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(jì)80年代研制開(kāi)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(shù),除了保證±0.2%的測(cè)量精度外,還可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對(duì)其影響.由于配備了低噪聲調(diào)制解調(diào)器和開(kāi)放式通訊協(xié)議,目前的電容式差壓變送器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字無(wú)損耗信號(hào)傳輸. 

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

壓力變送器主要有檢測(cè)部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大處理部分組成.

檢測(cè)部分由檢測(cè)膜片和兩側(cè)固定弧形板組成,檢測(cè)膜片在壓差的作用下可軸向移動(dòng),形成可移動(dòng)電容極板,并和固定弧形板組成兩個(gè)可變電容器C1和C2,結(jié)構(gòu)及電氣原理可見(jiàn)圖6-11.

檢測(cè)前,高、低壓室壓力平衡,P1 =P2；按結(jié)構(gòu)要求,組成兩可變電容的固定弧形極板和檢測(cè)膜片對(duì)稱,極間距相等,C1 =C2.

當(dāng)被測(cè)壓力P1和P2分別由導(dǎo)入管進(jìn)入高、低壓室時(shí),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(cè)容積變小.當(dāng)電解質(zhì)為不可壓縮體時(shí),其容積變化量將引起檢測(cè)膜片中心向低壓側(cè)位移,此位移量和隔離膜片中心位移量相等.根據(jù)電工學(xué),當(dāng)組成電容的兩極板極間距發(fā)生變化時(shí),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(shí),I1=I2=0；ι1+ι2=ιc；發(fā)生位移后,由于相對(duì)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(shí)反映出I1≠ I2,兩者之間將產(chǎn)生電流差,若檢測(cè)出其值大小以及和壓差的關(guān)系,即可求取流量.

2.變送電流與壓差的關(guān)系 ' 

設(shè)：未發(fā)生位移時(shí),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(duì)面積；

d0-——弧形板和可動(dòng)極板之間相對(duì)平均距離.

當(dāng)發(fā)生位移Δd后,仍按電容定義有：?jiǎn)尉Ч璨顗鹤兯推鲀r(jià)格

由圖6-11可看出,在電動(dòng)勢(shì)為e,角頻率為ω的高頻電源驅(qū)動(dòng)下,其充放電流差為：

將C1和C2定義表達(dá)式帶入上式,有：

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

3.電容式差壓變送器的特點(diǎn)  單晶壓力變送器分析方法

電容式差壓變送器全由密封測(cè)量元件組成,可消除機(jī)械傳動(dòng)所造成的瞬時(shí)沖擊和機(jī)械振動(dòng).另外高、低壓測(cè)量室按防爆要求整體鑄造而成,大大抑制了外應(yīng)力、扭矩以及靜壓對(duì)測(cè)量準(zhǔn)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(cè)量罐體液位或管道流量時(shí)，如果對(duì)靜壓影響不作校正或補(bǔ)償，將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，尤其是在液位范圍較小或相對(duì)流量較小時(shí)，影響更巨大。例如一臺(tái)電容式差壓變送器同節(jié)流裝置一起組成差壓式流量計(jì)，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(guò)調(diào)零來(lái)消除，但是滿位輸出誤差無(wú)法避免。因此此靜壓誤差直接影響流量的測(cè)試，并且影響量較大。在這種應(yīng)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(bǔ)償，或其本身靜壓誤差極小，則其測(cè)量精度將會(huì)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(dá)到壓力平衡。如圖6所示為單晶硅硅片的封裝示意圖，當(dāng)有工作靜壓加載到測(cè)量硅片的正負(fù)腔時(shí)，工作靜壓通過(guò)硅片外部的正腔硅油和硅片內(nèi)部的負(fù)腔硅油平衡加載到測(cè)量硅片上，并實(shí)現(xiàn)了相互抵消，從而使得測(cè)量硅片對(duì)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(yīng)用場(chǎng)合，由于微差壓信號(hào)量過(guò)小，對(duì)于靜壓影響造成的影響非常敏感，如上所述的*的封裝設(shè)計(jì)和工藝仍不能全部消除或減弱靜壓影響量。因此針對(duì)此問(wèn)題，YR-ER101的微差壓變送器在其傳感器的內(nèi)部集成了一個(gè)可以測(cè)量工作靜壓的絕壓傳感器。此絕壓傳感器可以將測(cè)得的工作靜壓信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給內(nèi)部的微處理器，微處理器利用此工作靜壓坐標(biāo)軸自動(dòng)修正微差壓輸出信號(hào)，從而達(dá)到靜壓補(bǔ)償?shù)墓δ?。通過(guò)*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(cè)量準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性。 

