jù)后，采用軟件的方法建立靜壓偏移數(shù)學(xué)模型；最后，將靜壓偏移數(shù)學(xué)模型下載到每臺(tái)差壓變送器中。這樣當(dāng)經(jīng)過靜壓補(bǔ)償后的差壓變送器，在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，將根據(jù)不同的工作靜壓，自動(dòng)修正量程輸出偏差，達(dá)到消減靜壓影響的目的。
昌暉儀表目前開發(fā)的YR-ER100系列高精度單晶硅變送器，正是基于以上兩點(diǎn)展開研究的，并在市場上獲得一致好評(píng)，為客戶解決了靜壓影響問題。相信在不久的將來可以將工作靜壓對差壓傳感器精度的影響降為更低。
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