| 使用介質隔離的壓力傳感器來提高工業過程的可靠性和精度 |
| 信息來源： 壓力傳感器 | 2022-10-11 點擊量： 1838 |
在工業化迅速發展的大時代，缺少不了壓力變送器、流量計、液位計、密度計、差壓變送器等儀表把現場第一數據實時傳輸到工控系統上，為整個工業自動化系統充當控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業現場最前沿的壓力變送器使用情況。
諸如加熱，通風，空調和制冷（HVAC/R）之類的閉環工業和商業過程的設計人員使用機電壓力傳感器來增強控制能力并改善過程性能。問題在于，這些系統中使用的液體和氣體，以及系統運行所處的溫度和壓力范圍廣泛，會腐蝕壓力傳感器的材料，導致腐蝕并導致泄漏，從而損害傳感器的完整性。
設計人員需要一種替代技術，既要滿足環境挑戰，又要提供應用程序所需的準確性和可靠性。
本文介紹了在引入霍尼韋爾（Honeywell）的介質隔離壓力（MIP）傳感器之前，基于應變計的壓力傳感器如何工作。它們由不銹鋼制成，具有氣密封焊設計，而不是通常被證明是典型傳感器的弱點的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用于商用制冷系統中以提高過程效率。
機電壓力傳感器如何工作
現代的壓力變送器基于電氣輸出，并且不再使用較舊的Fickler機械連桿和撥盤。當今機電設備的關鍵優勢是可靠性，精度和可遠程監控的能力。他們的主要測量技術基于壓電材料或應變計。壓電壓力傳感器僅適用于動態壓力測量，而應變計可用于動態和靜態壓力測量。本文將重點討論后者。
應變計是在受到應變時電阻發生變化的電路，其中應變是受力作用的材料的長度變化與其空載長度（稱為）之比。應變計通常根據其應變系數（GF）進行分類，該系數是衡量應變敏感性的指標。換句話說，GF是電阻的分數變化與長度（或應變）的分數變化之比。
在使用中，壓力傳感器直接插入加壓系統中，系統中的液體或氣體進入壓力系統中的端口并移位隔膜。使用合適的粘合劑將應變計連接到該膜片的上側（圖1）。
即使在非常高的壓力下，應變計的長度變化也可能不會超過幾個毫厘（m），這反過來又會導致電阻的很小變化。例如，假設一個試樣經受了350m的應變。在此負載下，GF為2的應變計的電阻變化為2（350x10-6）=0.07％。對于350歐姆（）的量規，電阻的變化僅為0.245。
如何進行應變計測量
為了準確測量電阻的這種微小變化，同時將噪聲的影響降至非常低，將壓力傳感器的應變計集成到惠斯通電橋的一個支腿中，該橋由四個電阻臂組成的網絡，兩端施加激勵電壓E（圖2）
惠斯通電橋是兩個并聯的分壓器電路的電氣等效物，其中RG（假設引線RL1和RL2的電阻可以忽略），R4包括一個分壓器電路，R2和R3包括第二個分壓器電路。。輸出eo是在兩個分壓器的中間節點之間測量的，可以通過以下公式計算得出：
從等式1，可以看出，當RG/R4=R3/R2時，輸出電壓eo為零，并且電橋被稱為是平衡的。應變計電阻的任何變化都將使電橋失去平衡，并產生與應變成比例的非零eo。在壓力變送器中，膜片安裝式應變計的輸出電壓在整個壓力范圍內被稱為與供應（激勵）電壓E成比例（線性比例）。
溫度補償
使用應變計時的設計挑戰是其對溫度影響的敏感性。溫度波動會引入偏移和跨度誤差，并增加磁滯。
應變計可能會由于激勵電壓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。高溫會導致膜片膨脹，應變計會記錄到不是直接由于液體或氣體壓力而引起的應變。
為了減輕這些影響，現代應變計采用了溫度補償措施。應變計通常由55％的銅/45％的鎳合金制成。該材料的熱膨脹系數（CTE）非常低，從而限制了溫度引起的應變。此外，通過將應變計的CTE與與其連接的隔膜材料的CTE進行仔細匹配，可以實現一定程度的自溫度補償，將溫度引起的應變限制在幾微米/米/攝氏度（m/m/C）。
溫度引起的誤差的另一個來源可能來自承載應變計電壓信號的導線。在上面對圖2的電橋特性的初步討論中，假設這些導線（RL1和RL2）的電阻可以忽略不計；但是，如果導線是由銅制成的，那么溫度僅升高10C可能會導致直接從導線上產生相當于數百微應變（）的電橋偏移。解決此偏移的常用技術是使用三線電橋（圖3）。
