差壓變送器的靜壓影響
由于市場(chǎng)對差壓變送器測量準確度的要求不斷提高，導致差壓變送器的靜壓影響誤差越來(lái)越突出。從金屬電容式的結構特點(diǎn)分析出發(fā)，并結合一定的試驗，得出結論：金屬電容式差壓傳感器由于其本身的結構特點(diǎn)決定，其靜壓影響誤差不可消除或明顯減小。只有通過(guò)靜壓補償或采用硅差壓傳感器原理，才可實(shí)現較小的靜壓影響誤差。
1.引言
差壓變送器在線(xiàn)性校準時(shí)，通常是在負壓室通大氣的條件下進(jìn)行的。也就是說(shuō)靜壓為1個(gè)大氣壓，但是一旦安裝到現場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)，往往會(huì )在正負壓室加上一定的工作壓力，此時(shí)會(huì )發(fā)現零位產(chǎn)生了偏移，滿(mǎn)位輸出也出現一定的偏移（滿(mǎn)位偏移一般要通過(guò)與標準儀器比對讀出）。這種當加上工作靜壓，導致變送器的零位和滿(mǎn)位輸出與大氣校驗時(shí)的零位和滿(mǎn)位發(fā)生偏移的稱(chēng)為靜壓影響誤差。
2.靜壓影響對變送器性能的影響和現場(chǎng)舉例
差壓變送器的靜壓誤差直接影響到其綜合精度。差壓變送器的綜合精度（%）一般有3個(gè)因素組成，它們是精度（%）、環(huán)境溫度變化影響（%/30o）、靜壓變化影響（%/7MPa）。它們的計算公式為：
由此可見(jiàn)，靜壓誤差對差壓變送器的綜合精度來(lái)說(shuō)，是一個(gè)非常重要的因素。
這點(diǎn)，在各個(gè)實(shí)際的應用工況中也得到了實(shí)際印證。
比如，當差壓變送器應用到孔板流量檢測的現場(chǎng)應用的時(shí)候，在管道內部裝上孔板或噴嘴等節流件，由于節流件的孔徑小于管道內徑，當流體流經(jīng)節流件時(shí)，流束截面突然收縮，流速加快。經(jīng)節流件后，后端流體的靜壓力降低，于是在節流件前后產(chǎn)生了靜壓壓差，該靜壓壓差與流體的流量之間有確定的數值關(guān)系、符合Q=K。
用差壓變送器測量節流件前后的差壓，實(shí)現對流量的測量。見(jiàn)圖1所示：
圖1 差壓變送器現場(chǎng)壓力連接圖
當應用在電廠(chǎng)測高壓蒸汽流量時(shí)，如果對靜壓影響不作校正或補償，將會(huì )給流量測量帶來(lái)較大誤差，尤其是在相對流量較小時(shí)，影響更可觀(guān)。例如一臺金屬電容差壓變送器型差壓變送器同節流裝置一起組成差壓式流量計，在32MPa工作靜壓條件下其滿(mǎn)量程靜壓誤差為≤±2％FS ，雖然其零位誤差，可以通過(guò)調零來(lái)消除，但是滿(mǎn)位輸出誤差總是無(wú)法避免的，因此此誤差直接影響流量的測試，并且影響量很大。在這種應用工況下，差壓變送器的靜壓性能顯得尤為重要，如果靜壓誤差經(jīng)過(guò)補償，或其本身靜壓誤差*小，則其測量精度將會(huì )得到大幅提高。
3.金屬電容傳感器靜壓影響產(chǎn)生的原因
金屬電容式傳感器是一種結構型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結構特點(diǎn)有關(guān)。
工作原理介紹：
介質(zhì)壓力通過(guò)隔離膜片和硅油傳遞給位于“δ”室中心的測量膜片，測量膜片隨它兩邊的差壓而變形。測量膜片的位移，與差壓成正比，*大位移為0.1mm。由它兩側的電容*板檢測，再經(jīng)電子轉換線(xiàn)路把測量膜片和電容*板之間的差動(dòng)電容轉換為二線(xiàn)制4～20mADC輸出信號。
3.1靜壓影響產(chǎn)生的原因一
從圖2、圖3可以看出金屬電容式是兩邊受壓，壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內部中心膜片上。
從圖4金屬電容式傳感器簡(jiǎn)化后的應力分布圖和撓度變化圖上可以看出，傳感器內部的壓力從中心向四周方向分布， X方向的應力得到全部抵消，但是Y方向的應力q全部加在了傳感器的外殼上。由于結構尺寸的原因，越靠近中心，結構越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處，結構強度*為薄弱。在高壓靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)*大的撓度f(wàn)。結果就是，在高靜壓下中心隔離膜片向外的漲緊力增加，膜片的繃緊程度相對工作靜壓為零時(shí)，得到加強。并且工作靜壓越大，其繃緊的程度越大。
在繃緊力增加的狀況下，中心膜片隨差壓的位移就會(huì )變小，再經(jīng)電子轉換線(xiàn)路把測量膜片和電容*板之間的差動(dòng)電容轉換為二線(xiàn)制4～20mADC輸出的信號也同樣變小。*終導致測量誤差的產(chǎn)生，靜壓影響誤差的出現，并且靜壓影響絕對誤差與所加的工作靜壓有一定的線(xiàn)性關(guān)系，工作靜壓越大，其量程的靜壓誤差就越大。
