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压力传感器 Archives - Page 13 of 15 - STS China
温度补偿,确保精度的关键

温度补偿,确保精度的关键

在选择合适的压力变送器的时候,对温度的了解是至关重要的。如果测量技术不能确保一定的温度补偿,将会出现严重的误差或其他风险。这也就要就用户需要提前知道他们特定应用中所需的温度范围。

这里需要考虑两个因素:介质温度和环境温度。这些数据都是非常重要的。介质温度是压力孔所接触到的温度。而环境温度则是指在应用中周围的环境温度并最终影响到电气连接。两种数值是不同的,每种都会产生不同的结果。

温度的重要性

压阻式压力变送器所采用的材质有一定的温度相关性。(了解更多关于压阻式压力变送器温度特性)。压力测量也会随着温度的变化而变化。因此,与温度相关的零点偏移和量程误差将会产生。简单来说,在25℃下10bar的压力值,如果在100℃的情况下进行再次测量将会得到不同的压力值。对于查看数据的用户来说,这意味着当温度补偿本身不足时,再高精度也几乎是没什么用处的。

除了避免严重的测量误差外,测量仪器的机械部分也与所处的温度相关。这主要影响到诸如电气连接和用于传送测量值的电缆等部件。很少有标准部件可以单独经受100℃以上的温度。这会导致电缆插座和电缆本身融化甚至着火。除了测量精度,温度也会对操作安全性造成一定的影响。

幸运的是,用户不需要担心这些风险,因为压力传感器可以根据不同的温度条件进行优化-一方面通过温度补偿,另一方面使用额外的冷却部件和特殊的耐热材料。

温度误差可以避免

压力传感器制造商采用温度补偿的方法。STS 压力传感器,举个例子,把0 °C 到 70 °C做为标准温度范围进行优化。温度值偏离标准温度越大,产生的测量误差也越大。在0 °C 到70 °C进行优化的测量仪器却应用在100℃的温度情况下,将不可能达到它所期望的精度值。这样的情况下,必须把传感器温度补偿在100℃左右校准。

有两种温度补偿方式:

  • 被动补偿:与温度相关的电阻在惠斯通电桥上进行补偿。
  • 主动补偿(多值补偿): 在加热箱里,压力值随着温度的不断升高而产生。然后再与校准标准比较。由此确定的温度系数将会被输入到压力传感器的电子元件中,而实际操作中的温度误差将会得到“主动”补偿。

主动补偿仍然是首选方式因为它会得到最精确的结果。

另一方面,温度补偿本身有它的局限性。正如前面所述,温度影响的不仅仅是压力传感器的精度。测量芯体的机械部件也会承受高达150℃的高温。在这种高温下,接触面和焊接点会变得不牢固,传感器本身也会遭受到损害。如果需要应用在极高的介质温度下,则需要用到额外的冷却元件来确保传感器的正常功能。

极高介质温度下的冷却元件

为了避免压力传感器遭受高温度的损害,根据应用和所处温度范围,可采用四种方式。

A:介质温度150℃左右

在这种情况下,在测量芯体和放大器之间安装一个散热片。这是将电子元件和实际应用隔离的关键,因此他们不会遭受到高温度的损害。

B:温度高于150℃

如果介质温度非常高,在压力孔安装一个冷却元件(例如在两侧安装散热片)。这样压力孔会接触到的是冷却后的介质。这些散热片对于传感器的精度没有任何的影响。然而,如果介质是热蒸汽,就需要采用虹吸管来代替散热片作为冷却元件。

C:超高温度(高达250℃)

当介质温度极其高的时候,可以使用保护冷却区的前置隔离系统。然而这种方式体积较大会对精度起到负面影响。

带前置隔离器和冷却系统的压力传感器,可应用于温度高达250度的介质

D:加热柜或恒温恒湿箱的特殊应用

当需要在温度高达150℃的加热柜里测量压力时,压力传感器的电子元件在这种高温下不可能不受到任何损害。在这种情况下,只有把测量芯体(带压力孔和不锈钢壳体)安装在柜子里,并通过一根耐高温的FEP电缆连接到外部的远程电子设备上。

总结:产品咨询是十分重要的

压阻式传感器的精度受到温度条件的影响。压力孔上的温度可以通过被动或主动的补偿,在预期的温度范围内满足精度的要求。此外,环境温度对测量仪器中的机械元件的影响也要考虑在内。使用前置安装的冷却元件和耐热材质,也可以使得一切在控制之内。因此,用户应该始终信赖制造商提供的专业的建议并确保压力传感器在他们自己特定的应用中能得到最大的优化。

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。

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。