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壓力變送器的種類及校驗(yàn)方法

摘要：介紹了廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域常用壓力變送器的工作原理和特點(diǎn)，給出了一種變送器輸出電流測量誤差的校準(zhǔn)方法，并對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度分析評定。

1常用壓力變送器的工作原理和特點(diǎn)

常用的壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件3部分組成。它能將測壓元件感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號，以供給二次儀表進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié)，常用壓力變送器的主要區(qū)別，在其壓力傳感器的測量原理不同。

1.1壓阻式壓力變送器

壓阻式壓力變送器的主要組成部分之一是電阻應(yīng)變片（原理見圖1所示）。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片2種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片2種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使其的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化，在通過變送電路對壓力物理量進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。

1.2陶瓷壓力變送器

陶瓷壓力變送器沒有液體的傳遞，當(dāng)壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面時(shí)，膜片會產(chǎn)生微小的形變，使印刷在陶瓷膜片的背面厚膜電阻連接的惠斯通電橋（閉橋），產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的直流電壓信號，在通過變送電路對壓力物理量進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號。這種變送器在生產(chǎn)工藝過程中可將各種介質(zhì)包括腐蝕性和非腐蝕性的氣體、液體直接引入到陶瓷膜片上，無需進(jìn)行復(fù)雜的隔離技術(shù)，因此，價(jià)格低廉，陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍可達(dá)－４0℃～135℃，因此，具有測量準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

1.3擴(kuò)散硅壓力變送器

擴(kuò)散硅壓力變送器問世于20世紀(jì)90年代中期，它是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，以單晶硅為基體，按特定晶向，用先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)形成彈性元件，在其適當(dāng)位置用集成電路工藝形成４個(gè)等值應(yīng)變電阻，組成惠斯登電橋，對電橋施加一恒下電壓（電流），當(dāng)有壓力（差壓）作用到彈性元件時(shí)，使輸出與對應(yīng)于所加壓力成比例的電壓信號，再通過變送電路對壓力物理量進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號（原理見圖2所示）。擴(kuò)散硅式壓力變送器與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比具有技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、安裝方便、準(zhǔn)確度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1.４藍(lán)寶石壓力變送器

用藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力變送器也是利用應(yīng)變電阻式工作原理，由于藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固，硬度更高，不怕形變；有著非常好的彈性和絕緣特性（1000℃以內(nèi)），利用藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下也有著很好的工作特性可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高，具有無與倫比的計(jì)量特性。

1.5壓電壓力變送器

壓電壓力變送器的工作原理是壓電效應(yīng)，它是利用電氣元件和其他機(jī)械，把待測的壓力轉(zhuǎn)換成為電量，傳感器中主要使用的壓電材料有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺等幾種（原理見圖3）。該種變送器，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等特點(diǎn)，但它不能用于靜態(tài)測量，只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。因?yàn)闇y量動態(tài)壓力非常普遍，所以壓電式壓力變送器的應(yīng)用也非常廣泛。

1.6電容式壓力變送器

  電容式壓力變送器誕生至今已有20多年歷史了，它的精度高，耐腐蝕，耐污染，穩(wěn)定性好，是國內(nèi)外公認(rèn)的檢測低真空壓力的理想儀表。電容式壓力變送器，是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極組成一個(gè)電容器（見圖４）。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測量膜片產(chǎn)生的位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)電路，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的電信號，再通過變送電路對壓力物理量進(jìn)行測量，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，它的應(yīng)用涉及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，并在航天工業(yè)、核工業(yè)等軍事工業(yè)中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。

2示值誤差測量結(jié)果不確定度評定

2.1校準(zhǔn)方法

在環(huán)境溫度（20±5）℃，每10ｍｉｎ變化≥1℃；相對濕度：４5％～75％的條件下；由0.05級活塞式壓力計(jì)直接對被測壓力變送器輸出需要校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力值，由直流數(shù)字電流表，對壓力變送器輸出電流的實(shí)際值進(jìn)行測量，并與標(biāo)準(zhǔn)壓力值換算成的電流值進(jìn)行比較，給出校準(zhǔn)點(diǎn)的測量不確定度。

2.2測量對象

2.2.1被測儀器型號、技術(shù)指標(biāo)

ＢＬ－Ｙ型壓力變送器，測量范圍：（0～6）Mpa；準(zhǔn)確度等級：0.2％ＦＳ；輸出電流：（４～20）mA。

2.2.2被測儀器校準(zhǔn)點(diǎn)

壓力變送器在標(biāo)準(zhǔn)壓力值3.0000Mpa時(shí)，輸出電流的實(shí)際值的測量不確定度。

2.3數(shù)學(xué)模型及評定依據(jù)

2.3.1示值誤差測量結(jié)果不確定度評定依據(jù)

