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介質隔離式壓力感測器可用來提高工業製程的可靠性和精密度

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

在暖通空調和製冷 (HVAC/R) 等封閉迴路工業和商業製程中,設計人員會使用機電壓力傳感器來加強控制,以及改善製程效能。問題在於這些系統中使用的液體和氣體,以及系統運作時的溫度和壓力範圍較廣,可能會損害壓力傳感器的材料,導致因腐蝕而洩漏,破壞感測器的完整性。

設計人員需要另尋技術,這項技術必須既能克服環境方面的難題,又能提供應用所需的準確度和可靠性。

本文將首先說明應變計型壓力傳感器的運作原理,然後再介紹 Honeywell 的介質隔離型壓力 (MIP) 傳感器。這些產品由不鏽鋼製成,採用氣密式焊接設計,而非採用 O 型環和黏性密封,後者往往被證實是典型感測器的弱點所在。本文接著將探討測量誤差來源及如何將誤差降至最低,然後再示範能如何將傳感器應用於商業製冷系統中,以提高製程效率。

機電壓力傳感器的運作原理

現代壓力傳感器以電氣輸出為基礎,全面捨棄較老舊且不穩定的機械聯動裝置和刻度盤。當今機電元件的主要優點是可靠性、精密度和遠端監控能力。這些元件的主要測量技術是以壓電材料或應變計為基礎。壓電式壓力傳感器僅適用於動態壓力測量,應變計單元則可用於動態和靜態壓力測量。本文將著重探討後者。

應變計是一種電路,受到應變時會產生電阻變化,其中應變是「材料受力時的長度變化」和「材料未負載時的長度」之比例,以 ε 表示。應變計通常根據應變計因數 (GF) 進行分類,此因數是其應變靈敏度的度量單位。換句話說,GF 是電阻分數變化和長度分數變化 (或應變) 的比例。

使用時,壓力傳感器會直接插入加壓系統內,而系統的液體或氣體會流入傳感器端口並使隔膜移位。應變計可透過合適的黏著劑固定至此隔膜的上側面 (圖 1)。

隔膜安裝式應變計的示意圖圖 1:隔膜安裝式應變計適用於壓力傳感器。在此範例中,應變計的實際直徑為 6.35 mm。(圖片來源:Micro Measurements)

即使在非常高的壓力下,應變計的長度變化仍可能只有數「毫應變」(mε),因此產生的電阻變化非常小。例如,假設試件經受 350 mε 的應變。在這種負載下,GF 為 2 的應變計呈現的電阻變化將為 2 (350 x 10-6) = 0.07%。如果是 350 Ω 的應變計,電阻變化將只有 0.245 Ω。

如何進行應變計測量

為了準確測量這種微小的電阻變化,同時將雜訊影響降至最低,壓力傳感器的應變計可整合到惠司同電橋的一個分支中。此電橋是由四個電阻臂構成的網絡,兩端施加激磁電壓 E (圖 2)。

惠司同電橋電路圖的圖片圖 2:在此惠司同電橋電路圖中,應變計整合到一個電阻臂中;RG 為應變計電阻,RL1 和 RL2 為應變計引線電阻;電阻 R2、R3 和 R4 為已知固定值;eo 為輸出電壓,E 則為激磁電壓。(圖片來源:Micro Measurements)

惠司同電橋在電氣上等同於兩個並聯分壓器電路,其中 RG (假設引線電阻 RL1 和 RL2 可忽略) 和 R4 構成一個分壓器電路,R2 和 R3 構成另一個分壓器電路。eo 是在兩個分壓器的中間節點之間測得的輸出電壓,可透過以下方程式計算:

方程式 1 方程式 1

方程式 1 顯示,當 RG/R4 = R3/R2 時,輸出電壓 eo 為零,電橋應處於平衡狀態。應變計的電阻只要出現變化,電橋都會失去平衡,並產生一個和應變成比例的非零 eo。在壓力傳感器中,隔膜安裝式應變計的輸出電壓應在整個壓力範圍內,都與電源 (激磁) 電壓 E 成線性比例關係。

溫度補償

在使用應變計時,其易受溫度影響的特性是一項設計難題。溫度波動會導致偏移和量程誤差,並增加磁滯。

應變計可能會因激磁電壓 E 而升溫,但若將 E 維持在低電壓狀態,即可大幅緩解此問題。缺點是,這種作法會降低系統的靈敏度,但惠司同電橋的輸出電壓 eo 可以視需要進行放大。不過這必須格外謹慎,避免放大疊加的雜訊。其中一種解決方案是使用「載波頻率」放大器,將電壓變化轉換為頻率變化,並使用窄頻寬輸出來保持低雜訊並減少頻外電磁干擾 (EMI)。

