壓阻式真空傳感器校準(zhǔn)技術(shù)研究

劉 波，李 平，丁立莉，劉 卿，李 鵬

(西安航天計(jì)量測(cè)試研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著真空測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)代，PLC控制器以及程控計(jì)算機(jī)技術(shù)的日漸成熟，各種類型的真空傳感器被廣泛的應(yīng)用于真空測(cè)量設(shè)備中。壓阻式真空傳感器采用高性能的壓阻芯片和經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理的電路，使得對(duì)全量程范圍的線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，具有高精度、高靈敏度、抗過(guò)載、抗沖擊、溫度漂移小及耐腐蝕等特點(diǎn)，被航空、航天、化工、機(jī)械、石油、冶煉等行業(yè)大量使用，是傳統(tǒng)真空壓力表及普通壓力傳感器的理想換代產(chǎn)品。由于將真空變量轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，充分發(fā)揮了自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)及優(yōu)異性能，從而更好滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中真空度參數(shù)測(cè)量和控制的需求。

隨著生產(chǎn)企事業(yè)單位對(duì)壓阻式真空傳感器的大量使用，其測(cè)量校準(zhǔn)問(wèn)題也急待解決。文章以二線制輸出真空傳感器為例研究了日常測(cè)量方式及計(jì)量校準(zhǔn)問(wèn)題。

1 壓阻式真空傳感器的原理及理論函數(shù)

1.1 原理

壓阻式真空傳感器的測(cè)量部件是一個(gè)裝有固態(tài)壓力芯片，該芯片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術(shù)擴(kuò)散成四個(gè)等值電阻，組成一個(gè)惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成正比的電信號(hào)，再由感應(yīng)智能芯片進(jìn)行非線性修正和溫度補(bǔ)償，最終輸出與壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。原理圖如圖1所示。

圖1 壓阻式真空傳感器原理示意圖

1.2 理論函數(shù)

壓阻式真空傳感器是壓力變送器的一種，是將需要測(cè)量的真空變量轉(zhuǎn)換為可輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出信號(hào)與真空變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，主要用于測(cè)量過(guò)程中真空參數(shù)的測(cè)量與控制［1］。典型的二線制壓阻式真空傳感器的測(cè)量范圍0～100 kPa、工作電壓為12～36 V，工作電流為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，采用V/I轉(zhuǎn)換電路且零位可自由遷移。

壓阻式真空傳感器輸出信號(hào)和真空度的函數(shù)關(guān)系式如公式(1):

式中:P'為某一真空狀態(tài)下的示值，kPa；P為傳感器的滿量程值，kPa；I為P'真空狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸出電流值，mA。

通過(guò)公式(1)可以得出某一真空傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)任意真空度對(duì)應(yīng)的理論電流輸出值，為其準(zhǔn)確信號(hào)輸出提供參考。

在對(duì)真空傳感器校準(zhǔn)時(shí)，由于測(cè)量誤差是按照測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)劃分的，典型的壓阻式真空傳感器測(cè)量誤差和準(zhǔn)確度間的函數(shù)關(guān)系如公式(2):

式中:△A為測(cè)量誤差的上下限值；P為此傳感器的滿量程值，kPa；δ為某一真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級(jí)。

準(zhǔn)確度等級(jí)是傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，是一個(gè)定性的概念，通過(guò)公式(2)可以換算出真空傳感器在某一準(zhǔn)確度等級(jí)下的測(cè)量允許誤差限，可以判斷真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級(jí)是否正確，如表1所列。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

壓阻式真空傳感器實(shí)驗(yàn)裝置由真空比對(duì)校準(zhǔn)裝置［2］和信號(hào)控制兩部分組成。真空比對(duì)校準(zhǔn)裝置主要模擬真空測(cè)量環(huán)境，測(cè)量任意點(diǎn)的真空度；信號(hào)控制部分由信號(hào)輸入與信號(hào)輸出兩部分構(gòu)成，輸入部分采用可調(diào)穩(wěn)壓穩(wěn)流源，輸出部分采用高精度數(shù)字多用表。

表1 常用的二線制真空傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)與測(cè)量誤差之間的關(guān)系

真空校準(zhǔn)裝置采用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)，由抽氣系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)組成。抽氣系統(tǒng)包括:機(jī)械泵組；校準(zhǔn)系統(tǒng)包括:校準(zhǔn)室、主標(biāo)準(zhǔn)器組；測(cè)量控制系統(tǒng)包括:氣體微調(diào)閥、各種控制閥、氣源等。如圖2所示。

