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)
安装压力传感器时要确保电磁兼容性

安装压力传感器时要确保电磁兼容性

电磁兼容性指的是电气设备在电磁环境下的运行。并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC现象对压力传感器的运行也起着负面的影响。在安装过程中对这些现象的了解是很有意义的,以提前避免电磁干扰(EMI)的出现。

在选择电气设备的安装位置时,也应考虑到EMC现象,特别是那些能耗高的设备。比如变频器,变压器,泵和发电机。

一般来说,EMC都是以不同的标准来制定的(比如EN61000)。压力传感器是否符合这些标准通常在制造商的产品参数中测试栏下显示。

与压力传感器有关的EMC现象

理想情况下,与EMC相关的典型问题在安装计划中已经被排除在外。安装后,电磁干扰可以通过意想不到的测量结果(真实性检查)或中断信号传输来识别。

根据我们的经验,干扰通常是由以下三种电磁兼容现象之一引起的,即电容耦合,电感耦合或电流耦合,下面简要描述。

电容耦合

当不同电位的导电体和基准导体彼此相互接近(毫米到厘米)安装时会产生电容耦合。因此,它是电荷从一个导体向另一个导体传递的跟距离有关的现象。

电容耦合会在测量时干扰模拟压力信号传感器的测量结果。压力传感器的输出信号受到干扰的,导致用户得到的压力数据不准确。

电感耦合

如果电导体安装接近,它们的磁场会叠加。当电流发生变化时,导体的磁场强度也会发生变化。规则就是:电流越大,磁场越强。磁场强度的突然变化表明导体中出现了电压干扰。 这种现象也会和电容耦合一起发生。由此产生的测量误差与上面的电容耦合部分所描述的类似。

电阻耦合

如果一些电路导电相连接或是使用相同的导体,就会发生电阻耦合。实际上,当高功率和低功率设备使用相同的电源时可以观察到这一点。设高功耗设备的电流变化会造成普通导体的电压降,并在低功耗设备的电路中产生噪音。这会导致模拟式压力传感器的测量误差。但是数字式测量设备很少发生这种现象。

模拟量和数字量压力传感器的电磁兼容性

模拟量和数字量压力传感器的电磁兼容性

关于电磁兼容性(EMC),具体应用的需求是决定性的。虽然我们生活在数字化时代,但这并不意味着“数字化”永远是最好的解决方案。这也同样适用于压力传感器。

模拟量压力传感器已经有150多年的历史了,是工业革命的产物。他们在很长一段时间里几乎没有的发展。现代化的生产过程生产了更稳定、更精确和更小的模拟压力传感器。在上个世纪后半期,数字量压力测量技术的出现并不能取代模拟式传感器。这样做有很好的理由:数字压力传送器不适合所有的应用。

数字量和模拟量压力传感器的对比

模拟设备的信号是通过模拟电流或电压信号传输的。最常用的就是4…20mA标准信号输出,接着是0…10v,再次是0.5…4.5V信号输出。压阻式压力传感器其压力是通过膜片的变形来检测的。膜片的变形导致了扩散电阻的电阻的改变从而形成了一个惠斯通电桥。这个电阻变化被转换成一个电子信号。通过模拟电路对零点和满量程误差进行补偿。

数字压力传感器使用诸如Modbus rs-485数字接口来传输测量值。因此,它们也被称为现场总线传感器。与模拟式压力传感器相反,电阻变化的电子信号是直接数字化的。典型误差的补偿,如温度误差的补偿是通过微处理器实现的。

什么时候选择模拟量压力传感器?

简短的对比表明,数字压力传感器有着许多的优点。它们同样也是很实用的:模拟量压力传感器发出的信号必须经过数字化才能被处理。如果测量值必须直接显示在显示器上,那么数字信号是一个优势。此外,当需要远程测量时,数字压力传感器是唯一的选择。在自动化控制系统中,当压力被用作控制变量时,数字仪表也同等重要。

数字和模拟压力传感器都能满足高精度的要求。然而,数字压力传送器有一个小的优势,特别是在高精度要求的应用中,因为所有的补偿都是纯数字的。然而,如果需要测量动态过程,模拟压力传感器通常是更好的选择。