第二個熱源來自壓力傳感器本身的隔膜和本體。高溫會導致隔膜膨脹,而應變計會記錄這項應變與液體或氣體壓力並沒有直接關聯。

為了減輕這些影響,現代的應變計採用溫度補償措施。應變計通常由 55% 銅/45% 鎳合金製造。材料的熱膨脹係數 (CTE) 非常低,可限制溫度引起的應變。此外,藉由將應變計的 CTE 與所附隔膜材料的 CTE 仔細地相互匹配,可以實作一定程度的「自溫補償」,將溫度引起的應變侷限在幾 μm/m/°C。

溫度引起的另一個誤差來源可能來自承載應變計電壓訊號的引線。在上方圖 2 的電橋特性初步討論中,已假設這些電線電阻 (RL1 和 RL2) 可以忽略不計;但是如果引線由銅製成,溫度只要微微升高 10°C,就可能導致直接從引線產生幾百 µε 的等效電橋偏移。若要克服此偏移,使用三線電橋是個常見的技巧 (圖 3)。

惠司同電橋電路圖的圖片圖 3:在此惠司同電橋電路圖中,負輸出電橋的電氣節點從 R4 的頂部,移到應變計底部 RL2 末端。引線 RL1 和 RL2 形成相同電阻時,電橋就會進入平衡狀態。引線 RL3 只是電壓感應線,對電橋平衡沒有影響。(圖片來源:Micro Measurements)

圖 3 顯示,負輸出電橋的電氣節點從 R4 的頂部移到應變計底部 RL2 末端。引線 RL1 和應變計 (RG) 構成一個臂,RL2 和電阻 R4 則構成相鄰臂。如果引線 RL1 和 RL2 具有相同電阻,則兩個橋臂的電阻相等,電橋也因此平衡。引線 RL3 只是電壓感應線,不與任何橋臂串聯,對電橋平衡沒有影響。

如果 RL1 和 RL2 都受到相同溫度波動的影響,電橋將維持平衡。此外,由於只有一根引線與應變計串聯,因此與雙線配置相比,引線引起的溫度敏化程度降低一半。

除了溫度對壓力傳感器輸出的影響外,還有其他誤差來源。這些誤差源通常稱為「理想傳輸函數」,這是一條不受溫度影響的直線,這條直線會穿過理想的偏移值,其斜率等於工作壓力範圍內的理想滿量程 (FSS)。偏移是指施加參考壓力時取得的輸出訊號,FSS 則是在工作壓力範圍上下限值所測之輸出訊號間的差值 (圖 4)。

壓力傳感器的理想傳輸函數示意圖圖 4:壓力傳感器的理想傳輸函數為一條不受溫度影響的直線,這條直線會穿過理想的偏移值,其斜率等於工作壓力範圍內的理想 FSS。(圖片來源:Honeywell)

壓力傳感器若品質較低,出廠時可能出現相對較大的偏移和 FSS 誤差。偏移誤差是相對於理想偏移的最大壓力偏差,FSS 誤差則是「參考溫度下測得的 FSS」相對於「從理想傳輸函數所判定之理想或目標 FSS」的最大偏差。

壓力傳感器本身的準確度會產生更多誤差,其可能會受到壓力非線性、壓力磁滯和不可重複性的影響。熱致性誤差、傳感器的失準,以及偏移和 FSS 誤差,一同決定了壓力傳感器的總誤差帶 (TEB)。TEB 是指在整個補償溫度和壓力範圍內,輸出與理想傳輸函數的最大偏差 (圖 5)。

壓力傳感器的誤差來源示意圖圖 5:壓力傳感器的誤差來源累積形成 TEB。(圖片來源:Honeywell)

重型壓力傳感器

在工業應用中,所用的壓力傳感器會暴露在腐蝕性液體和氣體中,並且溫度波動極大。例如,在 HVAC/R 應用中,所用的傳感器暴露在丁烷、丙烷、氨、CO2、乙二醇加水等製冷劑中,或一系列合成氫氟烴製冷劑中,例如 R134A、R407C、R410A、R448A、R32、R1234ze 或 R1234yf。此外,工業 HVAC/R 系統中的溫度橫跨 -40 至 +85°C 或以上的工業溫度範圍。

許多中低階的壓力傳感器都是由黃銅等合金製造,並使用 O 型環和黏著劑來密封感測器的電子裝置,隔絕接觸隔膜的液體和氣體。當與腐蝕性物質一起使用時,密封材料可能會出現缺陷並開始洩漏。這種洩漏一開始可能尚未察覺,導致讀數有誤和系統控制不良。最終,當電子裝置暴露在腐蝕性液體或氣體中時,將因洩漏而導致故障。

