| 使用介質(zhì)隔離的壓力傳感器來提高工業(yè)過程的可靠性和精度 |
| 信息來源： 壓力傳感器 | 2022-10-11 點(diǎn)擊量： 3254 |
在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時(shí)代，缺少不了壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、密度計(jì)、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。
諸如加熱，通風(fēng)，空調(diào)和制冷（HVAC/R）之類的閉環(huán)工業(yè)和商業(yè)過程的設(shè)計(jì)人員使用機(jī)電壓力傳感器來增強(qiáng)控制能力并改善過程性能。問題在于，這些系統(tǒng)中使用的液體和氣體，以及系統(tǒng)運(yùn)行所處的溫度和壓力范圍廣泛，會(huì)腐蝕壓力傳感器的材料，導(dǎo)致腐蝕并導(dǎo)致泄漏，從而損害傳感器的完整性。
設(shè)計(jì)人員需要一種替代技術(shù)，既要滿足環(huán)境挑戰(zhàn)，又要提供應(yīng)用程序所需的準(zhǔn)確性和可靠性。
本文介紹了在引入霍尼韋爾（Honeywell）的介質(zhì)隔離壓力（MIP）傳感器之前，基于應(yīng)變計(jì)的壓力傳感器如何工作。它們由不銹鋼制成，具有氣密封焊設(shè)計(jì)，而不是通常被證明是典型傳感器的弱點(diǎn)的O形圈和粘合劑密封。然后，文章將介紹測量誤差的來源以及如何將其非常小化，然后演示如何將換能器應(yīng)用于商用制冷系統(tǒng)中以提高過程效率。
機(jī)電壓力傳感器如何工作
現(xiàn)代的壓力變送器基于電氣輸出，并且不再使用較舊的Fickler機(jī)械連桿和撥盤。當(dāng)今機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵優(yōu)勢是可靠性，精度和可遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力。他們的主要測量技術(shù)基于壓電材料或應(yīng)變計(jì)。壓電壓力傳感器僅適用于動(dòng)態(tài)壓力測量，而應(yīng)變計(jì)可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力測量。本文將重點(diǎn)討論后者。
應(yīng)變計(jì)是在受到應(yīng)變時(shí)電阻發(fā)生變化的電路，其中應(yīng)變是受力作用的材料的長度變化與其空載長度（稱為）之比。應(yīng)變計(jì)通常根據(jù)其應(yīng)變系數(shù)（GF）進(jìn)行分類，該系數(shù)是衡量應(yīng)變敏感性的指標(biāo)。換句話說，GF是電阻的分?jǐn)?shù)變化與長度（或應(yīng)變）的分?jǐn)?shù)變化之比。
在使用中，壓力傳感器直接插入加壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的液體或氣體進(jìn)入壓力系統(tǒng)中的端口并移位隔膜。使用合適的粘合劑將應(yīng)變計(jì)連接到該膜片的上側(cè)（圖1）。
即使在非常高的壓力下，應(yīng)變計(jì)的長度變化也可能不會(huì)超過幾個(gè)毫厘（m），這反過來又會(huì)導(dǎo)致電阻的很小變化。例如，假設(shè)一個(gè)試樣經(jīng)受了350m的應(yīng)變。在此負(fù)載下，GF為2的應(yīng)變計(jì)的電阻變化為2（350x10-6）=0.07％。對于350歐姆（）的量規(guī)，電阻的變化僅為0.245。
如何進(jìn)行應(yīng)變計(jì)測量
為了準(zhǔn)確測量電阻的這種微小變化，同時(shí)將噪聲的影響降至非常低，將壓力傳感器的應(yīng)變計(jì)集成到惠斯通電橋的一個(gè)支腿中，該橋由四個(gè)電阻臂組成的網(wǎng)絡(luò)，兩端施加激勵(lì)電壓E（圖2）
惠斯通電橋是兩個(gè)并聯(lián)的分壓器電路的電氣等效物，其中RG（假設(shè)引線RL1和RL2的電阻可以忽略），R4包括一個(gè)分壓器電路，R2和R3包括第二個(gè)分壓器電路。。輸出eo是在兩個(gè)分壓器的中間節(jié)點(diǎn)之間測量的，可以通過以下公式計(jì)算得出：
從等式1，可以看出，當(dāng)RG/R4=R3/R2時(shí)，輸出電壓eo為零，并且電橋被稱為是平衡的。應(yīng)變計(jì)電阻的任何變化都將使電橋失去平衡，并產(chǎn)生與應(yīng)變成比例的非零eo。在壓力變送器中，膜片安裝式應(yīng)變計(jì)的輸出電壓在整個(gè)壓力范圍內(nèi)被稱為與供應(yīng)（激勵(lì)）電壓E成比例（線性比例）。
