環(huán)境溫度對(duì)風(fēng)壓傳感器精確度的影響探討

文昌山

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528300）

引言

當(dāng)前中國(guó)的天然氣產(chǎn)業(yè)正在大力發(fā)展中，2019年中俄東線天然氣管道建成并投入使用。天然氣的民用消費(fèi)比重越來(lái)越高，其中燃?xì)鉄崴魇侵饕脷庠O(shè)備之一。

在燃?xì)鉄崴髦醒b配風(fēng)壓傳感器的主要作用有兩個(gè)：煙道堵塞和風(fēng)壓過(guò)大安全裝置，空氣進(jìn)氣輔助控制。它們都需要對(duì)管道風(fēng)壓大?。ㄈ?xì)鉄崴黠L(fēng)道內(nèi)氣壓與大氣壓之間的差值）進(jìn)行檢測(cè)，而檢測(cè)的精確度至關(guān)重要。如果精確度過(guò)低，風(fēng)壓測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差過(guò)大，則易造成煙道堵塞、熄火、回火、影響使用的火焰溢出等，或者空氣進(jìn)氣不足引發(fā)的一氧化碳濃度升高等現(xiàn)象。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)壓傳感器的精確度受環(huán)境溫度影響所發(fā)生的變化規(guī)律并未見(jiàn)諸報(bào)道，而傳感器制造商也僅僅是將精確度作為一項(xiàng)性能參數(shù)予以簡(jiǎn)單指出，無(wú)系統(tǒng)化數(shù)據(jù)或者討論。

本文研究風(fēng)壓傳感器的精確度隨環(huán)境溫度、管道風(fēng)壓變化而發(fā)生的變化規(guī)律，對(duì)風(fēng)壓傳感器的相關(guān)性能參數(shù)設(shè)計(jì)具有明顯的指導(dǎo)意義，可推動(dòng)風(fēng)壓傳感器應(yīng)用于更大溫度與管道風(fēng)壓范圍，從而間接地推動(dòng)燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 溫度對(duì)精確度影響的理論分析與推測(cè)

當(dāng)前，用于燃?xì)鉄崴鞯娘L(fēng)壓傳感器普遍采用硅橡膠膜片作為敏感元件，如圖1所示。圖1所展示的是硅橡膠膜片的側(cè)視圖，圓形的塑料板通過(guò)特定的方式與膜片的中央部位固定，膜片兩側(cè)分別處于正氣腔與負(fù)氣腔中。在圖1中表示大氣壓與燃?xì)鉄崴黠L(fēng)道內(nèi)氣壓的箭頭僅用來(lái)指示壓力方向，而作用點(diǎn)實(shí)際上覆蓋了兩個(gè)側(cè)面。

圖1 風(fēng)壓傳感器的硅橡膠膜片結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)壓作用于膜片上，使膜片發(fā)生彈性形變，膜片中央的塑料板發(fā)生位移 d，如圖2所示。該位移與風(fēng)壓大小存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在圖2中，膜片中央部位因與塑料板固定，發(fā)生的形變可以忽略不計(jì)；而塑料板周?chē)沫h(huán)形區(qū)域則是發(fā)生彈性形變的主要部位。

圖2 硅橡膠膜片彈性形變示意圖

硅橡膠膜片的形變主要是剪切形變，然而形變受到溫度的影響。根據(jù)橡膠彈性理論[1]，運(yùn)用簡(jiǎn)單剪切理論進(jìn)行分析，如圖3、圖4所示。

圖3 材料發(fā)生剪切形變之前

以下將進(jìn)行剪切模量 G 的計(jì)算。

式中:

γ—剪切應(yīng)變；

θ—剪切角。

式中：

τ—剪切應(yīng)力；

F—材料所受到的力；

A0—材料截面的面積。

式中：

G —剪切模量。

將式（1）、式（2）代入式（3）中，可推出 G，如式（4）所示。

根據(jù)橡膠彈性理論，剪切模量隨溫度的升高而變大。在其他條件不變的情況下，如果材料所受的外力相同，溫度升高，則材料的形變量將發(fā)生改變。據(jù)此推測(cè)，膜片風(fēng)壓傳感器的精確度可能對(duì)溫度敏感，但當(dāng)前并無(wú)相關(guān)專(zhuān)題研究。

