設計人員需要一種替代技術(shù)，既要滿(mǎn)足環(huán)境挑戰，又要提供應用程序所需的準確性和可靠性。

 

本文介紹了在引入霍尼韋爾（Honeywell）的介質(zhì)隔離壓力（MIP）傳感器之前，基于應變計的壓力傳感器如何工作。它們由不銹鋼制成，具有氣密封焊設計，而不是通常被證明是典型傳感器的弱點(diǎn)的O形圈和粘合劑密封。然后，文章將介紹測量誤差的來(lái)源以及如何將其#小化，然后演示如何將換能器應用于商用制冷系統中以提高過(guò)程效率。

 

機電壓力傳感器如何工作

現代的壓力變送器基于電氣輸出，并且不再使用較舊的Fickler機械連桿和撥盤(pán)。當今機電設備的關(guān)鍵優(yōu)勢是可靠性，精度和可遠程監控的能力。他們的主要測量技術(shù)基于壓電材料或應變計。壓電壓力傳感器僅適用于動(dòng)態(tài)壓力測量，而應變計可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力測量。本文將重點(diǎn)討論后者。

 

應變計是在受到應變時(shí)電阻發(fā)生變化的電路，其中應變是受力作用的材料的長(cháng)度變化與其空載長(cháng)度（稱(chēng)為“ε”）之比。應變計通常根據其“應變系數”（GF）進(jìn)行分類(lèi)，該系數是衡量應變敏感性的指標。換句話(huà)說(shuō)，GF是電阻的分數變化與長(cháng)度（或應變）的分數變化之比。

 

在使用中，壓力傳感器直接插入加壓系統中，系統中的液體或氣體進(jìn)入壓力系統中的端口并移位隔膜。使用合適的粘合劑將應變計連接到該膜片的上側（圖1）。

即使在非常高的壓力下，應變計的長(cháng)度變化也可能不會(huì )超過(guò)幾個(gè)“毫厘”（mε），這反過(guò)來(lái)又會(huì )導致電阻的很小變化。例如，假設一個(gè)試樣經(jīng)受了350mε的應變。在此負載下，GF為2的應變計的電阻變化為2（350 x 10 -6）= 0.07％。對于350歐姆（Ω）的量規，電阻的變化僅為0.245Ω。

 

如何進(jìn)行應變計測量

為了準確測量電阻的這種微小變化，同時(shí)將噪聲的影響降至#低，將壓力傳感器的應變計集成到惠斯通電橋的一個(gè)支腿中，該橋由四個(gè)電阻臂組成的網(wǎng)絡(luò )，兩端施加激勵電壓E（圖2）

惠斯通電橋是兩個(gè)并聯(lián)的分壓器電路的電氣等效物，其中R G（假設引線(xiàn)R L1和R L2的電阻可以忽略），R 4包括一個(gè)分壓器電路，R 2和R 3包括第二個(gè)分壓器電路。。輸出e o是在兩個(gè)分壓器的中間節點(diǎn)之間測量的，可以通過(guò)以下公式計算得出：

從等式1，可以看出，當R G / R 4 = R 3 / R 2時(shí)，輸出電壓e o為零，并且電橋被稱(chēng)為是平衡的。應變計電阻的任何變化都將使電橋失去平衡，并產(chǎn)生與應變成比例的非零e o。在壓力變送器中，膜片安裝式應變計的輸出電壓在整個(gè)壓力范圍內被稱(chēng)為與供應（激勵）電壓E“成比例”（線(xiàn)性比例）。

 

溫度補償

使用應變計時(shí)的設計挑戰是其對溫度影響的敏感性。溫度波動(dòng)會(huì )引入偏移和跨度誤差，并增加磁滯。

 

應變計可能會(huì )由于激勵電壓E而變熱，但是可以通過(guò)將E保持在較低水平來(lái)大大緩解。不利之處在于，這將降低系統的靈敏度，但是如果需要，惠斯通電橋的輸出電壓e o可以放大。但是，必須特別注意避免放大疊加的噪聲。一種解決方案是使用“載頻”放大器，該放大器將電壓變化轉換為頻率變化，并使用窄帶寬輸出來(lái)保持噪聲低并減少帶外電磁干擾（EMI）。

 