至于零位的靜壓誤差，則表現為方向不確定，這主要與焊接應力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規律性。
3.2 靜壓影響產(chǎn)生的原因二
從圖5可以看出，當對傳感器兩側施加靜壓時(shí)，金屬電容式的兩側曲面座同時(shí)受壓。而曲面坐由金屬和玻璃組成，在外力作用下，會(huì )產(chǎn)生微小變形。因此其兩側曲面坐的厚度L1和L2隨著(zhù)靜壓力P的增大而線(xiàn)性縮小。從而，導致兩側電容*板的*距H1和H2增大。
根據電容的定義，對于平行板電容器的電容為：
從以上靜壓影響產(chǎn)生的兩個(gè)原因分析，金屬電容傳感器在工作靜壓的影響下，不可避免地會(huì )產(chǎn)生測量漂移誤差，對于滿(mǎn)位的漂移和工作靜壓存在一定的線(xiàn)性關(guān)系，對于零位的漂移則具有方向不確定性。
4.硅傳感器靜壓影響分析
金屬電容式傳感器是一種結構型傳感器，它的靜壓影響尤其突出。這與其本身的結構特點(diǎn)有關(guān)。
研發(fā)的硅傳感器采用整體封裝，周?chē)幻芊夤栌桶鼑?，其敏感元件四周均受力，受靜壓影響力非常小。
工作原理介紹：
硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴散到N型硅片上，形成*薄的導電P型層，焊上引線(xiàn)即成“硅應變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應惠斯登電橋。它和彈性元件（即其N(xiāo)型硅基底）結合在一起。介質(zhì)壓力通過(guò)密封硅油傳到硅膜片的正腔側，與作用在負腔側硅油形成壓差，它們共同作用的結果使膜片的一側壓縮，另一側拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對應的信號?；菟沟请姌虻妮敵鲂盘栯娐诽幚砗?，即產(chǎn)生與壓力變化成線(xiàn)性關(guān)系的4-20mmADC標準信號輸出。
從圖6.1硅傳感器的結構示意圖上可以看出，硅傳感器完全被硅油包容，從圖6.2硅傳感器在工作靜壓下的受應力分布圖上可以看出，硅傳感器內外各個(gè)方向的應力得到了有效抵消。只有在基礎硅片和導油管的環(huán)裝連接膠處，當有工作靜壓時(shí)存在一個(gè)將連接膠壓緊的應力。這個(gè)應力基本影響不到測量硅片，所以硅傳感器的設計結構受工作靜壓的影響較小，比較適合應用于高靜壓測量場(chǎng)合。
5.金屬電容傳感器的靜壓影響數據與結果分析
5.1 測量方法
圖7中T1為基準差壓變送器，T2為被測差壓變送器，S1為負腔可調儲氣氣缸，S2為正腔儲氣氣缸。
工作原理：高壓氣源（7MPa）將高壓氮氣同時(shí)加到T1、T2變送器上，然后關(guān)閉三閥組的平衡閥，通過(guò)微動(dòng)調解S1的氣缸活塞，可獲得變送器的量程輸出。將被測變送器和基準變送器的數據進(jìn)行比較，即可推算被測變送器的在此高壓靜壓（7MPa）下的量程靜壓影響誤差。
5.2 測量數據
本試驗中，基準差壓變送器采用研發(fā)的硅差壓變送器（經(jīng)過(guò)靜壓補償），被測差壓變送器采用金屬電容差壓變送器DP型電容式差壓變送器。滿(mǎn)量程均為40kPa，工作靜壓為7MPa。試驗前，所有的變送器均經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補償，其基本誤差符合±0.075%的要求。
從表1中可以看出：
A． 在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的零位輸出沒(méi)有規律性，與OMPa靜壓下的零位輸出比較，其中部分數據變小，部分數據變大。
B． 在7MPa工作靜壓下，電容式差壓變送器的壓差線(xiàn)性輸出全部偏小，壓差值越大則偏差越大。即滿(mǎn)量程輸出偏差*大，平均滿(mǎn)量程靜壓偏差達-0.020V，即-0.5%。
表1：硅差壓變送器和金屬電容差壓變送器同量程（40kPa）7MPa工作靜壓下的電壓輸出值記錄
6.結束語(yǔ)
分析以上列舉的試驗數據，并根據文中對不同傳感器對靜壓影響量的闡述，可知金屬電容式差壓變送器由于其本身結構上的原因，導致其輸出在靜壓工作下發(fā)生較大的偏移。從產(chǎn)品設計的角度出發(fā)，為了降低或消除這種偏差，可以通過(guò)以下兩個(gè)方案實(shí)施：
a) 敏感元件采用壓力傳導介質(zhì)全包結構設計，如上文提到的采用硅傳感器，它能有效地降低或消除靜壓影響；
b) 采用軟件靜壓補償原理：
*先，在傳感器內部額外設置靜壓傳感器，用以測試工作靜壓；
然后，使用專(zhuān)用設備對每種量程的差壓傳感器進(jìn)行多次重復的靜壓誤差測試，積累到一定的數據后，采用軟件的方法建立靜壓偏移數學(xué)模型；
*后，將靜壓偏移數學(xué)模型下載到每臺差壓變送器中。
這樣當經(jīng)過(guò)靜壓補償后的差壓變送器，在現場(chǎng)應用時(shí)，將根據不同的工作靜壓，自動(dòng)修正量程輸出偏差，達到消減靜壓影響的目的。
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