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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。

流量测量

流量测量

气体或液体的流量测量是出于多种考量的,当然包括作为合约之一的商业考量和不同的生产过程因素。流量或体积流量 (体积/时间)可以通过测量的压力值来记录。

体积流量的测量方法多种多样。除了超声波流量传感器 ,还包括磁感应传感器和根据不同压力方法工作的传感器,其中包括孔板,文丘里喷嘴和普朗特毕托管。当对测量值进行评估时,伯努利方程适用于运用压差法的所有传感器:

Q = V/t = VmA

Q = 体积流量
Vm = 平均速度
t = 时间
A = 面积
V = 体积

Image 1: Orifice plate

现在我们将以孔板来测量体积流量为例。通过将孔板固定在管道上,造成管道局部收紧。当流量一致时,孔板前后压力不变。

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度

这个设想是建立在连续性方程的基础上的,它表明管道内液体的质量不会增多也不会减少。

v1A1 = v2A2

v = 速度

A = 面积

Image 2: 流量测量

然而现实状况下,摩擦力的发生导致压强下降:

p + ½ ρv2 + wR = constant

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度
wR = 体积摩擦力

Image 3: 压降  

这个压降对于确定体积流量很重要。然而,摩擦效应本身取决于很多因素。基于此,我们使用了一个经验公式,它反过来又依赖于经验值:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ

Q = 体积流量
α = 经验流量系数
ε = 膨胀系数 
d = 内孔直径
∆p = 压差
ρ = 密度

为了让用户更容易接受这个公式,测量系统和测量介质的所有常数都可以被概括为常数c。例如:

Q = c √∆p

压力测量:压缩介质 vs.  不可压缩介质

压力测量:压缩介质 vs. 不可压缩介质

在测量压力时要考虑很多因素。其中当然包含介质的实际属性。

其中最基本的区别在于介质是可压缩还是不可压缩性。可压缩性介质是一种密度和体积都与压力有关的物质,如气体。而不可压缩介质,无论压力大小,体积恒定,诸如液体。然而,应该注意的是,不可压缩性是一种理想状态,在现实中是不存在的。然而,水或液压油之类的液体在实践中被称为不可压缩介质,因为采用第一近似它们是不可压缩的。假设在正常条件下,管道内的水是不可压缩的,因为这极大地简化了运算,任何产生的误差都可以忽略不计。

我们以体积流量的计算为例。因为液体是不可压缩的,即它们的密度不变,如果体积恒定时(和由此带来的压力变化),断面流速扩大或缩小,就可适用以下公式:

Q = A1 •v1 = A2 •v2

由于气体的可压缩性则不适用于此公式。

由此可推测:静力学和动力学之间的差异在这里也很重要。静力学表示力的平衡。在这种情况下,由于压力差的均衡,不会出现流动现象。

而动力学则是完全不同的。在本例中,我们区分不同类型的流动现象。

摩擦也起着重要的作用。这里会发现外部摩擦和内部摩擦之间的区别。前者指的是流体和触面之间的摩擦(比如流体流动的管道内壁).在层流中会发生内部摩擦,例如,单层流体之间的摩擦。作用于流体的摩擦力取决各种参数,需要复杂的计算。这些参数包括内壁的粗糙度,流速,密度和粘度。后者也依赖于温度,这就进一步复杂了最终的计算。

现在回到静力学和动力学的区别。当我们试图建立重力压力时我们谈到了静态压力测量(也称为静水压力)。这指的是在万有引力作用下流体产生的压力。例如,测量静水压力用以检测罐体内的液位。在这里,可压缩介质和不可压缩介质的区别是很重要的,因为水的静水压力的计算比可压缩气体要容易得多。

不可压缩介质的质量等于它的密度乘以它的体积,也等于密度乘以面积,乘以高。对于计算静水压力,我们使用:

p = F/A = ρAhg/A = ρgh

p = 压力
F =力
A = 面积
ρ = 密度
h = 高
g = 重力

这个公式里的压力和介质深度程正比例。容器的形状或横截面积在这里不起任何作用。因此,静水压力与容器内的体积无关,而是与填充高度有关。这种现象也被称为流体静压佯谬。

您可以在这里阅读 更多基于压阻应用基础上的罐体内的流体填充液位监测。

静压用于测量液位时,需要动态压力来测量体积流量或流量。

了解更多,请点击 这里。

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。