第二熱源來(lái)自壓力傳感器本身的膜片和主體。高溫會(huì )導致膜片膨脹，應變計會(huì )記錄到不是直接由于液體或氣體壓力而引起的應變。

 

為了減輕這些影響，現代應變計采用了溫度補償措施。應變計通常由55％的銅/ 45％的鎳合金制成。該材料的熱膨脹系數（CTE）非常低，從而限制了溫度引起的應變。此外，通過(guò)將應變計的CTE與與其連接的隔膜材料的CTE進(jìn)行仔細匹配，可以實(shí)現一定程度的“自溫度補償”，將溫度引起的應變限制在幾微米/米/攝氏度（μm/ m /°C）。

 

溫度引起的誤差的另一個(gè)來(lái)源可能來(lái)自承載應變計電壓信號的導線(xiàn)。在上面對圖2的電橋特性的初步討論中，假設這些導線(xiàn)（R L1和R L2）的電阻可以忽略不計；但是，如果導線(xiàn)是由銅制成的，那么溫度僅升高10°C可能會(huì )導致直接從導線(xiàn)上產(chǎn)生相當于數百微應變（µε）的電橋偏移。解決此偏移的常用技術(shù)是使用三線(xiàn)電橋（圖3）。

 

在圖3中可以看到，負輸出電橋電節點(diǎn)在R L2的末端從R 4的頂部移動(dòng)到應變計的底部。引線(xiàn)R L1和應變計（R G）組成一個(gè)臂，其中R L2和電阻器R 4形成相鄰的臂。如果引線(xiàn)R L1和R L2具有相同的電阻，則兩個(gè)橋臂的電阻將相等，并且橋是平衡的。引線(xiàn)R L3僅是電壓感測線(xiàn)。它與任何橋臂都不串聯(lián)，并且對橋平衡沒(méi)有影響。

 

如果R L1和R L2都受到相同的溫度波動(dòng)，則電橋將保持平衡。另外，由于只有一根導線(xiàn)與應變計串聯(lián)，所以與兩線(xiàn)結構相比，導線(xiàn)引起的溫度敏化降低了一半。

 

除了溫度對壓力傳感器輸出的影響外，還有其他誤差源。這些誤差源通常被稱(chēng)為“理想傳遞函數”，它是一條與溫度無(wú)關(guān)的直線(xiàn)，它在理想壓力范圍內通過(guò)理想偏移的斜率等于理想滿(mǎn)量程（FSS）。偏移量是施加參考壓力時(shí)獲得的輸出信號，而FSS是在工作壓力范圍的上限和下限（圖4）下測得的輸出信號之間的差。

較低質(zhì)量的壓力傳感器在出廠(chǎng)時(shí)會(huì )遭受較大的偏移和FSS錯誤。偏移誤差是與理想偏移相比的#大壓力偏差，而FSS誤差是根據理想傳遞函數確定的相對于理想（或目標）FSS在參考溫度下測得的FSS的#大偏差。

 

進(jìn)一步的誤差來(lái)自壓力傳感器本身的精度，該精度可能會(huì )受到壓力非線(xiàn)性，壓力滯后和不可重復性的影響。熱引起的誤差，傳感器的不準確度以及偏移和FSS誤差的組合決定了壓力傳感器的總誤差帶（TEB）。TEB是在整個(gè)補償溫度和壓力范圍內輸出與理想傳遞函數的#大偏差（圖5）。

重型壓力傳感器

工業(yè)應用中使用的壓力傳感器會(huì )暴露于腐蝕性液體和氣體中，并且溫度波動(dòng)很大。例如，在HVAC / R應用中使用的換能器要暴露于諸如丁烷，丙烷，氨，CO 2，乙二醇加水之類(lèi)的制冷劑中，或者暴露于諸如R134A，R407C，R410A，R448A，R32之類(lèi)的一系列合成氫氟烴制冷劑中， R1234ze或R1234yf。同樣，工業(yè)HVAC / R系統中的溫度范圍為-40至+ 85°C甚至更高的工業(yè)溫度范圍。

 