尽管数字量压力传感器具有明显的优势,但它们的模拟设备仍然很有用。一方面,模拟量和数字量的区别也在于成本问题。如果你不需要数字测量仪器的优点,你也不应该为此付出额外的成本。然而,在某些情况下,这种经济考量并不是选择模拟式设备的唯一原因:大多数模拟量压力传感器选用的4…20mA标准信号输出基本不受电感耦合的影响。

电感耦合噪声也要考虑到

模拟量压力传感器 在磁场引起的高压噪声环境中通常是最安全的选择。尽管如此,在这样的环境中,这并不是完全摈除数字压力传感器的理由。当安装压力传感器时,预防措施可以防止或充分限制电感耦合造成的干扰。

以泵应用为例。当开启泵时,会产生一个瞬时的高电流从而产生一个相应的大的磁场。如果压力传感器的连接线与泵并联,那么它就在磁场的影响范围内。所引起的电压会干扰到压力传感器。

在本例中,建议在安装过程中仔细考虑连接线的位置。然而这并不适用于所有的应用。在这种情况下,电缆屏蔽应该被适当地接地以将干扰信号导入大地。(更多阅读请点击).

压力传感器的长期稳定性

压力传感器的长期稳定性

诸如温度和机械应力等因素对压力传感器的长期稳定性有负面影响。而生产过程中的不断测试则会将影响降到最低。

生产厂家通常会在产品资料里强调他们的压力传感器的长期稳定性能。这些产品资料中所给出的值是在实验室条件下得出的,例如,小于满量程0.1%的长期稳定性指的是压力传感器在一年的使用周期里总误差下降不超过量程的百分之0.1。

压力传感器通常需要一段时间才会“稳定”。正如前面提到的,零点和灵敏度(输出信号)是这里的主要因素。用户通常会注意到零点的漂移,因为它们很容易识别并进行调整。

如何优化长期稳定性?

为达到最佳长期稳定性,这意味着在产品生命周期中只能出现最小的漂移,核心元件必须是准确的:传感器芯片。高质的压力传感器是长期稳定性能保证。以压阻式压力传感器为例,是使用基于惠斯顿电桥的硅芯片实现的。稳定的压力传感器需要在生产过程一开始就打下好的基础。因此,硅芯片对性能长期稳定的压力传感器的生产至关重要。

传感器的组装也是起到决定性作用的。硅芯片被灌胶到壳体里。由于温度和其他因素的影响,浸入胶体的芯片可能会移动,因此也会影响硅芯片上的机械应力。因此测量结果越来越不准确。

实践证明,新的传感器需要一段时间才能真正稳定——特别是在第一年。用的越久传感器越稳定。为了摈除不良发展的趋势,并且能够更好地评估传感器,通常在离厂前进行一些老化和其他测试。

为使新的压力传感器稳定,STS 在一周内对它们进行热处理。这种所谓的“变动”通常会出现在第一年,因此在很大程度上是可以预见的。因此热处理是人工老化的一种形式。

Image 1: 压阻式压力测量芯体的热处理

传感器会进行进一步的测试以确定它的特性。这包括评估在不同温度下的单只传感器的运行以及设备长期处于超压状态下的加压处理。这些测量用来确定每只传感器的特性。这是为了在不同的环境温度下(温度补偿)。

因此,长期稳定性很大程度上取决于产品质量。当然,定期的校准和调试可以帮助纠正任何漂移。然而,在大多数应用中这都不是必需的:合格的传感器长期内都会保持稳定的性能。

长期稳定的重要性

长期稳定性的关联取决于应用。然而,它在低压力范围内当然是更重要的。一方面,这是由于外部因素对信号有很大的影响。芯片机械应力的细微变化对测量结果的精度有更大的影响。此外,低压力应用的压力传感器通常都是基于硅芯片的,这种芯片的膜片厚度通常小于10μm。

Image 2: 注胶后的硅芯片

尽管如此,长期的稳定性的同时保持精度在物理上是不可能的。诸如压力滞后和温度滞后现象是不能完全消除的。也可以说它们是传感器的特性。对于高精度应用行业,压力和温度滞后不应该超出总量程的0.02%。

还应该提到的是物理定律对传感器的长期稳定性有一定的限制。在特别苛刻的诸如多变、高温的应用中,损耗是很正常的。持续高温超过150 °C的工况会最终损坏传感器:与惠斯通电桥电阻连接的金属层,会融入到硅材料中,最终消耗殆尽。

在这种极端情况下使用压力测量或要求最高精确度的用户需要提前跟 制造商讨论各种可行解决方案。