振动对压力传感器的影响

振动对压力传感器的影响

事实上,压缩机,涡轮机和发动机的所有的应用中,都会产生振动现象,这也会对测量传感器产生影响。如果没有适当的防范措施,压力传感器的功能也会相应削弱。

振动对压力传感器的影响是很大的:一方面,测量信号受到叠加干扰。如果这种振动传入到输出信号,终端用户将得不到有用的测量结果。

这种影响是立刻可现的,同时连续荷载也会导致材料疲劳。焊接接缝裂开,螺纹松动。无论是通过失真的测量结果或是已经破损的机械连接,振动都能够导致压力变送器不能正常工作。幸运的是这些不良的影响能够被大大的降低。

通过振动保护压力测试系统

预防是最好的措施。用户需要了解在各个应用中都会发生振动。首先要确定应用中的振动频率。振动不会每秒都会造成损害。在制造商的数据表中,无干扰的频率范围通常是在“测试”中列出的。这里应用的DIN EN 60068-2-6 标准,试样在一个预定的测试持续时间内被定义的频率范围。这里旨在与阐述样机的固有频率。实际的测试过程如Fig 1所示。

Figure 1: Qualification of a prototype: Pressure sensor is screwed into an aluminum block that is loaded mechanically (vibration, acceleration)

如果强烈的振动超出了压力传感器的技术参数,可以优先考虑两种方法。第一个是关于空间维度:压力传感器尺寸多大,安装在哪里?压力传感器尺寸越大,振动的影响也越大,阻力越小。因此在强烈的振动应用中,使用较小尺寸的压力传感器是越有利的。例如 ATM.mini,尺寸小,受到振动的影响也很小。

除了压力传感器的尺寸外,在应用中的实际位置也是至关重要的。如果安装在沿振动轴上,那么它受到的振动也越小。当安装在垂直于振动轴的位置上时,它则需承受所有的振动。

此外,压力传感器本身可以更好的防振。为此,压力变送器被封装在软的密封剂中以降低振动,从而充分保护机械部件。从Fig 2中可以看到这种光滑的密封剂。

Figure 2: 注密封胶的压力传感器

总之,剧烈的振动可以损坏压力传感器。通过选择适合应用的(频率范围,尺寸)和最佳的安装方式(沿着振动轴),任何振动的影响都可以降到最低。进一步的保护则需要通过把传感器封装在密封剂中来实现(如Fig 2所示)。

高温下的高精度压力测量

高温下的高精度压力测量

在某些应用中,要求压力变送器即使在高温下工作也要保持可靠的性能。在化学和食品工业中使用的供设备消毒的高压灭菌器也在此范畴中。

高压灭菌器是一种工业较大范围内应用的压力舱。它们的特点是高温和不同于周围的环境压力的压力。例如,医用高压灭菌器用于在134℃的高温环境中杀灭细菌、病毒和真菌从而对设备进行消毒。压力舱中的放气阀被热蒸汽代替。最常用的方法是向下位移: 蒸汽进入压力舱并通过将冷气压入底部填充上部区域。在那里,它通过一个装有温度传感器的排水管道疏散。当所有空气都被疏散且高压灭菌器的温度达到134℃,这个过程就停止了。

高温下的精准压力测量

高压灭菌器里用的压力传感器用来监测和校验。由于标准压力传感器通常在室温下进行校准,因此在高温和潮湿环境下,它们无法达到最佳的准确度。然而,STS最近碰到了一位制药行业的客户,其要求在134℃下总误差在0.1%的情况下测量-1…5bar的压力。

硅压阻压力传感器对温度相当敏感。但是温度误差可以补偿因此设备就可以针对个别应用程序所遇到的温度进行优化。举个例子,如果您使用标准压力传感器,在室温下达到了0.1%的精度,那么在用于高温灭菌舱且温度高达134℃的条件下,这个设备则无法达到同样的精度。

用户需要一个在高温下达到高精确度的压力传感器,因此需要一个相应设备来校准。在一定温度范围内校准压力传感器是一回事。然而,询问了关于高压灭菌器应用的高精确度要求的客户对我们来说还有另一个挑战要比常规校准传感器更难实现:不仅传感器元件要在134℃的高温灭菌舱里,而是整个传感器及其电气元件全部要在里面。遗憾的是,我们不能详细说明我们是如何组装一个数字式传感器使它能在134℃的情况下既实现所需精度小于0.1%,也能够使它的其他组件能够处理高温和潮湿的情况。

总之 ,硅阻式压力传感器对于温度的变化是十分敏感的。然而,拥有精准的技能,它们就可以针对单个应用的需求进行优化。此外,不仅传感器元件可以进行相应的校准,整个传感器也可以以一种甚至是可以管理的方式进行组装。

电子式压力测量:常规测量原理对比

电子式压力测量:常规测量原理对比

电子式压力传感器广泛应用于各种应用,从机械技术到制造业,再从食品到制药业。压力实际大小的记录可以通过不同的测量原理进行。

在电子式压力测量中,薄膜传感器、厚膜传感器和压阻式压力传感器之间是有区别的。这三种测量原理都是很常见的,即压力转化为电子信号。而惠斯顿电桥对于三者说同等重要:一种由4个电阻组成用来测量其中一个电阻阻值(其余3个电阻阻值已知)的装置。