許多中低范圍的壓力傳感器都是用黃銅等合金制成的，并使用O形圈和粘合劑將傳感器的電子器件與接觸隔膜的流體和氣體密封起來(lái)。與腐蝕性物質(zhì)一起使用時(shí)，密封件可能會(huì )變得脆弱并開(kāi)始泄漏。#初可能無(wú)法檢測到此類(lèi)泄漏，從而導致錯誤的讀數和不良的系統控制。#終，由于電子設備暴露在腐蝕性流體或氣體中，泄漏導致故障。

 

為了避免這些潛在的故障模式，設計人員可以使用霍尼韋爾（中國）的MIP系列壓力傳感器。這些重型，介質(zhì)隔離的壓力傳感器消除了內部O形圈和粘合劑密封。換能器由不銹鋼制成，具有氣焊設計，而不是O形圈密封。該設計使MIP傳感器可在-40至125°C的溫度范圍以及100千帕（kPa）至6兆帕（mPa）的壓力下與多種介質(zhì)兼容，包括腐蝕性流體，水和氣體（圖6） 。

MIP系列采用5伏電源供電，并提供0.5至4.5伏直流范圍內的比例輸出。壓力變送器的整個(gè)溫度范圍內的TEB在壓力≤1MPa時(shí)為±1.0％，在壓力大于1 MPa時(shí)為0.75％。換能器的精度為±0.15％FSS（#佳擬合直線(xiàn)（BFSL））（圖7），其響應時(shí)間為1毫秒（ms），脈沖等級超過(guò)20 MPa。

此外，該系列還具有±40伏的DC過(guò)壓保護功能，并在發(fā)生電氣故障時(shí)對傳感器輸出進(jìn)行診斷（表1）。

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HVAC應用中的壓力傳感器

壓力變送器在暖通空調系統等應用中起著(zhù)關(guān)鍵作用，它能夠進(jìn)行精que控制以#大程度地提高效率，同時(shí)降低能耗。例如，考慮工業(yè)制冷設備使用的HVAC / R循環(huán)（圖8）。

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在壓縮機階段，來(lái)自蒸發(fā)器的低壓蒸汽被壓縮（導致加熱）并泵送到冷凝器。在冷凝器處，高溫蒸氣將其潛熱釋放到空氣中，然后冷凝成熱液體。干燥機然后從制冷劑中除去所有水。然后，在計量裝置處，將來(lái)自冷凝器的熱液體推過(guò)流量限制器，該流量限制器會(huì )降低其壓力，從而迫使制冷劑釋放熱量。然后，在蒸發(fā)器內部，這種冷液體從冷凝器的回流氣流中吸收熱量，并變成蒸氣。該蒸氣繼續吸收熱量，直到到達循環(huán)重復的壓縮機為止。來(lái)自蒸發(fā)器的冷空氣用于降低冷藏容器的溫度。

 

制冷循環(huán)之所以起作用，是因為隨著(zhù)制冷劑從液體變?yōu)檎魵庠俜祷�，存在大量釋放或獲得的潛能。為了有效地運行，必須仔細監控系統的各個(gè)部分的壓力。當制冷劑經(jīng)歷液-氣/汽-液相變化時(shí)，尤其如此。例如，在低壓下，制冷劑從液體變成氣體，并在比其更低的溫度下吸收潛能（熱）。在高壓下，制冷劑氣體在比以前更高的溫度下從氣體變?yōu)橐后w，從而釋放出潛能（熱量）。

 

通過(guò)監視壓縮機和蒸發(fā)器出口的壓力，可以將壓縮機和計量裝置設置為精que控制循環(huán)低壓和高壓部分的流量（以及壓力），進(jìn)而改變制冷劑相的溫度為了使系統效率#大化。

 

結論

應變計壓力變送器為工業(yè)過(guò)程中的壓力測量提供了一個(gè)很好的解決方案，但是可能暴露于極端環(huán)境中的系統設計人員需要意識到使用O形圈和粘合劑的型號的局限性。

 

霍尼韋爾（中國）的MIP系列壓力傳感器專(zhuān)為可能遇到這種極端情況的應用而設計，采用不銹鋼制造和密封焊接設計。這種結構使MIP傳感器與各種工業(yè)液體和氣體兼容，即使在高溫和高壓下也能確保較長(cháng)的使用壽命�；裟犴f爾（中國）壓力傳感器還提供高精度，快速響應，良好的長(cháng)期穩定性和出色的EMI抗擾性。