單晶硅智能差壓變送器

工作原理

單晶硅差壓變送器是20世紀80年代研制開發(fā)的新型差壓變送器,它利用單晶硅諧振傳感器,采用微電子表面加工技術,除了保證±0.2%的測量精度外,還可實現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對其影響.由于配備了低噪聲調(diào)制解調(diào)器和開放式通訊協(xié)議,目前的電容式差壓變送器可實現(xiàn)數(shù)字無損耗信號傳輸. 

1.結構及工作原理

壓力變送器主要有檢測部分和信號轉換及放大處理部分組成.

檢測部分由檢測膜片和兩側固定弧形板組成,檢測膜片在壓差的作用下可軸向移動,形成可移動電容極板,并和固定弧形板組成兩個可變電容器C1和C2,結構及電氣原理可見圖6-11.

檢測前,高、低壓室壓力平衡,P1 =P2；按結構要求,組成兩可變電容的固定弧形極板和檢測膜片對稱,極間距相等,C1 =C2.

當被測壓力P1和P2分別由導入管進入高、低壓室時,由于P1 >P2隔離膜片中心將發(fā)生位移,壓迫電解質(zhì)使高壓側容積變小.當電解質(zhì)為不可壓縮體時,其容積變化量將引起檢測膜片中心向低壓側位移,此位移量和隔離膜片中心位移量相等.根據(jù)電工學,當組成電容的兩極板極間距發(fā)生變化時,其電容量也將發(fā)生變化,即從C1=C2變?yōu)镃1≠C2.

由電氣原理圖可知,未發(fā)生位移時,I1=I2=0；ι1+ι2=ιc；發(fā)生位移后,由于相對極間距發(fā)生變化,各極板上的積聚電荷量也發(fā)生變化,形成電荷位移,此時反映出I1≠ I2,兩者之間將產(chǎn)生電流差,若檢測出其值大小以及和壓差的關系,即可求取流量.

2.變送電流與壓差的關系 ' 

設：未發(fā)生位移時,按電容定義：

式中 K——比例常數(shù)；

ε——介電常數(shù)；

S——弧形板決對面積；

d0-——弧形板和可動極板之間相對平均距離.

當發(fā)生位移Δd后,仍按電容定義有：單晶硅差壓變送器價格

由圖6-11可看出,在電動勢為e,角頻率為ω的高頻電源驅動下,其充放電流差為：

將C1和C2定義表達式帶入上式,有：

由推導結果可以得出,電流差和可動極板(檢測膜片)中心位移成正比,由于此位移和被測壓差成正比,所以電流差與被測壓差以及流量均成正比.

3.電容式差壓變送器的特點  單晶壓力變送器分析方法

電容式差壓變送器全由密封測量元件組成,可消除機械傳動所造成的瞬時沖擊和機械振動.另外高、低壓測量室按防爆要求整體鑄造而成,大大抑制了外應力、扭矩以及靜壓對測量準確度的影響.

單晶硅智能差壓變送器

*的靜壓特性 
差壓變送器在測量罐體液位或管道流量時，如果對靜壓影響不作校正或補償，將會給測量帶來較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對流量較小時，影響更巨大。例如一臺電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計，在32MPa工作靜壓條件下其滿量程靜壓誤差為≤±2%FS，雖然其零位誤差，可以通過調(diào)零來消除，但是滿位輸出誤差無法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測試，并且影響量較大。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)過補償，或其本身靜壓誤差極小，則其測量精度將會得到大幅提高。 

差壓變送器采用*的單晶硅芯片封裝工藝，封裝以后其內(nèi)腔和外腔達到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖，當有工作靜壓加載到測量硅片的正負腔時，工作靜壓通過硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負腔硅油平衡加載到測量硅片上，并實現(xiàn)了相互抵消，從而使得測量硅片對工作靜壓的彎曲變形極小。這樣處理大幅提升了差壓變送器的靜壓影響性能。 

