压阻式压力传感器的压力响应

压阻式压力传感器的压力响应

压阻式压力传感器的用户期望收到线性压力响应,其中输出信号与所施加的压力成比例。 因此,压力信号图的曲线应为直线,其起点由零点位置指示,其灵敏度由梯度指示。

然而,压力信号曲线的真实形状或多或少总是显示出与理想线的较大偏离。 这种差异被称为压力传感器的线性误差。 另一方面,曲线的梯度对应其灵敏度。

从图中可以看出,当传感器以较低的灵敏度(约70%的标称芯片压力)使用时,使用曲线几乎全是线性的部分。 通过选择,发射机可以建立非常低的非线性(认为0.05%FS)。 然而,先决条件是操作范围位于芯片的线性部分内。

压阻式压力传感器的灵敏度

在线性规格中应注意的是,主要应用的是%FS(满量程,最终值)来表示。 在测量值方面,即使制造商规格列出了非常小的值,但是仍以%FS表示,若出现误差,结果很严重。在压力测量单元中,线性度取决于几个因素:

  • 半导体电阻器必须足够小并且扩散到硅隔膜上的精确的正确位置
  • 硅膜片必须是清洁净的且切口整齐,放置在正确的位置

线性度是变化的,无论是测量正压还是负压,意味着隔膜膨胀成凹形或凸形(拉伸或压缩负荷)硅隔膜的直径/厚度比必须在特定范围内。 非常薄的隔膜将随着叠加的拉伸而变形:在用于较低压力范围的换能器中,这种气球效应导致线性曲线的典型的S形路线(这不能通过模拟补偿方法校正)。对于非常厚的硅隔膜,要实现刚性固定在其边缘处的隔膜的预期结构亦是不可能了,因为,例如使用1000巴的传感器,隔膜的厚度是芯片本身的一半。

压阻式压力传感器的过载和爆破压力

线性曲线的典型过程大部分是非常线性的,然后是更加平稳的。 为了尽可能宽地输出信号,则要利用该曲线的最长的可能范围。直到达到大约三分之二的标记处,方向都是这样线性的则误差小于0.5%FS。 此外,线性误差变得更加显着,从而产生了精度测量的限制。除了非常低和非常高的压力范围之外,在测量单元故障之前,额定压力范围通常可以超过约50%。

为了增加过载保护,必须放弃宽有效信号的想法:必须使用压力传感器,其本身将用于更高的压力范围。 同时,例如,可以在电容式压力传感器中部署机械止挡件,用于该膜在压力下变形并且确保非常好的过载保护,这对于压阻式压力单元的具有最小偏转的、相对微小的硅膜是不可能的。

在STS,爆破压力定义为一种可以进入传感器的压力介质,因此金属膜片被破坏。 然而,换能器在这一点已经不再起作用。若使用投入式液位变送器、外壳、电缆连接器和电缆是确定的。因此,数据表中的换能器的突发压力值是可忽略的。

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。

压力传感器的安装:介质对安装位置的决定性作用

压力传感器的安装:介质对安装位置的决定性作用

理想状态下,压力传感器直接安装在被监测的过程回路中。如果不是这样的话,所检测的介质将决定传感器的安装位置。

由于各种各样的原因,压力传感器不能直接安装在回路中:

  • 安装空间受限
  • 后安装压力传感器
  • 防止测量传感器和介质的直接接触(比如温度过高)。

如果压力传感器不能直接安装在回路中,那么回路和测量仪器之间的连接是通过旁路线建立起来的(也称为差压管线或支线)。取决于不同的应用,这条连接线填充着气体或液体。一般来说,在靠近回路的旁路管线和压力传感器周围会有一个截止阀。这样就可以在不中断实际进程的情况下拆卸或修改测量设备(或部分)。

当压力传感器需要进行维修时,比如校准时.  这一点就特别有用。测量的介质由于测量仪器上的截止阀而停留在旁路线中 。

当回路中存在旁通支路时。需要检测一些重要的检测点。这个旁通支路需尽可能短,并以圆环的形式来避免污垢,管路的梯度要小于8度。此外,还有一些跟介质有关的特殊要求。比如液体,要确保完全的排气。旁通支路可用于相对或是绝对压力测量。而对于压差测量,将会有两条支路。根据回路的不同,还要仔细注意安装说明。

在回路中压力传感器的定位

根据回路的类型,传感器安装在过程回路的顶端还是末端是很重要的 。现在就来讨论一下液体,气体和蒸汽之间一些重要的区别。

流体

当在管道中测量流体时,压力传感器应该安装在这个过程回路的末端,这样任何气泡就可以回流到这个回路中。此外,要确保过程回路中的介质在高温下也足够冷却。在这种情况下,旁路管线也会被认为是冷却区段。

气体

对于管道上的气体测量,如果条件允许,压力传感器应该安装在这个过程回路顶端。这可以使得聚集的冷凝物回流到回路中而不影响测量值。

蒸汽

由于高温和冷凝物的形成,蒸汽测量要复杂的多。这两个方面都是齐头并进的:如果蒸汽在到达压力传送器的途中冷却,就会形成冷凝物。如果它在测量仪器中累积,它就会影响测量结果

因此,在测量蒸汽时,必须注意确保适当降低介质温度 ,并且产生的冷凝物不会进入压力传感器。冷凝物可以达到的温度高度要提前设置。这在设计测量范围中也会考虑到。在绝对和相对的压力测量中,旁路线弯曲成S形。

