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使用介质隔离的压力传感器来提高工业过程的可靠性和精度
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使用介质隔离的压力传感器来提高工业过程的可靠性和精度

时间:2020-10-13 17:38:19

   诸如加热,通风,空调和制冷(HVAC / R)之类的闭环工业和商业过程的设计人员使用机电压力传感器来增强控制能力并改善过程性能。问题在于,这些系统中使用的液体和气体,以及系统运行所处的温度和压力范围广泛,会腐蚀压力传感器的材料,导致腐蚀并导致泄漏,从而损害传感器的完整性。eMu压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
 
设计人员需要一种替代技术,既要满足环境挑战,又要提供应用程序所需的准确性和可靠性。
 
本文先容了在引入霍尼韦尔(Honeywell)的介质隔离压力(MIP)传感器之前,基于应变计的压力传感器如何工作。它们由不锈钢制成,具有气密封焊设计,而不是通常被证明是典型传感器的弱点的O形圈和粘合剂密封。然后,文章将先容测量误差的来源以及如何将其非常小化,然后演示如何将换能器应用于商用制冷系统中以提高过程效率。
 
机电压力传感器如何工作
现代的压力变送器基于电气输出,并且不再使用较旧的Fickler机械连杆和拨盘。当今机电设备的关键优势是可靠性,精度和可远程监控的能力。他们的主要测量技术基于压电材料或应变计。压电压力传感器仅适用于动态压力测量,而应变计可用于动态和静态压力测量。本文将重点讨论后者。
 
应变计是在受到应变时电阻发生变化的电路,其中应变是受力作用的材料的长度变化与其空载长度(称为“ε”)之比。应变计通常根据其“应变系数”(GF)进行分类,该系数是衡量应变敏感性的指标。换句话说,GF是电阻的分数变化与长度(或应变)的分数变化之比。
 
在使用中,压力传感器直接插入加压系统中,系统中的液体或气体进入压力系统中的端口并移位隔膜。使用合适的粘合剂将应变计连接到该膜片的上侧(图1)。
适用于压力传感器的隔膜安装式应变计
即使在非常高的压力下,应变计的长度变化也可能不会超过几个“毫厘”(mε),这反过来又会导致电阻的很小变化。例如,假设一个试样经受了350mε的应变。在此负载下,GF为2的应变计的电阻变化为2(350 x 10 -6)= 0.07%。对于350欧姆(Ω)的量规,电阻的变化仅为0.245Ω。
 
如何进行应变计测量
为了准确测量电阻的这种微小变化,同时将噪声的影响降至非常低,将压力传感器的应变计集成到惠斯通电桥的一个支腿中,该桥由四个电阻臂组成的网络,两端施加激励电压E(图2)
惠斯通电桥电路图
惠斯通电桥是两个并联的分压器电路的电气等效物,其中R G(假设引线R L1和R L2的电阻可以忽略),R 4包括一个分压器电路,R 2和R 3包括第二个分压器电路。。输出e o是在两个分压器的中间节点之间测量的,可以通过以下公式计算得出:
20201013174303.jpg
从等式1,可以看出,当R G / R 4 = R 3 / R 2时,输出电压e o为零,并且电桥被称为是平衡的。应变计电阻的任何变化都将使电桥失去平衡,并产生与应变成比例的非零e o。在压力变送器中,膜片安装式应变计的输出电压在整个压力范围内被称为与供应(激励)电压E“成比例”(线性比例)。
 
温度补偿
使用应变计时的设计挑战是其对温度影响的敏感性。温度波动会引入偏移和跨度误差,并增加磁滞。
 
应变计可能会由于激励电压E而变热,但是可以通过将E保持在较低水平来大大缓解。不利之处在于,这将降低系统的灵敏度,但是如果需要,惠斯通电桥的输出电压e o可以放大。但是,必须特别注意避免放大叠加的噪声。一种解决方案是使用“载频”放大器,该放大器将电压变化转换为频率变化,并使用窄带宽输出来保持噪声低并减少带外电磁干扰(EMI)。
 
第二热源来自压力传感器本身的膜片和主体。高温会导致膜片膨胀,应变计会记录到不是直接由于液体或气体压力而引起的应变。
 
为了减轻这些影响,现代应变计采用了温度补偿措施。应变计通常由55%的铜/ 45%的镍合金制成。该材料的热膨胀系数(CTE)非常低,从而限制了温度引起的应变。此外,通过将应变计的CTE与与其连接的隔膜材料的CTE进行仔细匹配,可以实现一定程度的“自温度补偿”,将温度引起的应变限制在几微米/米/摄氏度(μm/ m /°C)。
 
温度引起的误差的另一个来源可能来自承载应变计电压信号的导线。在上面对图2的电桥特性的初步讨论中,假设这些导线(R L1和R L2)的电阻可以忽略不计;但是,如果导线是由铜制成的,那么温度仅升高10°C可能会导致直接从导线上产生相当于数百微应变(µε)的电桥偏移。解决此偏移的常用技术是使用三线电桥(图3)。
负输出桥电节点从R 4的顶部移至R L2末端的应变计的底部
 
在图3中可以看到,负输出电桥电节点在R L2的末端从R 4的顶部移动到应变计的底部。引线R L1和应变计(R G)组成一个臂,其中R L2和电阻器R 4形成相邻的臂。如果引线R L1和R L2具有相同的电阻,则两个桥臂的电阻将相等,并且桥是平衡的。引线R L3仅是电压感测线。它与任何桥臂都不串联,并且对桥平衡没有影响。
 