1.2 精確度檢測(cè)方法

計(jì)量的精確度，指被測(cè)的量的測(cè)量值之間的一致程度以及與其“真實(shí)值”的接近程度，是精密度和準(zhǔn)確度的綜合概念。從測(cè)量誤差的角度來(lái)說(shuō)，精確度是測(cè)量值的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合反映。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常以測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值來(lái)表示精確度，如式（5）所示。

式中：

accuracy—精確度；

Pmeasured—測(cè)量值；

Pactual—真實(shí)值。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 傳感器檢測(cè)校準(zhǔn)裝置

傳感器檢測(cè)校準(zhǔn)裝置如圖5所示，包含了壓縮氮?dú)馄?、工業(yè)壓力校準(zhǔn)器、恒溫恒濕試驗(yàn)箱、導(dǎo)氣管、風(fēng)壓傳感器讀數(shù)裝置等。

圖5 傳感器檢測(cè)校準(zhǔn)裝置

壓縮氮?dú)馄刻峁庠矗瑲怏w為純凈氮?dú)?，純度?9.996 %。

工業(yè)壓力校準(zhǔn)器為 FLUKE 2271A，為傳感器提供穩(wěn)定的氣壓差，并輸出氣壓差值。

恒溫恒濕試驗(yàn)箱為 TERCHY MHX-K，為傳感器提供可調(diào)節(jié)的恒定溫度與濕度環(huán)境。

膜片風(fēng)壓傳感器的工作溫度范圍 -20～85 ℃，工作濕度范圍 0～95 % RH，壓力測(cè)量范圍為 0～1 000 Pa，精確度 ±15 Pa，耐壓 2 000 Pa。

將風(fēng)壓傳感器與導(dǎo)氣管、電纜連接，然后將風(fēng)壓傳感器放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中。將該導(dǎo)氣管、電纜的另一端從試驗(yàn)箱的測(cè)試孔引出，并分別與壓力校準(zhǔn)器、風(fēng)壓傳感器讀數(shù)裝置連接。

2.2 溫度與氣壓差變化對(duì)精確度影響的測(cè)試

設(shè)置恒溫恒濕試驗(yàn)箱：濕度為 90 % RH，溫度則按照表1 中的順序，先后設(shè)置不同的值。

表1 測(cè)試的溫度條件

在每次設(shè)定的溫度穩(wěn)定后，設(shè)定壓力校準(zhǔn)器輸出的氣壓差，氣壓差值則按照表2 中的順序，先后設(shè)置不同的值。在每次設(shè)定的氣壓差穩(wěn)定后，用風(fēng)壓傳感器讀數(shù)裝置讀取傳感器對(duì)氣壓差的檢測(cè)結(jié)果，并記錄數(shù)據(jù)。

表2 測(cè)試的氣壓差條件

將風(fēng)壓傳感器的輸出結(jié)果作為測(cè)量值，而將壓力校準(zhǔn)器輸出的氣壓差值作為真實(shí)值，代入式（5）中，可求出相應(yīng)的精確度。將經(jīng)過(guò)計(jì)算后所得到的數(shù)據(jù)繪制成圖形，如圖6所示。

圖6 溫度與氣壓差對(duì)風(fēng)壓傳感器精確度的影響

其中，當(dāng)氣壓差值為 0 時(shí)，在不同的溫度中傳感器的精確度都能保持 0。這主要是因?yàn)槊舾性ü柘鹉z膜片）未發(fā)生彈性形變，轉(zhuǎn)換元件的輸出也為 0。

當(dāng)測(cè)試溫度分別為 50 ℃、70 ℃、85 ℃ 時(shí)，在氣壓差升高的過(guò)程中，氣壓差值超過(guò) 900 Pa 后均出現(xiàn)傳感器輸出飽和的現(xiàn)象。因此測(cè)量 1 000 Pa 氣壓差時(shí)這 3個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)度無(wú)意義，應(yīng)舍去。

