真空腔泄漏對(duì)振動(dòng)筒壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響分析

陳麗艷，康志宏，宋繼紅

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器具有準(zhǔn)確度高、抗干擾性強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在大氣數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x表中。在測(cè)量氣體的絕對(duì)壓力時(shí)，作為零壓力基準(zhǔn)。零壓力基準(zhǔn)作為絕對(duì)壓力的參考點(diǎn)，其穩(wěn)定性直接影響絕壓傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度[1]。因此，零壓力基準(zhǔn)即真空腔是絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的重要組成部分，真空腔的真空度是振動(dòng)筒壓力傳感器重要指標(biāo)之一，能夠直接反映振動(dòng)筒壓力傳感器的準(zhǔn)確度在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性。

振動(dòng)筒壓力傳感器是通過對(duì)不同組件焊接形成真空腔，必然存在一定的氣體泄露影響真空腔的真空度，因此，采用泄漏率分析絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的零壓力基準(zhǔn)對(duì)研究振動(dòng)筒壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性具有重要意義。

為了優(yōu)化設(shè)計(jì)振動(dòng)筒壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，此文主要從真空腔的設(shè)計(jì)角度探索振動(dòng)筒傳感器的真空腔對(duì)絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定的影響。

1 絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器測(cè)壓原理

絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器是基于諧振技術(shù)典型的對(duì)頻率敏感的諧振式傳感器，振動(dòng)筒敏感元件將感受的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)輸出，即用頻率信號(hào)表征壓力信號(hào)[2]，對(duì)頻率信號(hào)的處理只需簡(jiǎn)單數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號(hào)，并且具有準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)良性能。

絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的核心部分如圖1所示。絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的真空腔由振動(dòng)筒敏感元件的外表面和保護(hù)筒的內(nèi)表面組成[3]，它們用連接套環(huán)焊接在一體，因此，焊接質(zhì)量和焊接方法以及真空腔的形成過程直接影響絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器真空腔的質(zhì)量和絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的測(cè)量性能。

絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器是靠振動(dòng)筒敏感元件感受壓力的變化。當(dāng)不同的壓力P作用在振動(dòng)筒內(nèi)壁時(shí)，導(dǎo)致振動(dòng)筒敏感元件剛度發(fā)生變化，振動(dòng)筒敏感元件固有頻率隨之變化。振動(dòng)筒敏感元件受力發(fā)生形變，同時(shí)形變作用于壓電陶瓷片產(chǎn)生電信號(hào)，這樣就把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；同理，給壓電陶瓷片電信號(hào)，壓電陶瓷片發(fā)生形變并作用于振動(dòng)筒敏感元件，這樣就把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械信號(hào)[4]，該過程與諧振電路相結(jié)合就夠成絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器諧振系統(tǒng)。

圖1 絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的核心部分

振動(dòng)筒敏感元件的固有頻率隨其測(cè)量壓力變化過程表示為

fp=x(p-p0)

(1)

式中：fp為振動(dòng)筒敏感元件在內(nèi)腔壓力p作用下固有頻率；p0為真空腔的壓力。

對(duì)于絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器來講，真空腔內(nèi)的壓力p0應(yīng)為零?？紤]到真空腔的形成過程及組成，絕壓傳感器應(yīng)該有p?p0，且p0趨于零。若真空腔有微漏現(xiàn)象則必然影響絕壓振動(dòng)筒的測(cè)量準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[5]。

2 傳感器真空腔泄漏測(cè)試方法

圖2 振動(dòng)筒壓力傳感器真空腔泄露測(cè)試裝置圖

振動(dòng)筒壓力傳感器真空腔泄漏測(cè)試裝置如圖2所示。將保護(hù)筒底部開一個(gè)小孔，然后用連接套環(huán)連接振動(dòng)筒和保護(hù)筒，在連接處有焊縫1和焊縫2，這時(shí)可以用圖2裝置對(duì)真空腔泄露處焊縫1和焊縫2檢漏。將該裝置裝在氦質(zhì)譜檢漏儀上，然后在底部開孔處用真空泵抽真空，使漏率達(dá)到1×10-13Pa·m3/s，之后向焊縫1和焊縫2處噴氮?dú)猓⒂^察漏率的變化情況，若漏率在數(shù)量級(jí)10-13Pa·m3/s左右變化或保持，說明焊縫的泄漏率不高于10-13Pa·m3/s。對(duì)于真空腔而言，泄漏率越低，真空腔的質(zhì)量越好，絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性越好。

