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压力传感器的校准

压力传感器的校准

由于机械、化工或热力影响,测量装置的精度会随着时间的变化而变化。这种老化过程是正常但又不能被忽视的。因此,通过校准来识别这些变化至关重要。

压力表的校准是十分重要的。一方面它是遵循已建立标准如ISO9001. 另一方面,制造商也获得了非常具体的收益,比如工艺改进和节约成本(如采用一些合适的原材料)。这是很有价值的,因为尼尔森研究公司2008年的一项研究表明,对生产企业进行问题产品校准的成本平均每年170万美元。在某些行业,如化工,持续的和无误的校准通常也是跟安全息息相关的。

定义:校准,调试和验定

校准,调试和验定通常被认为是同义词。然而,这三种术语包含着显著的差异。校准-测量仪器的测试数据和标准值之间的比较。这里的标准是一个参考设备,精度是一定的。通过测量比较,每一个测量装置都必须能够通过一系列的比较测量来和国家标准做对比。对于初级标准来说,这意味着在校准层级的顶端,净重试验器通常被用于压力计(也就是活塞式压力计),在国家研究所和校准实验室中使用。

在调试过程中(也称为校准),对测量装置进行干预以最大程度降低测量误差。这里的目的是为了调整因老化产生的误差。因此,调试通常会先于校准而在测量设备上进行直接干预。在调试之后,还会进一步进行校准,以检查和记录该修正。

验定涉及到一种特殊的校准形式。应用在法规强制的设备测试中。当测量的精确性存在于公众利益时总是这样的。同样也适用于当测量结果对产品价格有直接的影响时。比如安装在加油站里的流量计。在德国,验定是国家度量衡办公室和国家认可的测试中心的职责范围。

压力表的校准:标准及要求

在校准前,必须首先确定测量装置的实际校准能力。德国标定服务(DKD)出台了针对压力计校准的DKD-R 6-1指令。当校准机械压力计时,DKD规定了一系列的测试,分为:外部检验(包括对损坏,污染和清洁度的目测和标签)和功能检测(校准设备的完整性,电气功能,控制元件的完好性)。

在下一章DKD-r 6-1指令介绍中,DKD指出了校准的环境条件,校准是在稳定的环境温度下进行的。另外,如果它是在测量仪器本身的实际操作条件下进行的那么这种校准将是最佳的。

压力表的校准:

一旦校准能力确定并且环境条件适宜,那么就可以进行校准了。压力计应该在这里作为一个整体(测量链)进行校准,同时也要考虑到规定的安装位置。

DKD的DKD-r 6-1指令中,对不同的精度等级进行了不同的校准周期。这时候,我们将规定我们的校准周期A的精度等级 <0.1。这个校准周期也是最广泛的。

DKD-R 6-1 的校准序列

当校正精度等级为A时,DKD在实际测量序列执行之前,规定了3个满量程范围。在每个范围内,最大压力必须保持30秒才能完全释放。

接下来,在测量范围内均匀分布的9个点是通过持续增加的压力达到的。零点认为是第一个测量点。目标测量点必须从下面达到。因此,压力增加只能缓慢的进行。如果目标点被覆盖,那么由此产生的滞后性会造成结果的不准确。在这种情况下,必须大幅降低压力,以便从低于测量点的地方到达。一旦达到了这个值,这个值必须在实际读取之前至少保持30秒。

然后对所有剩余的测量点重复这个过程。但最后一个测量点有一个特性,因为它保持了两分钟然后重新阅读并记录下来。

一旦完成,第一个序列的第二个阶段就可以开始了。 这个情况是相反的,它是从上到下达到各个测量点。这里的压力应该是慢慢减小的所以这一次的目标值没有被低估。第二个测量序列以零点结束。

第二个测量序列可以在测量仪器在一个无压力状态持续三分钟后开始。在单个测量点上,重复压力升高和降低的循环。

 根据DKD-R 6-1指令的校准序列A

压力传感器的内部校准

在大多数工业应用中,由专业实验室进行校准是不必要也不实用的。对于现场压力计的校准,推荐使用便携式压力校准仪。它们不像净重试验器那么精准但是也足够满足校准要求了。在这些手持设备中,工作标准和压力生成结合在一起。当校准一个压力传感器时,一旦传感器和测试设备的电气和压力接头连接时,阀门开启,开始零点校准。单个压力测量点能够用集成泵控制。由此产生的电子信号通过综合的数据记录器进行测量和存储,然后在PC上读出数据。