ＪＪＧ８８2－200４《壓力變送器》

ＪＪＦ1059－1999《測量不確定度評定與表示》

2.3.2數(shù)學(xué)模型

壓力變送器示值誤差的數(shù)學(xué)模型為：

ΔＩ＝Ｉｘ－Ｉｎ

式中：

△     Ｉ—壓力變送器的輸出電流誤差：mA；

△     Ｉｘ—壓力變送器的輸出電流測量值：mA；

△     Ｉｎ—壓力變送器理論輸出值：mA；

2.４不確定度來源

輸入量Ｉｘ引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U（Ｉｘ），主要來源于被測壓力變送器的輸出值重復(fù)性U（Ｉｘ1），按Ａ類評定，和測量其輸出電流值的直流數(shù)字電流表的系統(tǒng)誤差U（Ｉｘ2）決定，按Ｂ類評定。輸入量Ｉｎ引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U（Ｉｎ），主要來源于0.05級活塞式壓力計(jì)準(zhǔn)確度引入的不確定度，按Ｂ類評定。

2.４.1不確定度U（Ｉｘ1）的評定

為了獲得重復(fù)性測量的不確定度，對被測壓力變送器校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量，固定標(biāo)準(zhǔn)器壓力值，讀取數(shù)字電流表顯示示值，分別以正行程、反行程各測量3次，得到6次的測量數(shù)據(jù)見表1。

取6次的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，壓力變送器設(shè)定點(diǎn)的重復(fù)測量6次，標(biāo)準(zhǔn)差ｓ用極差法確定，Ｒ用6次測量結(jié)果中最大值δmAｘ（12.0102）減最小值δｍｉｎ（12.0073）確定。

Ｒ＝ΔδmAｘ＋Δδｍｉｎ＝12.0073－12.0102＝0.0029mA

查表得：當(dāng)ｎ＝6時(shí)，Ｃ＝2.53

Ｓ＝Ｒ／Ｃ＝0.0029mA／2.53＝0.0012mA

取6次測量誤差的平均值作為測量結(jié)果，所以，重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.４.2不確定度U（Ｉ_ｘ2）的評定

由直流數(shù)字電流表校準(zhǔn)證書得直流電流表的測量顯示值不確定度為：U_ｒｅｌ＝7.1×10^－5，ｋ＝2可直接使用，所以，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.４.3合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（Ｉ_ｘ）的計(jì)算

因壓力變送器輸出電流的實(shí)際值進(jìn)行測量的各不確定度分量數(shù)量較少且相關(guān)，所以，直接采用絕對值合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

U（Ｉ_ｘ）＝|U（Ｉ_ｎ）|＋|U（Ｉ_ｘ1）|＋|U（Ｉ_ｘ2）|＝0.001４mA

2.４.４不確定度U（Ｉｎ）的評定

0.05級活塞式壓力計(jì)由檢定證書得出其在滿量程6.0Mpa時(shí)，最大允許誤差為±0.003Mpa，即不確定度區(qū)間半寬值：α＝±0.003Mpa，換算成標(biāo)準(zhǔn)電流得：α＝±0.010mA，認(rèn)為在區(qū)間是均勻分布的，所以，ｋ＝，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.5.1

2.5.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

因各不確定度分量彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，所以，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.5.3擴(kuò)展不確定度U的評定與表述

用日常校準(zhǔn)相一致的方法，取置信概率：ｐ＝95％（ｋ＝2）的擴(kuò)展不確定度表示標(biāo)準(zhǔn)壓力值3.0000Mpa時(shí)ＢＬ－Ｙ203型壓力變送器輸出電流的實(shí)際值及其測量不確定度表述如下：

U＝ｋ×Uｃ＝0.0060×2＝0.012mA

即，標(biāo)準(zhǔn)壓力值：3.0000Mpa；ＢＬ－Ｙ203型壓力變送器輸出電流的實(shí)際值為12.009mA時(shí)：

U＝0.012mA；ｋ＝2

3示值校準(zhǔn)方法擴(kuò)展與不確定度的使用

標(biāo)準(zhǔn)壓力為：3.0000Mpa時(shí)，壓力變送器輸出電流的實(shí)際值為：12.009mA的測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為0.012mA，小于其最大允許誤差絕對值（20mA×0.2％ＦＳ＝0.0４mA）的1／3，因此，本次測量選擇的標(biāo)準(zhǔn)器合適，測量方法和過程可靠，對于其他測量點(diǎn)可直接按上述方法進(jìn)行測量并進(jìn)行測量不確定度評定。

４結(jié)束語

  筆者介紹了常用壓力變送器的工作原理和特點(diǎn)，并結(jié)合多年的檢測經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，給出了一種壓力變送器的電流輸出值，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評價(jià)方法，希望能對從事壓力變送器檢定／校準(zhǔn)工作的同志們有所借鑒和幫助。