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

(西安航天計量測試研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著真空測量技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)自動化的時代，PLC控制器以及程控計算機技術(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)過穩(wěn)定化處理的電路，使得對全量程范圍的線性和溫度進行補償，具有高精度、高靈敏度、抗過載、抗沖擊、溫度漂移小及耐腐蝕等特點，被航空、航天、化工、機械、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)換為遠距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)輸出信號，充分發(fā)揮了自身技術(shù)優(yōu)勢及優(yōu)異性能，從而更好滿足了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化過程中真空度參數(shù)測量和控制的需求。

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

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量部件是一個裝有固態(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)擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應(yīng)智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號。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，是將需要測量的真空變量轉(zhuǎn)換為可輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號，輸出信號與真空變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，主要用于測量過程中真空參數(shù)的測量與控制［1］。典型的二線制壓阻式真空傳感器的測量范圍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)下對應(yīng)的輸出電流值，mA。

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

在對真空傳感器校準(zhǔn)時，由于測量誤差是按照測量準(zhǔn)確度等級劃分的，典型的壓阻式真空傳感器測量誤差和準(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。

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

2 實驗裝置

壓阻式真空傳感器實驗裝置由真空比對校準(zhǔn)裝置［2］和信號控制兩部分組成。真空比對校準(zhǔn)裝置主要模擬真空測量環(huán)境，測量任意點的真空度；信號控制部分由信號輸入與信號輸出兩部分構(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)確度等級與測量誤差之間的關(guān)系

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

圖2 真空計校準(zhǔn)裝置原理示意圖

在壓阻式真空傳感器信號控制中，對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)信號通過式1轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號I，再使用高精度的數(shù)字多用表進行數(shù)據(jù)采集。如圖3所示。

圖3 真空傳感器信號輸入、輸出連接示意圖

3 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗結(jié)果

選取型號為MPM480型壓阻式傳感器為例，該傳感器的測量范圍為0～100 kPa、準(zhǔn)確度等級滿度為±0．25%、供電電壓為15～30 V、輸出信號為4～20 mA。如圖2所示與真空校準(zhǔn)裝置相連接。同時選取型號為DH1715A－3型雙路穩(wěn)壓穩(wěn)流電源向其提供直流電壓；選取型號為34401A數(shù)字多用表采集信號。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)，讀取與真空度相對應(yīng)的輸出電流信號，測量結(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

通過對表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中實線部分是傳感器真空度與輸出電流之間對應(yīng)的理論擬合曲線，虛線部分是進行校準(zhǔn)后獲得的真實擬合曲線，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)圍繞實線上下波動。

通過對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行運算分析，可知對獲得的輸出電流數(shù)據(jù)采集后，通過在程序控制系統(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，對任意輸出電流進行數(shù)據(jù)修正，使更加接近理論值。

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

圖6 準(zhǔn)確度等級為0．25級最大允許誤差圖

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

通過獲得的電流輸出值，利用壓阻式真空傳感器輸出信號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際真空度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并通過與標(biāo)準(zhǔn)真空度的計算得到相對誤差，如表3所列。

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

4 結(jié)論

通過對壓阻式真空傳感器變量與輸出電流之間、測量誤差與準(zhǔn)確度等級之間函數(shù)關(guān)系的分析，得出真空變量與輸出電流對應(yīng)關(guān)系，測量最大允許誤差是界定準(zhǔn)確度等級的主要依據(jù)。通過對輸出電流與實際真空度的運算轉(zhuǎn)換，可知相對誤差是否符合相關(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，對壓阻式真空傳感器進行測量和校準(zhǔn)，為該類傳感器提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。通過相關(guān)運算及分析，解決該類型真空傳感器的測量和校準(zhǔn)問題，為正常使用提供了可靠的數(shù)據(jù)。

［1］北京市計量科學(xué)研究所．JJG882－2004．壓力變送器檢定規(guī)程［S］．北京:中國計量出版社，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］北京市計量科學(xué)研究所．JJG932－1998．壓阻真空計檢定規(guī)程［S］．北京:中國計量出版社，1998．