而在微差壓變送器的應用場合，由于微差壓信號量過小，對于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的*的封裝設計和工藝仍不能全部消除或減弱靜壓影響量。因此針對此問題，YR-ER101的微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個可以測量工作靜壓的絕壓傳感器。此絕壓傳感器可以將測得的工作靜壓信號實時反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標軸自動修正微差壓輸出信號，從而達到靜壓補償?shù)墓δ?。通過*的封裝工藝以及加裝絕壓傳感器后，大幅提升了CY-ER101差壓變送器的工作靜壓性能，從而保證了差壓變送器的測量準確度和高穩(wěn)定性。 

2.6 *的膜片處理工藝 
相比于美國羅斯蒙特的金屬電容式傳感器、日本橫河的單晶硅傳感器、歐洲ABB的硅差壓傳感器等采用的隔離環(huán)膜片焊接方式，差壓傳感器采用了更為*的無隔離環(huán)的衛(wèi)生型膜片焊接方式。這種衛(wèi)生型膜片焊接方式使得焊縫光滑，無縫隙，*，可以滿足直接焊接多種材質(zhì)膜片，如 316L、哈氏C、鉭膜片、蒙乃爾膜片，由于沒有縫隙的存在還可以在接液面進行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設計方式和特殊的處理工藝使得差壓變送器的接液范圍大幅延伸和拓展，并且大幅提升了腐蝕場合差壓變送器的使用壽命。 

2.7 *的超高溫遠傳設計和實現(xiàn)
*，壓力、差壓變送器中的高溫遠傳膜盒在應用過程中，當介質(zhì)溫度超過350℃應用時存在著巨大的安全隱患，較為容易出現(xiàn)硅油氣化、數(shù)據(jù)失真或壽命下降等問題，這就要求應用現(xiàn)場的介質(zhì)有一定的工作靜壓從而形成背壓來保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠傳液位測量應用范圍受到了限制。從采用了超高溫介質(zhì)的測量技術，其介質(zhì)的可測量溫度達到了400℃。

此超高溫遠傳結構分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個腔體，兩個腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設一個散熱桿。和介質(zhì)直接接觸的超高溫充灌液可以承受400℃的介質(zhì)高溫，但是超高溫充灌液的粘度較高，不適合充入毛細管進行壓力傳遞。因此，通過中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應。而高溫熱量經(jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時溫度已大幅下降，可以保證普通高溫充灌液腔體的正常使用。這種方式拓寬了高溫遠傳變送器的應用范圍，并提高了超高溫遠傳變送器的可靠性和壽命。

2.8 實現(xiàn)性能指標和可靠性 
通過以上對系列產(chǎn)品技術的介紹和分析，筆者簡要地闡述了單晶硅高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器項目的實現(xiàn)過程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無應力封裝、回程誤差的消除、靜壓影響的減弱、量程比的放大、接液面的特殊處理工藝以及超高溫測量的拓展等多方面來提升高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的全性能、準確度等級和可靠性。通過以上多種途徑的技術引進和消化，并再加入新設計，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達到了*水平，其主要的技術優(yōu)勢表現(xiàn)為：
1）準確度等級達到0.05級，并取得計量器具制造許可證，達到了*水平； 
2）微差壓變送器采用*的雙過載保護膜片專有技術，可達±0.075%的高測量精度，大的工作靜壓達到16MPa，小的測量差壓為-50Pa~50Pa，先國內(nèi)外技術水平； 
3）差壓變送器*高工作靜壓可達40MPa，單向過載壓力*高可達40MPa； 
4）差壓傳感器內(nèi)部可選封裝絕壓傳感器，可用于現(xiàn)場工作靜壓的測量和顯示，也可應用于靜壓補償，使得單晶硅壓力變送器的靜壓性能很佳，使得典型規(guī)格的靜壓誤差優(yōu)為≤±0.05%/10MPa。同時，由于內(nèi)部絕壓傳感器的集成，保證了YR-ER100多參數(shù)變送器的成功研發(fā)，可廣泛用于氣體流量的測量領域，并*國內(nèi)gao端多參數(shù)變送器的空白。 
5）壓力、差壓傳感器內(nèi)部集成的高靈敏度溫度傳感器，使得變送器溫度性能上佳，尤為≤±0.04%/10K；
6）6kPa和40kPa微壓力量程表壓/絕壓變送器可選用*無傳壓損耗過載保護膜片專有技術，單向過壓*高達7MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領域的應用范圍；