由于市場(chǎng)對(duì)差壓變送器測(cè)量準(zhǔn)確度的要求不斷提高，導(dǎo)致差壓變送器的靜壓影響誤差越來(lái)越突出。從金屬電容式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析出發(fā)，并結(jié)合一定的試驗(yàn)，得出結(jié)論：金屬電容式差壓傳感器由于其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，其靜壓影響誤差不可消除或明顯減小。只有通過(guò)靜壓補(bǔ)償或采用硅差壓傳感器原理，才可實(shí)現(xiàn)較小的靜壓影響誤差。
1、引言
差壓變送器在線性校準(zhǔn)時(shí)，通常是在負(fù)壓室通大氣的條件下進(jìn)行的。也就是說(shuō)靜壓為1個(gè)大氣壓，但是一旦安裝到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)，往往會(huì)在正負(fù)壓室加上一定的工作壓力，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)零位產(chǎn)生了偏移，滿位輸出也出現(xiàn)一定的偏移(滿位偏移一般要通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)儀器比對(duì)讀出)。這種當(dāng)加上工作靜壓，導(dǎo)致變送器的零位和滿位輸出與大氣校驗(yàn)時(shí)的零位和滿位發(fā)生偏移的稱為靜壓影響誤差。
2、靜壓影響對(duì)變送器性能的影響和現(xiàn)場(chǎng)舉例
差壓變送器的靜壓誤差直接影響到其綜合精度。差壓變送器的綜合精度(%)一般有3個(gè)因素組成，它們是精度(%)、環(huán)境溫度變化影響(%/30°)、靜壓變化影響(%/7MPa)。它們的計(jì)算公式為：
由此可見，靜壓誤差對(duì)差壓變送器的綜合精度來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重要的因素。這點(diǎn)，昌暉儀表在各個(gè)實(shí)際的應(yīng)用工況中也得到了實(shí)際印證。
比如，當(dāng)差壓變送器應(yīng)用到孔板流量檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的時(shí)候，在管道內(nèi)部裝上孔板或噴嘴等節(jié)流件，由于節(jié)流件的孔徑小于管道內(nèi)徑，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)，流束截面突然收縮，流速加快。經(jīng)節(jié)流件后，后端流體的靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生了靜壓壓差，該靜壓壓差與流體的流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系、符合Q=K。用差壓變送器測(cè)量節(jié)流件前后的差壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。見圖1所示：
圖1 差壓變送器現(xiàn)場(chǎng)壓力連接圖
當(dāng)應(yīng)用在電廠測(cè)高壓蒸汽流量時(shí)，如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給流量測(cè)量帶來(lái)較大誤差，尤其是在相對(duì)流量較小時(shí)，影響更可觀。例如一臺(tái)金屬電容差壓變送器型差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì)，在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2％FS ，雖然其零位誤差，可以通過(guò)調(diào)零來(lái)消除，但是滿位輸出誤差總是無(wú)法避免的，因此此誤差直接影響流量的測(cè)試，并且影響量很大。在這種應(yīng)用工況下，差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要，如果靜壓誤差經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測(cè)量精度將會(huì)得到大幅提高。
3、金屬電容傳感器靜壓影響產(chǎn)生的原因
金屬電容式傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
金屬電容傳感器工作原理介紹：介質(zhì)壓力通過(guò)隔離膜片和硅油傳遞給位于δ室中心的測(cè)量膜片，測(cè)量膜片隨它兩邊的差壓而變形。測(cè)量膜片的位移，與差壓成正比，最大位移為0.1mm。由它兩側(cè)的電容極板檢測(cè)，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測(cè)量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4-20mADC輸出信號(hào)。
圖2 金屬電容傳感器軸向解剖圖 圖3 受工作靜壓時(shí)的工作剖面圖
3.1靜壓影響產(chǎn)生的原因一
從圖2、圖3可以看出金屬電容式是兩邊受壓，壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內(nèi)部中心膜片上。
從圖4金屬電容式傳感器簡(jiǎn)化后的應(yīng)力分布圖和撓度變化圖上可以看出，傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布， X方向的應(yīng)力得到全部抵消，但是Y方向的應(yīng)力q全部加在了傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因，越靠近中心，結(jié)構(gòu)越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高壓靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)最大的撓度f(wàn)。結(jié)果就是，在高靜壓下中心隔離膜片向外的漲緊力增加，膜片的繃緊程度相對(duì)工作靜壓為零時(shí)，得到加強(qiáng)。并且工作靜壓越大，其繃緊的程度越大。
在繃緊力增加的狀況下，中心膜片隨差壓的位移就會(huì)變小，再經(jīng)電子轉(zhuǎn)換線路把測(cè)量膜片和電容極板之間的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換為二線制4～20mADC輸出的信號(hào)也同樣變小。最終導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生，靜壓影響誤差的出現(xiàn)，并且靜壓影響絕對(duì)誤差與所加的工作靜壓有一定的線性關(guān)系，工作靜壓越大，其量程的靜壓誤差就越大。
至于零位的靜壓誤差，則表現(xiàn)為方向不確定，這主要與焊接應(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規(guī)律性。
圖4 金屬電容式傳感器簡(jiǎn)化后的應(yīng)力分布圖和撓度變化圖
3.2 靜壓影響產(chǎn)生的原因二