压阻式压力传感器:高精度、低成本

压阻式压力传感器基于硅的压阻效应。一般通过引线接入到惠斯顿电桥并扩散到硅片上。外加压力作用下,硅晶片会变形, 若给电桥加一个恒定电流或者电压电源,电桥将输出与压力对应的电信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换为压力信号输出。

由于压阻式传感器元件非常敏感,必须使之避免受到测量介质的影响。因此,把传感器至于隔膜密封中,压力通过传感元件周围的硅油传输。然而在食品或制药行业等卫生应用领域, 也会用到其他的填充液。

优点:

  • 高灵敏性,可测量到mbar 范围的压力
  • 较大测量范围,从mbar到2000bar
  • 安全等级高
  • 超高精度高达0.05%
  • 微型设计
  • 良好的滞后性和重复性
  • 基本工艺成本较低
  • 能检测静态和动态压力

缺点:

薄膜传感器:长期性能稳定但价格高昂

与压阻式压力传感器相比,薄膜传感器是基于金属主体的。这时候连接到惠斯通电桥的四个电阻是通过所谓的溅射工艺储存的。因此,这里的压力也是由变形引起的电阻变化所检测到的。除此外,温度补偿电阻也能够被嵌入。在压阻式压力传感器下不需要液体传递。

优点:

  • 体积小
  • 压力测量可高达8000bar
  • 卓越的长期稳定性
  • 无需温度补偿
  • 高精度
  • 高爆破压力
  • 静态和动态压力可测

缺点:

厚膜传感器:及其耐腐蚀

陶瓷(氧化铝陶瓷)作为厚膜传感器的基本材料。整个压力传感器是一体的,也就是说传感器的主体仅由一种材料组成,保证了长期稳定性能。此外,陶瓷具有超强的耐蚀性。

优点:

  • 良好的耐腐蚀性
  • 无需温度补偿
  • 卓越的长期稳定性能
  • 不需要膜片密封

缺点:

  • 不适合动态压力
  • 有限的压力上限测量(400bar 左右)
正确解读压力传感器的精度值

正确解读压力传感器的精度值

在选择合适的压力变送器时,客户会考虑各种因素虽然一些作业环境需要特别大的压力范围或延长的热稳定性,但对于其他作业环境来说,精度是选择压力变送器的决定性因素。 然而,“精度值”并无标准可定义。 下面,我们为您提供各种观点的概述。

虽然“精度值”不是一个明确的规范,但它仍然可以由与准确性相关的值进行验证,因为这些都是在所有标准中定义过的。 然而,在各种制造商的数据表中,如何规定这些精度相关值,仍然完全取决于他们。 对于用户而言,这使不同制造商之间的产品比较变得复杂。 因此,大家就致力于如何在数据表中呈现精度值并正确解释这些数据。 毕竟,0.5%的误差也有有可能是精度值0.1% – 这仅仅是确定精度值所采用的方法的问题。

压力传感器的精度值:概述

被最广泛应用的精度值是非线性的。 这描绘了特性曲线与给定参考线的最大可能偏差。 若要确定给定参考线,有三种方法可用:终点调整,最佳拟合直线(BFSL)和最佳拟合零。 所有这些方法都会产生不同的结果。

最简单的方法是终点调整。 在这种情况下,参考线通过特征曲线的起点和终点。 另一方面,BSFL调整是导致最小误差值的方法。 这里,参考线被定位,使得最大正、负偏差在程度上相等。

最佳拟合零,在产生的结果方面,介于其他两种方法之间。制造商应用哪些方法通常必须直接查询,因为这些信息通常没有在数据表中注明。 在STS,通常采用根据最佳拟合调整的特征曲线。

三种方式比较:

测量误差是用户了解传感器精度的最简单的数值,因为它可以直接从特征曲线读取,并且还包含室温下的相关误差因子(非线性,迟滞,不可重复性等)。 测量误差描述了实际特性曲线与理想直线之间的最大偏差。 由于测量误差反映的值比非线性大,所以制造商在数据表中并不经常说明。

还应用另一个精度是典型精度值。 由于各个测量装置彼此不相同,制造商会提供一个最大值,仪器测量结果不会超过最大值。 因此,所有设备都不能实现所谓的“典型精度值”。 然而,可以假设这些装置的分布对应于高斯分布的1西格玛(意指大约三分之二)。 这也意味着一批传感器比所述传感器更精确,另一批传感器不太精确(尽管不会超过特定的最大值)。

听起来似乎是矛盾的,但是精度值实际上可能在精确性上会有不同。 实际上,这意味着根据终点调整,最大非线性误差为0.5%的压力传感器与根据BSFL调整的典型非线性误差为0.1%的传感器完全一样准确。

温度误差

在非线性情况下,典型精度值和测量误差的精度值是指在通常为25°C的参考温度下的压力传感器的测量结果。 当然,也有可能发生非常低或非常高的温度的应用。 由于热条件影响传感器的精度,因此必须另外包括温度误差。了解更多关于压阻式压力传感器的热特性。