溫度補(bǔ)償
使用應(yīng)變計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是其對溫度影響的敏感性。溫度波動(dòng)會(huì)引入偏移和跨度誤差，并增加磁滯。
應(yīng)變計(jì)可能會(huì)由于激勵(lì)電壓E而變熱，但是可以通過將E保持在較低水平來大大緩解。不利之處在于，這將降低系統(tǒng)的靈敏度，但是如果需要，惠斯通電橋的輸出電壓eo可以放大。但是，必須特別注意避免放大疊加的噪聲。一種解決方案是使用載頻放大器，該放大器將電壓變化轉(zhuǎn)換為頻率變化，并使用窄帶寬輸出來保持噪聲低并減少帶外電磁干擾（EMI）。
第二熱源來自壓力傳感器本身的膜片和主體。高溫會(huì)導(dǎo)致膜片膨脹，應(yīng)變計(jì)會(huì)記錄到不是直接由于液體或氣體壓力而引起的應(yīng)變。
為了減輕這些影響，現(xiàn)代應(yīng)變計(jì)采用了溫度補(bǔ)償措施。應(yīng)變計(jì)通常由55％的銅/45％的鎳合金制成。該材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）非常低，從而限制了溫度引起的應(yīng)變。此外，通過將應(yīng)變計(jì)的CTE與與其連接的隔膜材料的CTE進(jìn)行仔細(xì)匹配，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的自溫度補(bǔ)償，將溫度引起的應(yīng)變限制在幾微米/米/攝氏度（m/m/C）。
溫度引起的誤差的另一個(gè)來源可能來自承載應(yīng)變計(jì)電壓信號(hào)的導(dǎo)線。在上面對圖2的電橋特性的初步討論中，假設(shè)這些導(dǎo)線（RL1和RL2）的電阻可以忽略不計(jì)；但是，如果導(dǎo)線是由銅制成的，那么溫度僅升高10C可能會(huì)導(dǎo)致直接從導(dǎo)線上產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)百微應(yīng)變（）的電橋偏移。解決此偏移的常用技術(shù)是使用三線電橋（圖3）。
在圖3中可以看到，負(fù)輸出電橋電節(jié)點(diǎn)在RL2的末端從R4的頂部移動(dòng)到應(yīng)變計(jì)的底部。引線RL1和應(yīng)變計(jì)（RG）組成一個(gè)臂，其中RL2和電阻器R4形成相鄰的臂。如果引線RL1和RL2具有相同的電阻，則兩個(gè)橋臂的電阻將相等，并且橋是平衡的。引線RL3僅是電壓感測線。它與任何橋臂都不串聯(lián)，并且對橋平衡沒有影響。
如果RL1和RL2都受到相同的溫度波動(dòng)，則電橋?qū)⒈３制胶?。另外，由于只有一根?dǎo)線與應(yīng)變計(jì)串聯(lián)，所以與兩線結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)線引起的溫度敏化降低了一半。
除了溫度對壓力傳感器輸出的影響外，還有其他誤差源。這些誤差源通常被稱為理想傳遞函數(shù)，它是一條與溫度無關(guān)的直線，它在理想壓力范圍內(nèi)通過理想偏移的斜率等于理想滿量程（FSS）。偏移量是施加參考?jí)毫r(shí)獲得的輸出信號(hào)，而FSS是在工作壓力范圍的上限和下限（圖4）下測得的輸出信號(hào)之間的差。
較低質(zhì)量的壓力傳感器在出廠時(shí)會(huì)遭受較大的偏移和FSS錯(cuò)誤。偏移誤差是與理想偏移相比的非常大壓力偏差，而FSS誤差是根據(jù)理想傳遞函數(shù)確定的相對于理想（或目標(biāo)）FSS在參考溫度下測得的FSS的非常大偏差。
進(jìn)一步的誤差來自壓力傳感器本身的精度，該精度可能會(huì)受到壓力非線性，壓力滯后和不可重復(fù)性的影響。熱引起的誤差，傳感器的不準(zhǔn)確度以及偏移和FSS誤差的組合決定了壓力傳感器的總誤差帶（TEB）。TEB是在整個(gè)補(bǔ)償溫度和壓力范圍內(nèi)輸出與理想傳遞函數(shù)的非常大偏差（圖5）。
重型壓力傳感器
工業(yè)應(yīng)用中使用的壓力傳感器會(huì)暴露于腐蝕性液體和氣體中，并且溫度波動(dòng)很大。例如，在HVAC/R應(yīng)用中使用的換能器要暴露于諸如丁烷，丙烷，氨，CO2，乙二醇加水之類的制冷劑中，或者暴露于諸如R134A，R407C，R410A，R448A，R32之類的一系列合成氫氟烴制冷劑中，R1234ze或R1234yf。同樣，工業(yè)HVAC/R系統(tǒng)中的溫度范圍為-40至+85C甚至更高的工業(yè)溫度范圍。