3 傳感器真空腔泄漏數(shù)學(xué)分析

從真空腔的泄漏測(cè)試方法可知，可以用泄漏率來評(píng)估真空腔的質(zhì)量和預(yù)測(cè)真空腔的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.1 漏率的定義

考慮到真空腔內(nèi)氣體分子之間的距離非常大，氣體之間的作用力非常小，而分子本身的體積相對(duì)于真空腔的體積可忽略不計(jì)，可以用理想氣體狀態(tài)方程對(duì)真空腔的泄漏進(jìn)行描述。

理想氣體狀態(tài)方程表示為

PV=nRT

(2)

式中:P為理想氣體的壓強(qiáng)；V為理想氣體的體積；n為理想氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體熱力學(xué)溫度。

讓真空腔處于恒溫恒壓的環(huán)境中，真空腔在t1時(shí)刻的理想氣體狀態(tài)方程表示為

P1V=n1RT

(3)

式中：P1為t1時(shí)刻真空腔的壓力；V為真空腔的體積。

真空腔在一定泄漏率下，在t2時(shí)刻下的狀態(tài)方程為

P2V=n2RT

(4)

式中：P2為t2時(shí)刻真空腔的壓力。

式(3)和式(4)計(jì)算出該真空腔的泄漏率Q表示為

(5)

從式(5)可以看出漏率可以定義為在恒溫條件和恒定環(huán)境壓力的條件下，真空腔體積保持不變，真空腔內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化，或者是真空腔內(nèi)的氣體摩爾數(shù)隨時(shí)間變化情況。

氣體瞬時(shí)泄漏率與真空腔所處環(huán)境壓力和漏孔的面積有關(guān)，表示為

Q∞(PE-P)·S

(6)

式中：PE為環(huán)境壓力；P為真空腔壓力；S為漏孔面積。

從式(6)可以看出某時(shí)刻的泄露量與環(huán)境壓力的大小和漏孔面積的大小成正比,可見氦質(zhì)譜泄漏測(cè)試只能給出絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器某時(shí)刻的泄露狀態(tài)，并不能對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的泄漏狀態(tài)考核。為保證絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不僅要提高焊接質(zhì)量而且要給絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器合適的存儲(chǔ)環(huán)境。

3.2 絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性數(shù)學(xué)分析

長(zhǎng)期穩(wěn)定性是絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，可以用式(5)對(duì)絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行分析。真空腔的真空度變化情況可以表示為

Q·t=ΔPV

(7)

式中：t為泄漏時(shí)間；ΔP為真空腔真空度的變化量。

從式(7)也可以看出在泄漏率和泄漏時(shí)間不變的情況下，真空腔的體積不同，真空度的變化也不同。

以某單位9 mm振動(dòng)筒傳感器為例，當(dāng)泄漏率Q=1×10-13Pa·m3/s，體積V=2.21 cm3，n年內(nèi)振動(dòng)筒壓力傳感器的真空腔的真空度變化情況為

(8)

式(8)給出了在一定泄漏率下，隨著年限的增加，振動(dòng)筒壓力傳感器真空腔的真空度不斷變差的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 真空度隨年限的變化情況

式(8)也給出在不同的泄漏率下，振動(dòng)筒壓力傳感器真空腔的真空度隨著時(shí)間的增加，真空腔的變化情況，如圖4所示。

4 結(jié)論

介紹了絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)、測(cè)壓原理及真空腔泄露的檢測(cè)方式，并對(duì)傳感器真空腔泄漏進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。通過對(duì)絕壓振動(dòng)筒壓力傳感器瞬時(shí)泄漏和長(zhǎng)期泄漏的數(shù)學(xué)分析，給出了泄露與存儲(chǔ)年限的量化關(guān)系、泄漏與環(huán)境條件的關(guān)系。為保證絕壓振動(dòng)筒的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，必須給出合適的封裝過程和焊接方法；同時(shí)，也要考慮其合理的體積設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)方式。

圖4 不同泄露率下真空度隨年限的變化情況