由于两条旁路线内情况条件相同,因此在测量压差时,情况变得更加复杂。这就意味着冷凝物在低压高压时是一样的。出于此,位于旁路管线的截止阀的上游的冷凝管,用于差压传感器进行蒸汽测量。此外,一个五孔的截止阀应该在压力传感器的一侧使用,这样如果旁路管线发生爆破,也不会导致传感器被热的介质永久损坏。

压力测量中的常见故障以及故障排除

压力测量中的常见故障以及故障排除

输出信号不稳定,零点偏移,甚至是测量仪器的整体故障都牵动着用户的神经。好消息是当我们正确发现这些问题时,这些故障是可以很容易排除的。

接下来,我们将向您列出一些用户在实践中可能遇到的典型故障,但其实是可以通过一些专业知识来避免的。另外,我们已经发表了很多相关文章,我们会把相关链接放在下面。

故障产生原因故障解除
无输出信号

线路故障

 

检查电缆是否损坏,并确保其正确铺设。
接线错误检查插件电缆的分配,如有必要,请查阅安装和操作说明。
电源正负接线错误
显示压力过低端口堵塞,造成进口压力太低
  • 清洁端口。
  • 如果介质中有污垢,在过程回路中的接口部分安装过滤器。
  • 如果必要,使用前平膜压力传感器。

压力传感器在过程接口发生泄漏

检查密封,是否太松或是已损坏(更换密封,并检查介质兼容性)。
压力增加,输出信号不变压力接口口径堵塞
  • 清洁接口口径。
  • 在它前面安装过滤器。
  • 使用前置齐平膜膜压力传感器。
介质温度太低 (低于-40 °C / -40° 华氏度)压阻式压力传感器的芯体含有传导液,传导液在-40 °C.以下会凝固。在这种情况下,选择合适的填充液,比如:AS100(适用于温度-55 °C)。
输出信号显示高值并保持不变超出允许测量范围。如果压力传感器在超载范围内运行,虽然工作,但是不会显示精确的测量结果。输出信号已达到最高点,不会再超出这个值。选择适合测量范围的压力传感器。
输出信号太低,即使压力增加也不会超出这个值进口压力太低压力接口口径堵塞(同上)。
mA信号回路中负载过大(压力传感器电路部分消耗过多电流)根据产品资料/操作说明,降低mA信号回路负载。
电压信号回路中负载过低根据产品资料/操作说明增加负载。
工作电压太低工作电压必须根据操作说明保持一致。
压力传感器测量范围太大选择合适的测量范围,测量范围应在设备能力的75%左右。
零点偏移膜片由于超压变形
  • 压力传感器有缺陷。
  • 选择合适的测量范围,如有必要使用阻气门。
 由于压力峰值导致膜片变形或破裂
旋紧扭矩过高(测量芯体损坏)这个问题更容易发生在低压力测量范围。安装好过程中应注意最大扭矩(详见安装说明)。
温度影响下,输出信号漂移大相对压力补偿存在阻塞物(特别是在压力测量范围小于25bar时)相对压力补偿之前要确认是否有污垢。也要确认安装是否正确。
输出信号波动巨大接触不良电缆损坏或是插头松动。
回路中有强烈的振动或冲击脉冲传感器存在共振. Ideally,理想情况下,在选择合适的压力传感器之前,应该在参数表中检查允许的冲击荷。
输出信号有干扰脉冲EMC干扰务必确保采用屏蔽线缆,仔细安装会避免多数EMC现象
过程回路和测量仪器之间存在电位差检查压力传感器的接地
工作一段时间后,输出信号故障由于工作温度过高导致电子元件故障过程介质能够通过温度分离器充分冷却,比如散热片或冷却段。对于蒸汽最好选择虹吸管。

这里列出的一些故障都是由于选择不合适的压力传感器造成的。为了避免错误,您应该尽可能准确地了解测量仪器在压力测量范围和安装方面的要求 (这里您可以了解到如何选择合适的压力传感器 ). 提前与制造商进行详细的咨询可以帮您避免此类问题。

安装方式会影响压力传感器的精度

安装方式会影响压力传感器的精度

不适当的压力传感器的安装方式会影响到压力测量的精度。尤其是小量程压力。

当压力传感器的安装位置不同于供应商校准时的安装位置,精度则会受到影响。在STS,压力传感器校准的标准是垂直向下的位置。如果用户垂直向上安装这些已校准的压力传感器,就会在压力测量过程中出现误差。

原因很简单。压力传感器垂直向上安装的话,压力传感器的实际重量会影响其精度。由于地球引力,膜片、填充物和传输流体作用于实际的传感器芯片上。这种现象在所有的压阻式压力传感器,中都很常见,但只对小量程压力有影响。

压力传感器的安装:注意小量程压力

在这种情况下,被测压力越低,测量误差越大。100mbar测量范围的压力传感器测量误差可以达到1%。所测压力范围越高,影响越小。测量1bar以上的压力,误差几乎可以忽略。

用户很容易可以检测到这种测量误差,特别是表压类型压力传感器时。如果用户需测量小量程压力而又不可能按照出厂校准的位置来安装测量仪器时,则需要按照实际安装位置进行再校准。

当然,通过适当的应用建议可以很容易地避免这种额外的工作。虽然ough STS 压力传感器按标准垂直向下校准,但很容易在不同的位置进行再校准。如有类似的使用顾虑,请提前跟我们销售人员沟通。我们会给出相关的专业建议以避免您不必要的额外工作。