在圖3中可以看到，負輸出電橋電節點在RL2的末端從R4的頂部移動到應變計的底部。引線RL1和應變計（RG）組成一個臂，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，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，則電橋將保持平衡。另外，由于只有一根導線與應變計串聯，所以與兩線結構相比，導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，它是一條與溫度無關的直線，它在理想壓力范圍內通過理想偏移的斜率等于理想滿量程（FSS）。偏移量是施加參考壓力時獲得的輸出信號，而FSS是在工作壓力范圍的上限和下限（圖4）下測得的輸出信號之間的差。
較低質量的壓力傳感器在出廠時會遭受較大的偏移和FSS錯誤。偏移誤差是與理想偏移相比的非常大壓力偏差，而FSS誤差是根據理想傳遞函數確定的相對于理想（或目標）FSS在參考溫度下測得的FSS的非常大偏差。
進一步的誤差來自壓力傳感器本身的精度，該精度可能會受到壓力非線性，壓力滯后和不可重復性的影響。熱引起的誤差，傳感器的不準確度以及偏移和FSS誤差的組合決定了壓力傳感器的總誤差帶（TEB）。TEB是在整個補償溫度和壓力范圍內輸出與理想傳遞函數的非常大偏差（圖5）。
重型壓力傳感器
工業應用中使用的壓力傳感器會暴露于腐蝕性液體和氣體中，并且溫度波動很大。例如，在HVAC/R應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HVAC/R系統中的溫度范圍為-40至+85C甚至更高的工業溫度范圍。
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。與腐蝕性物質一起使用時，密封件可能會變得脆弱并開始泄漏。非常初可能無法檢測到此類泄漏，從而導致錯誤的讀數和不良的系統控制。非常終，由于電子設備暴露在腐蝕性流體或氣體中，泄漏導致故障。
為了避免這些潛在的故障模式，設計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，介質隔離的壓力傳感器消除了內部O形圈和粘合劑密封。換能器由不銹鋼制成，具有氣焊設計，而不是O形圈密封。該設計使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伏直流范圍內的比例輸出。壓力變送器的整個溫度范圍內的TEB在壓力≤1MPa時為1.0％，在壓力大于1MPa時為0.75％。換能器的精度為0.15％FSS（非常佳擬合直線（BFSL））（圖7），其響應時間為1毫秒（ms），脈沖等級超過20MPa。
此外，該系列還具有40伏的DC過壓保護功能，并在發生電氣故障時對傳感器輸出進行診斷（表1）。
HVAC應用中的壓力傳感器
壓力變送器在暖通空調系統等應用中起著關鍵作用，它能夠進行精確控制以非常大程度地提高效率，同時降低能耗。例如，考慮工業制冷設備使用的HVAC/R循環（圖8）。
在壓縮機階段，來自蒸發器的低壓蒸汽被壓縮（導致加熱）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。干燥機然后從制冷劑中除去所有水。然后，在計量裝置處，將來自冷凝器的熱液體推過流量限制器，該流量限制器會降低其壓力，從而迫使制冷劑釋放熱量。然后，在蒸發器內部，這種冷液體從冷凝器的回流氣流中吸收熱量，并變成蒸氣。該蒸氣繼續吸收熱量，直到到達循環重復的壓縮機為止。來自蒸發器的冷空氣用于降低冷藏容器的溫度。
制冷循環之所以起作用，是因為隨著制冷劑從液體變為蒸氣再返回，存在大量釋放或獲得的潛能。為了有效地運行，必須仔細監控系統的各個部分的壓力。當制冷劑經歷液-氣/汽-液相變化時，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為液體，從而釋放出潛能（熱量）。
通過監視壓縮機和蒸發器出口的壓力，可以將壓縮機和計量裝置設置為精確控制循環低壓和高壓部分的流量（以及壓力），進而改變制冷劑相的溫度為了使系統效率非常大化。
結論
應變計壓力變送器為工業過程中的壓力測量提供了一個很好的解決方案，但是可能暴露于極端環境中的系統設計人員需要意識到使用O形圈和粘合劑的型號的局限性。
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用而設計，采用不銹鋼制造和密封焊接設計。這種結構使MIP傳感器與各種工業液體和氣體兼容，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，良好的長期穩定性和出色的EMI抗擾性。
儀器儀表是工業化進程的基石，只有選用工業現場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加自動化。
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