精度:长期稳定

产品数据表中准确性的条目在生产过程结束时提供有关仪器的信息。从这一刻起,设备的精度可以改变。这是完全正常的。传感器寿命过程中的变化通常被指定为长期稳定性。这里也是指实验室或参考条件。这意味着,即使在实验室条件下的广泛测试中,所述长期稳定性也不能对真实的操作条件进行准确的量化。需要考虑的因素有很多:热条件,振动或实际压力都会影响产品寿命的精度。

这就是为什么我们建议每年检测一次压力传感器,以符合其规格。在精度值方面,检查设备的数值变化是非常重要的。为此,在非加压状态下,通常检查零点以进行变化。如果这大于制造商的规格,该单元可能有缺陷。

压力传感器的精度可能受多种因素的影响。因此,强烈建议事先咨询制造商:在哪种条件下使用压力变送器?可能出现什么可能的错误来源?仪器如何最好地集成到应用程序中?数据表中指定的精度如何计算?以这种方式,您可以最终确保您作为用户接收的压力变送器能最佳地满足您的精确性要求。

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业的用户得到的数据往往来源于制造商提供的样本信息。这里特别指的是精度信息。因此,专业术语的了解对综合评估特定压力测量仪器时是十分重要的。

关于精度, 无法给予一个标准的定义。因为,不受制于任何的标准。然而,这并不适用于与精度定义相关的术语,包括特性曲线,迟滞,非线性,非重复性和测量误差。下面我们将简要的解释这些术语。

特性曲线

特性曲线显示了输出信号(测量值)和输入信号(压力)的相互依存关系。在理想状态下,特性曲线是一条直线。

非线性

基准线和特性曲线的最大偏差(正或负)被描述为非线性。基准线本身有三种不同方式决定校准,最佳拟合直线(BFSL)和最佳零点调节。每种方式会得出不同结果,欧洲最常用的方式是极值点调整。这里的基准线贯穿了特性曲线的起始点和终点。

测量误差

测量误差或测量偏差,描述的是显示数值和“准确”数值的偏差。这里所谓的“准确”值是理想情况下的,在实际操作中只能通过标准条件下的高精度测量设备取得,诸如在校量过程中的基本标定方法。绝对误差通常使用和测量值相同的单位,而相对误差是相较于正确值,并且单位不是唯一的。

零点和量程误差

在传感器生产过程中,与标准参考设备会存在误差。测量范围起始点和终值的测量偏差被称之为零点和量程误差。量程误差指的是实际输出量程与规定输出量程之差。零点误差是目标基准线的理想零点和实际特性曲线真实输出值之间的差值。

在非承压状态下,用户可以轻易的读取零点误差值,为了消除它,用户必须输入一个补偿作为抵消到评估单元里。量程误差的消除是很难做到的,因为压力测量范围的上限必须要尽可能精准。

迟滞

显示值不仅取决于输入值(这里指压力),也取决于输入值之前的测量值。

如果把升压特征曲线和降压特征曲线做比较,可以观察到输出信号,尽管在相同的压力下,它们本身数值其实是不相同的。这两个特征曲线之间的最大偏差称之为迟滞现象,并以满量程的百分比来表示。

非重复性

即使在相同的条件下测量,压力变送器电子部分也会受到随机条件的影响,这是因为在连续测量的情况下,输出信号在相同的压力下是不同的。在同一方向上连续三次测量的最大偏差被称之为非重复性。用户所认可的可信赖的压力测量仪器是它的最小非重复性。

类似于迟滞现象,非重复性也是不可补偿的。

温度误差

温度的变化直接影响到压力传感器的特性。举个例子,应用在压阻式压力传感器中的半导体电阻,随着温度的增加而降低。 制造商通过平衡热特性来完善他们的产品。温度相关的误差要么通过传感部分直接补偿,或者在电路部分进行。一些设备还集成温度原件来补偿温度相关的误差。总之,误差只能被缩小而不能完全消除。有些制造商通过温度系数表达其他的一些温度误差。

过载压力-过压

超出的特定误差限值在过压范围内,那么压力传感器不会受到永久损害。

爆破压力

爆破压力指的是使压力传感器传导部分发生形变的压力,这会造成机械上的损坏。

长期稳定性

外在因素影响测量仪器。出于此原因,在经过多年的使用后特征曲线也会随之发生变化。长期稳定性(也是长期漂移)是制造商在实验室条件下确定的,并在数据表中以满量程的百分比按照年的单位表示出来。

然而设备的实际操作条件和测试条件有很大的不同。制造商之间的测试流程也是有很大不同的,这样使得数据之间相比较非常困难。一般情况下,建议压力传感器每隔一段时间做次校准必要时进行调整。

精度:曲线的不一致性

正如一开始所提到的, “精度“ 不是一个固定值。它偶尔也会有另外一种叫法,即“曲线的不一致性”。这是根据IEC 770所描述的最大总误差,包括线性偏差和迟滞,以及非重复性。因此,它是在测量范围的上限上偏离理想的特征曲线并以百分比表示。

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