寒冷气候中压力传感器如何保持可靠性能

寒冷气候中压力传感器如何保持可靠性能

环境温度对压力传感器的功能和精度有着很大的影响。而北极的温度也代表了一个特殊的挑战。

采用压阻式进行压力测量时,半导体扩散到硅膜上作为应变仪。当压力作用在膜片上时,这些应变仪会发生变形 ,电阻发生变化。正是这种变化最终确定了压力。然而这些电阻也是热敏型电阻。从而压力传感器的灵敏度随温度的下降而降低。因此,压力传感器不像在室温下那样精确。

由于此特性,压力传感器厂家一般都会说明他们的产品适用在一定的温度条件下。为了达到尽可能多的线性行为,压力传感器在相对较大的温度范围内进行补偿(温度补偿)。这也说明了温度误差是自动计算的。因此,压阻式压力传感器可以在相对较大的温度范围内提供精确的测量结果。然而,温度效应不能完全消除。出于此,厂家一般会在样本里标注不同温度范围的精度。

严寒:没有O型圈的压力传感器

寒冷气候不仅仅影响半导体里的电阻,在寒冷区域寻找适合户外应用的测量设备时,还需要考虑其他四个因素。其中一个就是密封圈的使用。零下20摄氏度的温度导致压力孔和膜片之间的密封材料变得易碎。传感器会因此产生泄露问题 。因此,在极端寒冷的地区,不应使用带O型圈的压力传感器。一个紧凑的压力孔和测量芯体直接融合在一起的压力传感器才是正确的选择。

冰冻:谨防超载压力

冷冻也会影响到传感器的功能。例如,如果我们在北极地区进行天然气钻探,那么在天然气输送管道中也会出现水。当水结冰时,压力变压器上的压力可能会超出它的负荷范围从而造成膜片破裂。如果传感器上结冰,就要严格监控相对应的过载压力 。

在压阻压力测量时,压力通过转换介质间接的应用到硅膜片上。这通常是由油组成的。当温度下降时,这种油的粘度会降低。取决于油和实际温度,它可以凝胶甚至变硬。这种变化也会影响到压力传感器的功能发挥。

还要考虑的是对冷凝的抵抗:如果在压力传感器的壳体中有潮湿的空气,冷凝会在寒冷的环境温度下形成,这会损坏电子元件从而破坏传感器。

综述

在低温条件下使用压力传感器的用户应该确保单个部件之间在没有O型圈的情况下也可以融合,并且对冷凝也有抵抗性。例如也要预估压力传感器在接触水的时候能否冻结。在这种情况下,应该选择具有相应过载压力的压力传感器。和任何应用一样,压力传感器应该得到预期的温度范围的补偿。

液位传感器接地保护避免浪涌冲击

液位传感器接地保护避免浪涌冲击

当监控填充水位时,务必确保液位传感器充分接地避免遭受严重损害。如果接地不充分或着完全不接地,可能会导致以下三种严重后果。

  1. 由于导电介质中如水的潜在平衡不足,可能会发生腐蚀。这是一个逐步的过程,能够在长期应用中观察到。传感器和周围液体之间的电压差导致了电解腐蚀。金属外壳逐渐被穿透,液体渗入到壳体内部。将会造成对电子设备的损坏的严重后果。这一过程既可以在开阔水域中观察,也可以在罐体内的填充液位监测中观察到,在罐体中,液位传感器、介质和管壁之间的电位差会导致电解腐蚀。
  2. 液位传感器通过电缆或插件连接到控制系统。通过这些连接,大气压中的电压能够传导到传感器。会导致传感器电路部分过压。
  3. 如果液位探头附近发生雷击,那么在较短的时间内就会出现高压。水中增加的电压会通过液位传感器寻找到地面的捷径。

液位传感器的接地和防雷电保护

为避免液位传感器受到以上因素的影响,因此要配备防雷电保护。出于此,液位探头集成瞬态过电压保护,它将对快速上升的电压差做出反应。如果突然出现电压浪涌,避雷器将会电路短路,从而将过压传导至地面。这种浪涌保护通常安装在非导电区域,但它确实会发生电压瞬变,这样它们就能在不造成任何损害的情况下传导到地面。然而,应该注意的是,对液位探头的雷击,即使是过压保护也无法防止损坏。

另外,与大地连接的阻值需小于100欧姆。对于用金属或塑料制成的液罐进行液位监测,必须注意所有的金属部件都要接地。在开阔水域的工况中,一般要求接地的电阻值要尽量的小。出于此,在这些应用中通常在地面按装接地网。