如果R L1和R L2都受到相同的温度波动,则电桥将保持平衡。另外,由于只有一根导线与应变计串联,所以与两线结构相比,导线引起的温度敏化降低了一半。
 
除了温度对压力传感器输出的影响外,还有其他误差源。这些误差源通常被称为“理想传递函数”,它是一条与温度无关的直线,它在理想压力范围内通过理想偏移的斜率等于理想满量程(FSS)。偏移量是施加参考压力时获得的输出信号,而FSS是在工作压力范围的上限和下限(图4)下测得的输出信号之间的差。
压力传感器的理想传递函数是一条与温度无关的直线
较低质量的压力传感器在出厂时会遭受较大的偏移和FSS错误。偏移误差是与理想偏移相比的非常大压力偏差,而FSS误差是根据理想传递函数确定的相对于理想(或目标)FSS在参考温度下测得的FSS的非常大偏差。
 
进一步的误差来自压力传感器本身的精度,该精度可能会受到压力非线性,压力滞后和不可重复性的影响。热引起的误差,传感器的不准确度以及偏移和FSS误差的组合决定了压力传感器的总误差带(TEB)。TEB是在整个补偿温度和压力范围内输出与理想传递函数的非常大偏差(图5)。
压力传感器的误差源加到TEB中
重型压力传感器
工业应用中使用的压力传感器会暴露于腐蚀性液体和气体中,并且温度波动很大。例如,在HVAC / R应用中使用的换能器要暴露于诸如丁烷,丙烷,氨,CO 2,乙二醇加水之类的制冷剂中,或者暴露于诸如R134A,R407C,R410A,R448A,R32之类的一系列合成氢氟烃制冷剂中, R1234ze或R1234yf。同样,工业HVAC / R系统中的温度范围为-40至+ 85°C甚至更高的工业温度范围。
 
许多中低范围的压力传感器都是用黄铜等合金制成的,并使用O形圈和粘合剂将传感器的电子器件与接触隔膜的流体和气体密封起来。与腐蚀性物质一起使用时,密封件可能会变得脆弱并开始泄漏。非常初可能无法检测到此类泄漏,从而导致错误的读数和不良的系统控制。非常终,由于电子设备暴露在腐蚀性流体或气体中,泄漏导致故障。
 
为了避免这些潜在的故障模式,设计人员可以使用霍尼韦尔(中国)的MIP系列压力传感器。这些重型,介质隔离的压力传感器消除了内部O形圈和粘合剂密封。换能器由不锈钢制成,具有气焊设计,而不是O形圈密封。该设计使MIP传感器可在-40至125°C的温度范围以及100千帕(kPa)至6兆帕(mPa)的压力下与多种介质兼容,包括腐蚀性流体,水和气体(图6) 。
霍尼韦尔(中国)的MIP系列压力传感器
MIP系列采用5伏电源供电,并提供0.5至4.5伏直流范围内的比例输出。压力变送器的整个温度范围内的TEB在压力≤1MPa时为±1.0%,在压力大于1 MPa时为0.75%。换能器的精度为±0.15%FSS(非常佳拟合直线(BFSL))(图7),其响应时间为1毫秒(ms),脉冲等级超过20 MPa。
MIP系列压力传感器采用5伏电源供电
此外,该系列还具有±40伏的DC过压保护功能,并在发生电气故障时对传感器输出进行诊断(表1)。
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HVAC应用中的压力传感器
压力变送器在暖通空调系统等应用中起着关键作用,它能够进行精确控制以非常大程度地提高效率,同时降低能耗。例如,考虑工业制冷设备使用的HVAC / R循环(图8)。
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在压缩机阶段,来自蒸发器的低压蒸汽被压缩(导致加热)并泵送到冷凝器。在冷凝器处,高温蒸气将其潜热释放到空气中,然后冷凝成热液体。干燥机然后从制冷剂中除去所有水。然后,在计量装置处,将来自冷凝器的热液体推过流量限制器,该流量限制器会降低其压力,从而迫使制冷剂释放热量。然后,在蒸发器内部,这种冷液体从冷凝器的回流气流中吸取热量,并变成蒸气。该蒸气继续吸取热量,直到到达循环重复的压缩机为止。来自蒸发器的冷空气用于降低冷藏容器的温度。
 
制冷循环之所以起作用,是因为随着制冷剂从液体变为蒸气再返回,存在大量释放或获得的潜能。为了有效地运行,必须仔细监控系统的各个部分的压力。当制冷剂经历液-气/汽-液相变化时,尤其如此。例如,在低压下,制冷剂从液体变成气体,并在比其更低的温度下吸取潜能(热)。在高压下,制冷剂气体在比以前更高的温度下从气体变为液体,从而释放出潜能(热量)。
 
通过监视压缩机和蒸发器出口的压力,可以将压缩机和计量装置设置为精确控制循环低压和高压部分的流量(以及压力),进而改变制冷剂相的温度为了使系统效率非常大化。
 
结论
应变计压力变送器为工业过程中的压力测量提供了一个很好的解决方案,但是可能暴露于极端环境中的系统设计人员需要意识到使用O形圈和粘合剂的型号的局限性。
 
霍尼韦尔(中国)的MIP系列压力传感器专为可能遇到这种极端情况的应用而设计,采用不锈钢制造和密封焊接设计。这种结构使MIP传感器与各种工业液体和气体兼容,即使在高温和高压下也能确保较长的使用寿命。霍尼韦尔(中国)压力传感器还提供高精度,快速响应,良好的长期稳定性和出色的EMI抗扰性。
 
 
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