許多中低范圍的壓力傳感器都是用黃銅等合金制成的，并使用O形圈和粘合劑將傳感器的電子器件與接觸隔膜的流體和氣體密封起來。與腐蝕性物質(zhì)一起使用時(shí)，密封件可能會(huì)變得脆弱并開始泄漏。非常初可能無法檢測到此類泄漏，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的讀數(shù)和不良的系統(tǒng)控制。非常終，由于電子設(shè)備暴露在腐蝕性流體或氣體中，泄漏導(dǎo)致故障。
為了避免這些潛在的故障模式，設(shè)計(jì)人員可以使用霍尼韋爾（中國）的MIP系列壓力傳感器。這些重型，介質(zhì)隔離的壓力傳感器消除了內(nèi)部O形圈和粘合劑密封。換能器由不銹鋼制成，具有氣焊設(shè)計(jì)，而不是O形圈密封。該設(shè)計(jì)使MIP傳感器可在-40至125C的溫度范圍以及100千帕（kPa）至6兆帕（mPa）的壓力下與多種介質(zhì)兼容，包括腐蝕性流體，水和氣體（圖6）。
MIP系列采用5伏電源供電，并提供0.5至4.5伏直流范圍內(nèi)的比例輸出。壓力變送器的整個(gè)溫度范圍內(nèi)的TEB在壓力≤1MPa時(shí)為1.0％，在壓力大于1MPa時(shí)為0.75％。換能器的精度為0.15％FSS（非常佳擬合直線（BFSL））（圖7），其響應(yīng)時(shí)間為1毫秒（ms），脈沖等級(jí)超過20MPa。
此外，該系列還具有40伏的DC過壓保護(hù)功能，并在發(fā)生電氣故障時(shí)對傳感器輸出進(jìn)行診斷（表1）。
HVAC應(yīng)用中的壓力傳感器
壓力變送器在暖通空調(diào)系統(tǒng)等應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用，它能夠進(jìn)行精確控制以非常大程度地提高效率，同時(shí)降低能耗。例如，考慮工業(yè)制冷設(shè)備使用的HVAC/R循環(huán)（圖8）。
在壓縮機(jī)階段，來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽被壓縮（導(dǎo)致加熱）并泵送到冷凝器。在冷凝器處，高溫蒸氣將其潛熱釋放到空氣中，然后冷凝成熱液體。干燥機(jī)然后從制冷劑中除去所有水。然后，在計(jì)量裝置處，將來自冷凝器的熱液體推過流量限制器，該流量限制器會(huì)降低其壓力，從而迫使制冷劑釋放熱量。然后，在蒸發(fā)器內(nèi)部，這種冷液體從冷凝器的回流氣流中吸收熱量，并變成蒸氣。該蒸氣繼續(xù)吸收熱量，直到到達(dá)循環(huán)重復(fù)的壓縮機(jī)為止。來自蒸發(fā)器的冷空氣用于降低冷藏容器的溫度。
制冷循環(huán)之所以起作用，是因?yàn)殡S著制冷劑從液體變?yōu)檎魵庠俜祷?，存在大量釋放或獲得的潛能。為了有效地運(yùn)行，必須仔細(xì)監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)部分的壓力。當(dāng)制冷劑經(jīng)歷液-氣/汽-液相變化時(shí)，尤其如此。例如，在低壓下，制冷劑從液體變成氣體，并在比其更低的溫度下吸收潛能（熱）。在高壓下，制冷劑氣體在比以前更高的溫度下從氣體變?yōu)橐后w，從而釋放出潛能（熱量）。
通過監(jiān)視壓縮機(jī)和蒸發(fā)器出口的壓力，可以將壓縮機(jī)和計(jì)量裝置設(shè)置為精確控制循環(huán)低壓和高壓部分的流量（以及壓力），進(jìn)而改變制冷劑相的溫度為了使系統(tǒng)效率非常大化。
結(jié)論
應(yīng)變計(jì)壓力變送器為工業(yè)過程中的壓力測量提供了一個(gè)很好的解決方案，但是可能暴露于極端環(huán)境中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要意識(shí)到使用O形圈和粘合劑的型號(hào)的局限性。
霍尼韋爾（中國）的MIP系列壓力傳感器專為可能遇到這種極端情況的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用不銹鋼制造和密封焊接設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)使MIP傳感器與各種工業(yè)液體和氣體兼容，即使在高溫和高壓下也能確保較長的使用壽命?；裟犴f爾（中國）壓力傳感器還提供高精度，快速響應(yīng)，良好的長期穩(wěn)定性和出色的EMI抗擾性。
儀器儀表是工業(yè)化進(jìn)程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動(dòng)化流程才能夠更加自動(dòng)化。
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