一般建议用户根据各自应用来跟制造商讨论接地形式。

压力测量:接头和密封

压力测量:接头和密封

压力接头(即过程连接)是介质直接作用于压力传感器的元件。和密封一样有不同的方式。

有各种各样的压力接头形式以满足不同行业的需求,并满足不同国家标准。然而,最基本的区别是,内置膜片和前置齐平膜之间的压力接头。

压力接头

对于内置膜片的压力接头(图1),压力介质通过通道接触到传感器膜片。这种压力连接类型通常更具有成本效益并且常用于液体和气体中。在固体介质应用中,存在污染管道的风险,最终对测量结果有影响。带内膜的压力接头也不适合在无菌应用中使用。

Figure 1: 内置膜片的压力接头

而对于前置齐平膜压力连接(图2),压力通道通过不锈钢薄膜密封在前面。因此,压力通过介质间接转移到敏感的传感器芯体。这种类型的压力连接是在无清洁的情况下使用的(如CIP  )。同样粘性的,固体的和研磨的介质,首选前置齐平压力接头。

Figure 2: 前置齐平膜片的压力接头

螺纹和密封

压力接头通常有一个螺纹可以连接到测量点上。地区的不同,螺纹有不同的表达方式。在西欧,柱状管道螺纹(G)是最常见的。

壳体和螺纹之间的密封和螺纹本身一样类型多样。在这里,必须考虑特定行业和行业解决方案。 材质是根据现有压力介质选择的。比如在无菌行业 (例如食品行业),

使用氟橡胶O型圈,因为氟橡胶耐高温和耐化学品腐蚀。

某些应用中不需要用到密封圈。有些类型的螺纹在不使用密封圈的情况下是防泄漏的。当组件的锥形密封表面被螺母锁紧时,这些锥形的纯金属密封连接达到了密封效果。

研磨介质或极冷或热的情况下,密封圈对于密封来说是很重要的。诸如柴油或汽油等燃料压力介质,那么测量芯体和压力接头必须焊合。用于密封圈的弹性体在研磨介质的影响下会泄露。在这里,介质决定了密封类型,因为焊缝会在盐水中腐蚀。因此需要O型圈。

得益于压力传感器,的模块化构造,压力接头和密封可以灵活选择以适应并满足大多数行业的需要。

压阻式压力变送器的热特性

压阻式压力变送器的热特性

压敏式压力变送器的灵敏度极佳,可以测量最轻微的压力。 然而,所使用的材料表现出相当高的温度局限性,这一点仍需被改进。

压阻式压力换能器的表现根据温度而改变。 虽然温度相关零点偏移是不言而喻的,并且可以由操作者容易地识别和检查,但是灵敏度和线性的温度相关的改变不太明显,并且因此经常被忽视。

零点偏移的原因

  • 零偏移的原因是多种效应的总和
  • 在硅芯片上的测量桥处的不同电阻值
  • 测量桥中各个电阻的温度系数变化
  • 采用一种质地不均的、涂着氧化硅层的硅膜(变化的膨胀系数)
  • 当将测量单元安装在载体(芯片,玻璃,玻璃引线)上时产生的机械张力
  • 与钢膜刚度相关的油膨胀(这是为什么油体积在膨胀元件中最小化到仅仅几μL)

根据压力传感器的结构和压力范围本身,每个部件的效果具有相当大的意义。 实际上重要的不是热零点偏移实际上是由什么组成的,而是它可以如何良好地改善。 这里希望的是获得尽可能大的温度范围内的线性响应。

多项式补偿的最佳结果

线性也随温度变化。 当这样的温度效应被考虑并补偿时,这通常仅在换能器响应的完全数学建模的意义上是有意义的和可能的。 该数学模型精确地描述了换能器的全部压力和热特性。 然而,为了能够应用该数学模型,需要计算机或数字补偿方法。

在STS,这是通过多项式补偿在我们的OCS产品中实现的。 用于水监测的 DL.OCS/N/RS485 数据记录仪的压阻式压力变送器的精度为0.03%FS,在-5 … + 50°C的温度范围内进行精度为0.05%FS 的多项式补偿。

STS的大多数压力传感器都是作为标准工作温度从-0°C至70°C优化的 – 在大多数应用中实现精确结果的最佳温度范围。 然而,在一些情况下,当针对从任何特定应用产生的温度条件预先优化传感器时,是有利的。 因此,STS专门在最短的时间范围内提供专用压力传感器。