為了避免這些潛在的故障形式,設計人員可以使用 Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器。這些介質隔離式重型壓力傳感器不需使用內部 O 型環和黏性密封。傳感器由不鏽鋼製成,採用氣密式焊接設計,而非採用 O 型環密封。這種設計能讓 MIP 傳感器與多種介質相容,包括侵蝕性液體、水和氣體,溫度範圍為 -40 至 125°C,壓力範圍為 100 kPa 至 6 mPa (圖 6)。

Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器圖片圖 6:Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器由不鏽鋼製成,採用氣密式焊接設計,無需使用密封。這種設計能讓傳感器相容於多種介質,包括腐蝕性液體、水和氣體。(圖片來源:Honeywell)

MIP 系列使用 5 V 電源來運作,並在 0.5 至 4.5 V 直流電範圍內提供成比例的輸出。壓力不大於 1 MPa 時,壓力傳感器整個溫度範圍內的 TEB 為 ±1.0%,壓力大於 1 MPa 時為 0.75%。傳感器的準確度為 ±0.15% FSS (最適配直線 (BFSL)) (圖 7),響應時間為 1 ms,爆裂額定值超過 20 MPa。

Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器圖表圖 7:MIP 系列壓力傳感器使用 5 V 電源來運作,並在 0.5 至 4.5 V 直流電範圍內提供成比例的輸出。壓力不大於 1 MPa 時,壓力傳感器整個溫度範圍內的 TEB 為 ±1.0%,壓力大於 1 MPa 時為 0.75%。(圖片來源:Honeywell)

此外,當發生電氣故障時,此系列具有 ±40 V 直流過電壓保護和感測器輸出診斷功能 (表 1)。

Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器操作特性表表 1:MIP 系列壓力傳感器操作特性。(圖片來源:Honeywell)

HVAC 應用中的壓力傳感器

壓力傳感器在 HVAC 系統等應用中扮演著關鍵角色,能實現精確控制以獲得最大效率,又能同時降低能耗;例如工業製冷設備使用的 HVAC/R 循環 (圖 8)。

HVAC/R 循環的顯示圖圖 8:HVAC/R 循環的顯示圖。壓縮機和蒸發器出口處的重型壓力傳感器可用於監控製冷劑壓力,確保製冷劑相位達到最佳的變化,進而決定循環的效率。(圖片來源:Honeywell)

在壓縮機階段,來自蒸發器的低壓蒸汽被壓縮 (導致加熱),並泵入冷凝器。在冷凝器處,高溫蒸汽會將潛熱釋放到空氣中,然後凝結成熱液體。乾燥機隨後會去除製冷劑中的任何水分。然後,在計量裝置處,冷凝器的熱液體會被推送通過限流裝置,其能減小壓力,迫使製冷劑釋放熱量。接著,在蒸發器內部,此冷液體會吸收冷凝器迴流中的熱量,並轉變為蒸氣。蒸氣會繼續吸收熱量,直到抵達壓縮機進行重複循環。蒸發器中的冷空氣用於降低冷藏容器的溫度。

製冷循環能有效運作,是因為製冷劑從液體變成蒸氣、再變回原相時,會大量釋放或獲取潛在能量。為了高效且有效地運作,必須仔細監測和控制系統各部分中的壓力。在製冷劑從液體變成蒸氣/從蒸氣變成液相時,這種作法尤其重要。例如,在低壓下,製冷劑會在比原本更低的溫度下從液體變為氣體,並吸收潛在能量 (熱量)。在高壓下,製冷劑氣體會在比原本更高的溫度下從氣體變為液體,並釋放潛在能量 (熱量)。

透過監測壓縮機和蒸發器出口的壓力,可以設定壓縮機和計量裝置精確地控制循環中低壓和高壓部分的流量 (及相應壓力),進而控制製冷劑的相變溫度,以提升系統的最高效率。

結論

應變計壓力傳感器為工業製程中的壓力測量提供良好的解決方案,但是對於可能暴露在極端環境中的系統,設計人員需要注意使用 O 型環和黏著劑型號的侷限性。

Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器採用不鏽鋼製造材料和氣密式焊接設計,專門為可能暴露於極端情況的應用量身打造。此結構讓 MIP 感測器能與各種工業液體和氣體相容,確保其即使在較高的溫度和壓力下,也能有長久的使用壽命。此外,Honeywell 壓力傳感器還具備高精密度、快速反應時間、長期保持高穩定性及卓越的 EMI 抗擾性。

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