智能安全閥校驗臺上的壓力傳感器校準方法研究

陸建平 張小龍 董曉冬 許波,2 柴軍輝,2 張子健 徐浩 陳濟鋒

1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務公司，浙江寧波 315100；

2. 寧波市特種設備檢驗研究院，浙江寧波 315100；

3.寧波中惠信息技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100

一、引言

安全閥是安裝在鍋爐、壓力容器、管道等設備上，防止承壓設備超壓或爆炸的保護裝置。安全閥在使用過程中，其密封性和整定壓力會發(fā)生偏差，因此，法規(guī)規(guī)定在用安全閥必須每年校驗一次，新安全閥也需校準后才可使用?，F(xiàn)在安全閥很多都在安全閥校驗臺上校準，安全閥校驗臺經(jīng)過智能化改裝后實現(xiàn)了安全閥校驗現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)實時上傳，報告審核審批流程一體化管理。校驗臺上的壓力傳感器可以通過信號采集器將壓力值轉(zhuǎn)換成具體數(shù)值顯示出來，其中壓力傳感器的準確度直接影響安全閥的校準結(jié)果。因此，傳感器的校準方法對安全閥校準有著直接影響，在方便安全閥校驗工作的同時，校準傳感器和減小校驗結(jié)果偏差至關(guān)重要。

二、壓力傳感器工作原理及出現(xiàn)誤差的原因

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應，將壓力轉(zhuǎn)換為相應的電信號，經(jīng)信號放大得到所測的壓力參數(shù)。敏感材料在受到壓力時，在其表面聚集著數(shù)量相等、極性相反的電荷Q，里面的晶體片是絕緣體，這樣晶體片就形成了一個電容器，如果極板間的電容為C0，那么兩極板間電壓為：

這樣，傳感器可以等效為一個電壓源和一個串聯(lián)電容的等效電路，或者是一個電荷源與一個并聯(lián)電容的等效電路[1]。

這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、適應惡劣環(huán)境、使用壽命長等優(yōu)點。但所有傳感器在使用中都會出現(xiàn)誤差，傳感器的輸出受到溫度、濕度等多種因素的影響，其中壓力和溫度是影響傳感器準確度的主要因素，會給傳感器的測量結(jié)果帶來誤差，嚴重時會影響傳感器的線性度。

智能安全閥校驗臺所使用的傳感器經(jīng)過多次加壓、泄壓，傳感器內(nèi)部元件可能會出現(xiàn)靈敏度降低，產(chǎn)生疲勞效應等情況。針對上述外界因素和傳感器自身等原因，我們需要對傳感器按一定周期間隔進行校準。

壓力傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，如圖1 所示。

三、壓力傳感器校準方法

壓力傳感器輸出不理想的主要因素有零點漂移和非線性。通過對傳感器量程上等間距的4 個點的校準來保證其線性度，這4 點中包含量程的零位，這樣也校準了零點漂移。

安全閥校驗臺裝有5 個通道的壓力表，每個壓力表連接1 個傳感器，共配備了5 個傳感器，這些傳感器都連接在信號處理盒中，軟件可以通過信號盒讀取各通道傳感器的信號，將信號轉(zhuǎn)換成具體數(shù)值在前端顯示。校準軟件通過串口通訊的方式發(fā)送校準指令，完成校準后輸出完成指令。信號處理盒如圖2 所示，是集中處理壓力信號的地方，其另一端與電腦相連。

我們通過優(yōu)化校準軟件代碼，進行了改進與整合，每個量程傳感器都按4 個校準點的加密指令通過串口發(fā)送，不必每個量程、每個校準點單獨發(fā)送，這樣減少了程序的代碼量和串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?，減少出錯的可能性。

四、壓力傳感器校準過程

為了提高傳感器校準的準確度和保證線性度，我們將傳感器校準分為四步，分別在傳感器量程的0、1/4、1/2、3/4 位置做校準，這樣可以較好地控制傳感器的線性度。校準流程如圖3 所示。安全閥校驗臺操作界面如圖4 所示。

（1）打開泄放閥，打開對應通道切換閥；

（2）點擊界面上方“傳感器校準”按鍵；

（3）點擊“校準”模塊，選擇對應通道，如圖5所示，我們先選擇第一通道，如圖6 所示；

（4）校正零位，點擊采樣點1（0 點）右邊的“采樣”按鍵，目測壓力表指針讀數(shù)，輸入上下壓力表數(shù)值，然后點擊“確認”，如圖7 所示；

（5）關(guān)閉泄放閥，確認未用通道關(guān)閉；

（6）校正壓力表量程1/4 處，點擊采樣點2（1/4點）右邊的“采樣”按鍵，根據(jù)安全閥校驗規(guī)范升壓至對應通道壓力表量程的1/4 處（觀察壓力表），目測壓力表指針讀數(shù)，輸入上下壓力表數(shù)值，然后點擊“確認”，如圖8 所示，1MPa 量程的傳感器1/4 處為0.25MPa，就加壓到0.25MPa；

（7）校正壓力表量程1/2 處，點擊采樣點3（1/2 點）右邊的“采樣”按鍵，根據(jù)安全閥校驗規(guī)范升壓至對應通道壓力表量程的1/2 處（觀察壓力表），目測壓力表指針讀數(shù)，輸入上下壓力表數(shù)值，然后點擊“確認”；

（8）校正壓力表量程3/4 處，點擊采樣點4（3/4 點）右邊的“采樣”按鍵，根據(jù)安全閥校驗規(guī)范升壓至對應通道壓力表量程的3/4 處（觀察壓力表），目測壓力表指針讀數(shù)，輸入上下壓力表數(shù)值，然后點擊“確認”。

壓力傳感器校準是基于壓力表讀數(shù)準確的情況下，傳感器的校準數(shù)值與兩壓力表讀數(shù)計算，系統(tǒng)判斷校準是否合格。如果輸入的兩個壓力表讀數(shù)相差較大，則系統(tǒng)提示：上下表壓力數(shù)值相差過大，更換合格的壓力表后再進行校準；如校正后傳感器讀數(shù)和壓力表不一致，可重復校準，如確認校正無誤且傳感器讀數(shù)不正確，則確認傳感器不合格或已損壞[3]。

五、結(jié)語

壓力傳感器會隨著外界溫濕度等原因出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，按照以上校準方法和流程進行校準，可以有效保證傳感器的準確性和線性度?；贛odbus 通訊協(xié)議，我們研究并形成了一套完整的壓力傳感器的校準指令，在以后壓力傳感器校準應用中有較大的借鑒意義。