從總體上看，在 -10～30 ℃ 溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，精確度提高；而在 30～85 ℃ 溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，精確度下降。而且，從 -10 ℃ 上升到85 ℃ 的過(guò)程中，在不同的氣壓差下，精確度由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎担? Pa、1 000 Pa 除外）。

風(fēng)壓傳感器的精確度標(biāo)稱(chēng)值為 ±15 Pa，但是只能在局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)（氣壓差在 100 Pa 之內(nèi)）。

3 精確度漂移的影響分析

在燃?xì)鉄崴髦校L(fēng)壓取樣點(diǎn)的風(fēng)壓變化范圍一般小于 200 Pa。按照?qǐng)D6中顯示的變化特性，氣壓差為100 Pa 時(shí)，最低精確度為 -16 Pa。而一旦氣壓差超過(guò)100 Pa，精確度將更低，不符合標(biāo)稱(chēng)值，在實(shí)際應(yīng)用中可能引發(fā)故障。

風(fēng)壓傳感器的精確度隨著溫度、氣壓差的漂移將對(duì)燃?xì)鉄崴髟斐蓛蓚€(gè)方面的影響：煙道堵塞與風(fēng)壓過(guò)大自適應(yīng)與燃?xì)夤饬髁孔兓赃m應(yīng)。

3.1 對(duì)煙道堵塞與風(fēng)壓過(guò)大自適應(yīng)的影響

在安裝了風(fēng)壓傳感器的燃?xì)鉄崴髦?，風(fēng)壓傳感器將作為煙道堵塞與風(fēng)壓過(guò)大安全裝置[2]。根據(jù) GB 6932-2015 《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌返南嚓P(guān)要求，風(fēng)壓在小于80 Pa 前風(fēng)壓過(guò)大安全裝置不能啟動(dòng)[3]。如果風(fēng)壓傳感器的精確度偏低，對(duì)風(fēng)壓檢測(cè)的誤差過(guò)大，則風(fēng)壓傳感器可能輸出誤啟動(dòng)信號(hào)。

3.2 對(duì)燃?xì)夤饬髁孔兓赃m應(yīng)的影響

燃?xì)夤饬髁堪l(fā)生變化，所需的空氣供氣流量也發(fā)生變化，隨之產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物量也發(fā)生變化，風(fēng)機(jī)對(duì)外所做的功也發(fā)生變化，表現(xiàn)出來(lái)為風(fēng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)壓發(fā)生變化。可根據(jù)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率以及燃?xì)夤饬髁浚ㄈ細(xì)獗壤y的輸出量）之間的測(cè)試數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率，提供合適的空氣供氣流量，實(shí)現(xiàn)針對(duì)燃?xì)夤饬髁孔兓淖赃m應(yīng)功能。

如果風(fēng)壓傳感器的精確度偏低，對(duì)風(fēng)壓檢測(cè)的誤差過(guò)大，則可能造成空氣供氣流量偏小，引起燃燒不完全、一氧化碳的排放增加。

4 結(jié)論

本文對(duì)風(fēng)壓傳感器的敏感元件（硅橡膠膜片）的相關(guān)性能受溫度影響進(jìn)行了初步的理論分析，推測(cè)了風(fēng)壓傳感器的精確度將會(huì)是一個(gè)隨著環(huán)境溫度變化而發(fā)生改變的量，而并非是一個(gè)常量。再通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)壓傳感器精確度對(duì)溫度有依賴(lài)性、并且隨待測(cè)氣壓差變化而發(fā)生變化的基本規(guī)律——總體上，溫度越高，氣壓差越大，精確度越低；并且在升溫、增壓的過(guò)程中，精確度將從負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠?/p>

如欲提高以硅橡膠膜片為敏感元件的風(fēng)壓傳感器的精確度，則應(yīng)進(jìn)行溫度與氣壓差補(bǔ)償。例如在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)加入溫度傳感器以檢測(cè)敏感元件的工作環(huán)境溫度，根據(jù)敏感元件的溫度變化特性對(duì)傳感器的輸出結(jié)果進(jìn)行校正。這樣，可以大幅度地改善精確度因溫度變化而產(chǎn)生的漂移問(wèn)題。