2.6 *的膜片處理工藝 
相比于美國(guó)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(wú)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(wú)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(méi)有縫隙的存在還可以在接液面進(jìn)行直接鍍金和噴涂PTFE等處理工藝。這種設(shè)計(jì)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(chǎng)合差壓變送器的使用壽命。 

2.7 *的超高溫遠(yuǎn)傳設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
*，壓力、差壓變送器中的高溫遠(yuǎn)傳膜盒在應(yīng)用過(guò)程中，當(dāng)介質(zhì)溫度超過(guò)350℃應(yīng)用時(shí)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(wèn)題，這就要求應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)有一定的工作靜壓從而形成背壓來(lái)保證膜盒的正常工作。這樣造成了壓力、差壓變送器的遠(yuǎn)傳液位測(cè)量應(yīng)用范圍受到了限制。從采用了超高溫介質(zhì)的測(cè)量技術(shù)，其介質(zhì)的可測(cè)量溫度達(dá)到了400℃。

此超高溫遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)分為超高溫充灌液和普通高溫充灌液兩個(gè)腔體，兩個(gè)腔體之間焊接隔離膜片，并在超高溫充灌腔體內(nèi)設(shè)一個(gè)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(xì)管進(jìn)行壓力傳遞。因此，通過(guò)中間隔離膜片和普通高溫充灌液腔體的壓力進(jìn)一步傳遞，可以保證壓力的有限傳遞和快速響應(yīng)。而高溫?zé)崃拷?jīng)散熱后傳遞到普通高溫充灌腔體時(shí)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(yuǎn)傳變送器的應(yīng)用范圍，并提高了超高溫遠(yuǎn)傳變送器的可靠性和壽命。

2.8 實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)和可靠性 
通過(guò)以上對(duì)系列產(chǎn)品技術(shù)的介紹和分析，筆者簡(jiǎn)要地闡述了單晶硅高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。制造廠商從單晶硅原理芯片的選擇、單晶硅硅片的無(wú)應(yīng)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(cè)量的拓展等多方面來(lái)提升高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器的全性能、準(zhǔn)確度等級(jí)和可靠性。通過(guò)以上多種途徑的技術(shù)引進(jìn)和消化，并再加入新設(shè)計(jì)，使得YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力、差壓變送器達(dá)到了*水平，其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：
1）準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，并取得計(jì)量器具制造許可證，達(dá)到了*水平； 
2）微差壓變送器采用*的雙過(guò)載保護(hù)膜片專有技術(shù)，可達(dá)±0.075%的高測(cè)量精度，大的工作靜壓達(dá)到16MPa，小的測(cè)量差壓為-50Pa~50Pa，先國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平； 
3）差壓變送器*高工作靜壓可達(dá)40MPa，單向過(guò)載壓力*高可達(dá)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(chǎng)工作靜壓的測(cè)量和顯示，也可應(yīng)用于靜壓補(bǔ)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(shí)，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(cè)量領(lǐng)域，并*了國(guó)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(wú)傳壓損耗過(guò)載保護(hù)膜片專有技術(shù)，單向過(guò)壓*高達(dá)7MPa，大幅拓寬了微壓力傳感器的特殊領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；