洛丁森技术研发视角:差压变送器的静压影响分析(下)

2020-07-29

       上半部分对于差压变送器静压影响分析了,静压影响对变送器性能的影响和现场举例、金属电容传感器静压影响产生的原因。接下来我们将分析:硅传感器静压影响分析、金属电容传感器的静压影响数据与结果分析。

       4.洛丁森硅传感器静压影响分析
       洛丁森研发的硅传感器采用整体封装,周围被密封硅油包围,其敏感元件四周均受力,受静压影响力非常小。
       工作原理介绍:
       硅传感器的敏感元件是将P型杂质扩散到N型硅片上,形成极薄的导电P型层,焊上引线即成“硅应变片”,其电气性能是做成一个全动态的压阻效应惠斯登电桥。它和弹性元件(即其N型硅基底)结合在一起。介质压力通过密封硅油传到硅膜片的正腔侧,与作用在负腔侧硅油形成压差,它们共同作用的结果使膜片的一侧压缩,另一侧拉伸,压差使电桥失衡,输出一个与压力变化对应的信号。惠斯登电桥的输出信号电路处理后,即产生与压力变化成线性关系的4-20mmADC标准信号输出。

          


       从图5硅传感器的结构示意图上可以看出,硅传感器完全被硅油包容,从图6硅传感器在工作静压下的受应力分布图上可以看出,硅传感器内外各个方向的应力得到了有效抵消。只有在基础硅片和导油管的环装连接胶处,当有工作静压时存在一个将连接胶压紧的应力。这个应力基本影响不到测量硅片,所以洛丁森的硅传感器设计结构受工作静压的影响较小,比较适合应用于高静压测量场合。

       5 金属电容传感器的静压影响数据与结果分析
       5.1 测量方法

       

      图7中T1为基准差压变送器,T2为被测差压变送器,S1为负腔可调储气气缸,S2为正腔储气气缸。
      工作原理:高压气源(7MPa)将高压氮气同时加到T1、T2变送器上,然后关闭三阀组的平衡阀,通过微动调解S1的气缸活塞,可获得变送器的量程输出。将被测变送器和基准变送器的数据进行比较,即可推算被测变送器的在此高压静压(7MPa)下的量程静压影响误差。
      5.2 测量数据
      本试验中,基准差压变送器采用洛丁森研发的硅差压变送器(经过静压补偿),被测差压变送器采用金属电容差压变送器DP型电容式差压变送器。满量程均为40kPa,工作静压为7MPa。试验前,所有的变送器均经过线性补偿,其基本误差符合±0.075%的要求。
      从表1中可以看出:
      a.在7MPa工作静压下,电容式差压变送器的零位输出没有规律性,与OMPa静压下的零位输出比较,其中部分数据变小,部分数据变大。
      b.在7MPa工作静压下,电容式差压变送器的压差线性输出全部偏小,压差值越大则偏差越大。即满量程输出偏差最大,平均满量程静压偏差达-0.020V,即-0.5%。

      表1:洛丁森硅差压变送器和金属电容差压变送器同量程(40kPa)7MPa工作静压下的电压输出值记录
      



      6.结束语
      分析以上列举的试验数据,并根据文中对不同传感器对静压影响量的阐述,可知金属电容式差压变送器由于其本身结构上的原因,导致其输出在静压工作下发生较大的偏移。从产品设计的角度出发,为了降低或消除这种偏差,可以通过以下两个方案实施:
      a)敏感元件采用压力传导介质全包结构设计,如上文提到的采用硅传感器,它能有效地降低或消除静压影响;
      b)采用软件静压补偿原理:
      首先,在传感器内部额外设置静压传感器,用以测试工作静压;
      然后,使用专用设备对每种量程的差压传感器进行多次重复的静压误差测试,积累到一定的数据后,采用软件的方法建立静压偏移数学模型;
      最后,将静压偏移数学模型下载到每台差压变送器中。
      这样当经过静压补偿后的差压变送器,在现场应用时,将根据不同的工作静压,自动修正量程输出偏差,达到消减静压影响的目的。
      洛丁森目前开发的RP1000系列高精度差压/压力变送器,正是基于以上两点展开研究的,并在市场上获得了一致好评,为客户解决了静压影响的问题。相信在不久的将来可以将工作静压对差压传感器精度的影响降为更低。

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