從圖5可以看出，當(dāng)對(duì)傳感器兩側(cè)施加靜壓時(shí)，金屬電容式的兩側(cè)曲面座同時(shí)受壓。而曲面坐由金屬和玻璃組成，在外力作用下，會(huì)產(chǎn)生微小變形。因此其兩側(cè)曲面坐的厚度L1和L2隨著靜壓力P的增大而線性縮小。從而，導(dǎo)致兩側(cè)電容極板的極距H1和H2增大。
根據(jù)電容的定義，對(duì)于平行板電容器的電容為：
圖5 金屬電容式傳感器X軸方向受靜壓力簡(jiǎn)化圖
從以上靜壓影響產(chǎn)生的兩個(gè)原因分析，金屬電容傳感器在工作靜壓的影響下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生測(cè)量漂移誤差，對(duì)于滿位的漂移和工作靜壓存在一定的線性關(guān)系，對(duì)于零位的漂移則具有方向不確定性。
4、昌暉硅傳感器靜壓影響分析
金屬電容式傳感器是一種結(jié)構(gòu)型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。
昌暉儀表引進(jìn)瑞士的硅傳感器采用整體封裝，周圍被密封硅油包圍，其敏感元件四周均受力，受靜壓影響力非常小。
工作原理介紹：
硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線即成“硅應(yīng)變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋。它和彈性元件（即其N型硅基底）結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過(guò)密封硅油傳到硅膜片的正腔側(cè)，與作用在負(fù)腔側(cè)硅油形成壓差，它們共同作用的結(jié)果使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對(duì)應(yīng)的信號(hào)。惠斯登電橋的輸出信號(hào)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mmADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
圖6 硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 硅傳感器在工作靜壓下的受應(yīng)力分布圖
從圖6硅傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖上可以看出，硅傳感器完全被硅油包容，從圖7硅傳感器在工作靜壓下的受應(yīng)力分布圖上可以看出，硅傳感器內(nèi)外各個(gè)方向的應(yīng)力得到了有效抵消。只有在基礎(chǔ)硅片和導(dǎo)油管的環(huán)裝連接膠處，當(dāng)有工作靜壓時(shí)存在一個(gè)將連接膠壓緊的應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力基本影響不到測(cè)量硅片，所以昌暉單晶硅傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受工作靜壓的影響較小，比較適合應(yīng)用于高靜壓測(cè)量場(chǎng)合。
5、金屬電容傳感器的靜壓影響數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
5.1 測(cè)量方法
圖8 靜壓對(duì)比測(cè)量裝置(T1為基準(zhǔn)差壓變送器，T2為被測(cè)差壓變送器，S1為負(fù)腔可調(diào)儲(chǔ)氣氣缸，S2為正腔儲(chǔ)氣氣缸)
工作原理：高壓氣源(7MPa)將高壓氮?dú)馔瑫r(shí)加到T1、T2變送器上，然后關(guān)閉三閥組的平衡閥，通過(guò)微動(dòng)調(diào)解S1的氣缸活塞，可獲得變送器的量程輸出。將被測(cè)變送器和基準(zhǔn)變送器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即可推算被測(cè)變送器的在此高壓靜壓(7MPa)下的量程靜壓影響誤差。
5.2 測(cè)量數(shù)據(jù)
本試驗(yàn)中，基準(zhǔn)差壓變送器采用昌暉單晶硅差壓變送器(經(jīng)過(guò)靜壓補(bǔ)償)，被測(cè)差壓變送器采用金屬電容差壓變送器DP型電容式差壓變送器。滿量程均為40kPa，工作靜壓為7MPa。試驗(yàn)前，所有的變送器均經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償，其基本誤差符合±0.075%的要求。
表1：昌暉單晶硅差壓變送器和金屬電容差壓變送器同量程(40kPa)7MPa工作靜壓下的電壓輸出值記錄
從表1中可以看出：
①在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的零位輸出沒有規(guī)律性，與0MPa靜壓下的零位輸出比較，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)變小，部分?jǐn)?shù)據(jù)變大。
②在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的壓差線性輸出全部偏小，壓差值越大則偏差越大。即滿量程輸出偏差最大，平均滿量程靜壓偏差達(dá)-0.020V，即-0.5%。
分析以上列舉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)文中對(duì)不同傳感器對(duì)靜壓影響量的闡述，可知金屬電容式差壓變送器由于其本身結(jié)構(gòu)上的原因，導(dǎo)致其輸出在靜壓工作下發(fā)生較大的偏移。
從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，為了降低或消除這種偏差，可以通過(guò)以下兩個(gè)方案實(shí)施：
①敏感元件采用壓力傳導(dǎo)介質(zhì)全包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如上文提到的采用硅傳感器，它能有效地降低或消除靜壓影響；
②采用軟件靜壓補(bǔ)償原理
首先，在傳感器內(nèi)部額外設(shè)置靜壓傳感器，用以測(cè)試工作靜壓；然后，使用專用設(shè)備對(duì)每種量程的差壓傳感器進(jìn)行多次重復(fù)的靜壓誤差測(cè)試，積累到一定的數(shù)據(jù)后，采用軟件的方法建立靜壓偏移數(shù)學(xué)模型；最后，將靜壓偏移數(shù)學(xué)模型下載到每臺(tái)差壓變送器中。這樣當(dāng)經(jīng)過(guò)靜壓補(bǔ)償后的差壓變送器，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，將根據(jù)不同的工作靜壓，自動(dòng)修正量程輸出偏差，達(dá)到消減靜壓影響的目的。
昌暉儀表目前開發(fā)的YR-ER100系列高精度單晶硅變送器，正是基于以上兩點(diǎn)展開研究的，并在市場(chǎng)上獲得一致好評(píng)，為客戶解決了靜壓影響問(wèn)題。相信在不久的將來(lái)可以將工作靜壓對(duì)差壓傳感器精度的影響降為更低。
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