如何選擇差壓變送器

系統(tǒng)制造商正在提供有史以來(lái)節(jié)能的汽車、飛機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以及相關(guān)部件。這在很大程度上是因?yàn)橹圃焐虒?duì)這些產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的嚴(yán)格

測(cè)試和測(cè)量要求。差壓傳感器是要求高可靠性，可重復(fù)性和高精度的應(yīng)用工藝中的一部分。

差壓傳感器通常被用于試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)和其他應(yīng)用中。每種應(yīng)用的工程師都在尋求對(duì)他們所在行業(yè)十分重要的傳感器改進(jìn)。

當(dāng)今差壓傳感器的性能已經(jīng)提高到可為嚴(yán)苛應(yīng)用提供解決方案。本文說(shuō)明了如何在關(guān)鍵壓力應(yīng)用中使用差壓傳感器，差壓傳感器的兩個(gè)性能特性，以及這兩個(gè)參數(shù)的重要意義。

1.微壓差傳感器應(yīng)用

差壓傳感器通常被用于試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞、泄漏檢測(cè)系統(tǒng)和其他應(yīng)用中。每種應(yīng)用的工程師都在尋求對(duì)他們所在行業(yè)十分重要的傳感器改進(jìn)。例如，設(shè)計(jì)和使用試驗(yàn)臺(tái)的工程師希望測(cè)量?jī)x器具有非常高的精度，因?yàn)橛?jì)算系統(tǒng)性能需要精確的空氣流量測(cè)量，試驗(yàn)臺(tái)可能會(huì)使用微壓傳感器來(lái)測(cè)量進(jìn)入柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬髁?，從而確定性能，或者測(cè)量非公路車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

另一方面，風(fēng)洞工程師對(duì)具有高精度和快速響應(yīng)時(shí)間的傳感器非常感興趣。低速風(fēng)洞應(yīng)用需要測(cè)量不斷變化的氣流速度。因此，傳感器可能會(huì)用于計(jì)算飛機(jī)的風(fēng)速，測(cè)量空氣如何流過(guò)汽車，或者幫助確定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的最佳曲率和間距。這些應(yīng)用依靠差壓傳感器與皮托管共同使用，來(lái)進(jìn)行精確可靠的局部氣流速度測(cè)量。

相反，基于差壓降低測(cè)量的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的工程師更重視過(guò)壓保護(hù)，因?yàn)槭┘痈邏簳r(shí)很容易發(fā)生意外過(guò)載。這些泄漏檢測(cè)系統(tǒng)使用差壓傳感器來(lái)計(jì)算泄漏速率(基于壓力降低)，從而確定小容積部件的密封完整性。例如，可以對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試來(lái)確定其密封件是否氣密，監(jiān)測(cè)正在使用的高壓過(guò)程管道來(lái)檢測(cè)泄漏，或者單獨(dú)密封機(jī)加工鑄件的各個(gè)通道，并按照90 PSIG下3 sec/m

的測(cè)試規(guī)范進(jìn)行檢查。施加的靜態(tài)管路壓力越高，可分辨的壓差越小，則可檢測(cè)的泄漏速率就越低（見下圖）

2.精度

輸出讀數(shù)極其精確，小于等于+0.07% FS RSS(滿量程，方和根法)，因?yàn)殡娙輦鞲衅鹘档土嗽肼曈绊懖⑶沂褂昧藬?shù)字線性化處理。這些傳感器使用頻率信號(hào)輸出替代了模擬信號(hào)，20-40MHz的頻率范圍可減少進(jìn)入電路的傳導(dǎo)噪聲。這些高頻信號(hào)易干被精確測(cè)量，并且已經(jīng)為通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行調(diào)節(jié)做好“數(shù)字化準(zhǔn)備”。壓力傳感器的精度一般通過(guò)方和根(RSS)法量化:

當(dāng)這三個(gè)誤差值盡可能小時(shí)，可以獲得更高的精度(更低的%FS)。精度計(jì)算的三個(gè)特性如冬4-6所示。非重復(fù)性和滯后是感測(cè)元件設(shè)計(jì)的固有特性，在制造過(guò)程中難以補(bǔ)償。通常這些值是傳感器質(zhì)量和穩(wěn)定性的基本指 標(biāo)。在校準(zhǔn)過(guò)程中可以補(bǔ)償?shù)奶匦允欠蔷€性。計(jì)算非線性的最佳擬合直線(BFSL或BSL)方法通過(guò)實(shí)際曲線擬合一條直線，以便最大限度降低實(shí)際曲線與直線 之間的相對(duì)誤差。這種情況下，曲線的終點(diǎn)與最佳擬合直線間沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

計(jì)算非線性的最佳擬合直線(BFSL或BSL)方法通過(guò)實(shí)際曲線擬合一條直線，以便最大限度降低實(shí)際曲線與直線之間的相對(duì)誤差。這種情況下，曲線的終點(diǎn)與最佳擬合直線沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

計(jì)算非線性的更精確和更嚴(yán)格的方法是終點(diǎn)法(圖6)，該方法測(cè)量在繪制連接終點(diǎn)PO(零差壓)到PFS(滿量程)的直線時(shí)的非線性。這種情況下，對(duì)零點(diǎn)偏移，或者量程進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整后，可以保持終點(diǎn)精度。測(cè)量非線性的不同方法會(huì)影響RSS傳感器精度的報(bào)告方式。例如，采用終點(diǎn)法具有士0.03%非線性的傳感器，使用最佳擬合直線法時(shí)非線性可能為士0.015%。BSFL方法的非線性數(shù)值更低，但是這并不會(huì)提高精度。

在制造過(guò)程中，傳感器會(huì)進(jìn)行全數(shù)字化處理來(lái)線性化輸出信號(hào)。數(shù)字信號(hào)線性化相比模擬信號(hào)線性化更加精確，因而可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控過(guò)程狀態(tài)的實(shí)時(shí)，精確、可靠的數(shù)據(jù)。此外，數(shù)字化處理可提供比模擬處理更高的抗電子噪聲干擾性。另一個(gè)顯著的傳感器改進(jìn)是總誤差。由于較新的傳感器都經(jīng)過(guò)熱特性測(cè)量，它們被更好地?zé)嵫a(bǔ)償，這可提高總誤差帶?？傉`差帶通常包括零點(diǎn)和量程偏移的最大不確定性誤差、零點(diǎn)和量程漂移、滯后、非線性和非重復(fù)性(見圖8)?？傉`差是真值最大正偏差與最大負(fù)偏差之間的差值。它通過(guò)檢查傳感器在壓力測(cè)量限值和工作溫度范圍內(nèi)的所有可能誤差來(lái)確定。總誤差值被用于確定傳感器在其補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)的最差性能。

傳感器在其校準(zhǔn)溫度范圍(如-20到+60℃)內(nèi)被特性化。在該過(guò)程中，通過(guò)記錄在自動(dòng)制造過(guò)程中不同溫度時(shí)的零點(diǎn)偏移和量程，收集制造過(guò)程的數(shù)據(jù)。采用非 線性曲線擬合算法來(lái)特性化傳感器的表現(xiàn)。通過(guò)該過(guò)程，補(bǔ)償數(shù)據(jù)加載到各個(gè)傳感器中，以便有效地補(bǔ)償熱環(huán)境影響。獲得在寬溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)小 于+0.5%滿量程的總誤差結(jié)果。

在所有環(huán)境影響因素種，溫度對(duì)信號(hào)輸出的影響最大。因此，不要忽視選擇具有低熱誤差的壓力傳感器的重要性，這樣可以實(shí)現(xiàn)工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。