圖2 真空計(jì)校準(zhǔn)裝置原理示意圖

在壓阻式真空傳感器信號(hào)控制中，對(duì)傳感器輸入提供所需的直流工作電源U，將由圖2采集的真空度為P'的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)式1轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)I，再使用高精度的數(shù)字多用表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示。

圖3 真空傳感器信號(hào)輸入、輸出連接示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取型號(hào)為MPM480型壓阻式傳感器為例，該傳感器的測(cè)量范圍為0～100 kPa、準(zhǔn)確度等級(jí)滿度為±0．25%、供電電壓為15～30 V、輸出信號(hào)為4～20 mA。如圖2所示與真空校準(zhǔn)裝置相連接。同時(shí)選取型號(hào)為DH1715A－3型雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源向其提供直流電壓；選取型號(hào)為34401A數(shù)字多用表采集信號(hào)。線路連接方式如圖4所示。

圖4 真空傳感器線路連接圖

利用真空校準(zhǔn)裝置改變傳感器的環(huán)境狀態(tài)，讀取與真空度相對(duì)應(yīng)的輸出電流信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如表2所列。

表2 MPM480型傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)表2校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理，由于數(shù)據(jù)間跨度較大，得到該傳感器真空度與輸出電流的部分?jǐn)M合曲線圖，如圖5所示。

圖5 0．1～1．0 kPa傳感器真空度與輸出電流擬合曲線圖

圖5中實(shí)線部分是傳感器真空度與輸出電流之間對(duì)應(yīng)的理論擬合曲線，虛線部分是進(jìn)行校準(zhǔn)后獲得的真實(shí)擬合曲線，可知兩條擬合曲線存在明顯的二階遞增關(guān)系，虛線部分始終在一定區(qū)間內(nèi)圍繞實(shí)線上下波動(dòng)。

通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，可知對(duì)獲得的輸出電流數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)在程序控制系統(tǒng)中給其值乘以平均修正因子，增加或減小相應(yīng)輸出電流值的方式，對(duì)任意輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，使更加接近理論值。

準(zhǔn)確度等級(jí)是傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，測(cè)量誤差是按照準(zhǔn)確度等級(jí)劃分的。MPM480型傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)為±0．25%FS。最大允許誤差如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)確度等級(jí)為0．25級(jí)最大允許誤差圖

通過(guò)公式2與對(duì)照表1，可知該真空傳感器在0．25級(jí)的最大允許誤差為±0．04，圖中三角部分是該傳感器各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差值，從圖6可以看出，測(cè)量范圍內(nèi)所有測(cè)量誤差值都已落在準(zhǔn)確度等級(jí)為0．25級(jí)的最大允許誤差之內(nèi)。因此與標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級(jí)相對(duì)應(yīng)，在測(cè)量范圍內(nèi)是可以正常使用的。

通過(guò)獲得的電流輸出值，利用壓阻式真空傳感器輸出信號(hào)和真空度之間的函數(shù)關(guān)系式1，可以得到輸出電流與實(shí)際真空度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)真空度的計(jì)算得到相對(duì)誤差，如表3所列。

通過(guò)對(duì)表3數(shù)據(jù)分析及查《圧阻真空計(jì)檢定規(guī)程》JJG932－1998［3］，可知傳感器符合該規(guī)程的壓力測(cè)量范圍，示值相對(duì)誤差不超過(guò)±20%的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)壓阻式真空傳感器變量與輸出電流之間、測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度等級(jí)之間函數(shù)關(guān)系的分析，得出真空變量與輸出電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量最大允許誤差是界定準(zhǔn)確度等級(jí)的主要依據(jù)。通過(guò)對(duì)輸出電流與實(shí)際真空度的運(yùn)算轉(zhuǎn)換，可知相對(duì)誤差是否符合相關(guān)檢定規(guī)程的要求。

表3 MPM480型傳感器換算真空度及相對(duì)誤差數(shù)據(jù)

綜上可知，采用真空校準(zhǔn)裝置和高精度數(shù)字多用表，對(duì)壓阻式真空傳感器進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)，為該類傳感器提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。通過(guò)相關(guān)運(yùn)算及分析，解決該類型真空傳感器的測(cè)量和校準(zhǔn)問(wèn)題，為正常使用提供了可靠的數(shù)據(jù)。

［1］北京市計(jì)量科學(xué)研究所．JJG882－2004．壓力變送器檢定規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2004．

［2］李正海．比較法真空規(guī)校準(zhǔn)裝置性能研究［J］．真空與低溫，2010，16(1):37－41．

［3］北京市計(jì)量科學(xué)研究所．JJG932－1998．壓阻真空計(jì)檢定規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1998．