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生偏差，因此，法規規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。現在安全閥很多都在安全閥校驗臺上校準，安全閥校驗臺經過智能化改裝后實現了安全閥校驗現場檢測數據實時上傳，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換成具體數值顯示出來，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果偏差至關重要。

二、壓力傳感器工作原理及出現誤差的原因

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應，將壓力轉換為相應的電信號，經信號放大得到所測的壓力參數。敏感材料在受到壓力時，在其表面聚集著數量相等、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電容的等效電路，或者是一個電荷源與一個并聯電容的等效電路[1]。

這種傳感器具有結構簡單、體積小、適應惡劣環境、使用壽命長等優點。但所有傳感器在使用中都會出現誤差，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過多次加壓、泄壓，傳感器內部元件可能會出現靈敏度降低，產生疲勞效應等情況。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，將信號轉換成具體數值在前端顯示。校準軟件通過串口通訊的方式發送校準指令，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送，不必每個量程、每個校準點單獨發送，這樣減少了程序的代碼量和串口數據傳輸的壓力，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，輸入上下壓力表數值，然后點擊“確認”，如圖7 所示；

（5）關閉泄放閥，確認未用通道關閉；

（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，根據安全閥校驗規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，輸入上下壓力表數值，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，根據安全閥校驗規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，輸入上下壓力表數值，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，根據安全閥校驗規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，輸入上下壓力表數值，然后點擊“確認”。

壓力傳感器校準是基于壓力表讀數準確的情況下，傳感器的校準數值與兩壓力表讀數計算，系統判斷校準是否合格。如果輸入的兩個壓力表讀數相差較大，則系統提示：上下表壓力數值相差過大，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不正確，則確認傳感器不合格或已損壞[3]。

五、結語

壓力傳感器會隨著外界溫濕度等原因出現不穩定的情況，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。基于Modbus 通訊協議，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。