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壓力變送器的種類及校驗方法

摘要：介紹了廣泛地應用于工業自動化控制領域常用壓力變送器的工作原理和特點，給出了一種變送器輸出電流測量誤差的校準方法，并對校準結果進行了不確定度分析評定。

1常用壓力變送器的工作原理和特點

常用的壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測量電路和過程連接件3部分組成。它能將測壓元件感受到的氣體、液體等物理壓力參數轉變成標準的電信號，以供給二次儀表進行測量、指示和過程調節，常用壓力變送器的主要區別，在其壓力傳感器的測量原理不同。

1.1壓阻式壓力變送器

壓阻式壓力變送器的主要組成部分之一是電阻應變片（原理見圖1所示）。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片2種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片2種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使其的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化，在通過變送電路對壓力物理量進行測量，并轉換成統一的標準信號。

1.2陶瓷壓力變送器

陶瓷壓力變送器沒有液體的傳遞，當壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面時，膜片會產生微小的形變，使印刷在陶瓷膜片的背面厚膜電阻連接的惠斯通電橋（閉橋），產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的直流電壓信號，在通過變送電路對壓力物理量進行測量，并轉換成統一的標準電信號。這種變送器在生產工藝過程中可將各種介質包括腐蝕性和非腐蝕性的氣體、液體直接引入到陶瓷膜片上，無需進行復雜的隔離技術，因此，價格低廉，陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍可達－４0℃～135℃，因此，具有測量準確度高、長期穩定性好的特點。

1.3擴散硅壓力變送器

擴散硅壓力變送器問世于20世紀90年代中期，它是利用單晶硅的壓阻效應，以單晶硅為基體，按特定晶向，用先進的微機械加工技術形成彈性元件，在其適當位置用集成電路工藝形成４個等值應變電阻，組成惠斯登電橋，對電橋施加一恒下電壓（電流），當有壓力（差壓）作用到彈性元件時，使輸出與對應于所加壓力成比例的電壓信號，再通過變送電路對壓力物理量進行測量，并轉換成統一的標準信號（原理見圖2所示）。擴散硅式壓力變送器與傳統產品相比具有技術先進、性能可靠、安裝方便、準確度高、體積小等優點。

1.４藍寶石壓力變送器

用藍寶石半導體敏感元件制造的壓力變送器也是利用應變電阻式工作原理，由于藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；有著非常好的彈性和絕緣特性（1000℃以內），利用藍寶石制造的半導體敏感元件對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下也有著很好的工作特性可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高，具有無與倫比的計量特性。

1.5壓電壓力變送器

壓電壓力變送器的工作原理是壓電效應，它是利用電氣元件和其他機械，把待測的壓力轉換成為電量，傳感器中主要使用的壓電材料有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺等幾種（原理見圖3）。該種變送器，具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等特點，但它不能用于靜態測量，只能夠測量動態的應力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。因為測量動態壓力非常普遍，所以壓電式壓力變送器的應用也非常廣泛。

1.6電容式壓力變送器

  電容式壓力變送器誕生至今已有20多年歷史了，它的精度高，耐腐蝕，耐污染，穩定性好，是國內外公認的檢測低真空壓力的理想儀表。電容式壓力變送器，是由測量膜片與兩側絕緣片上的電極組成一個電容器（見圖４）。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生的位移量和壓力差成正比，故兩側電容量就不等，通過振蕩和解調電路，轉換成與壓力成正比的電信號，再通過變送電路對壓力物理量進行測量，并轉換成統一的標準信號，它的應用涉及民用工業的各個領域，并在航天工業、核工業等軍事工業中發揮著獨特的作用。

2示值誤差測量結果不確定度評定

2.1校準方法

在環境溫度（20±5）℃，每10ｍｉｎ變化≥1℃；相對濕度：４5％～75％的條件下；由0.05級活塞式壓力計直接對被測壓力變送器輸出需要校準點的標準壓力值，由直流數字電流表，對壓力變送器輸出電流的實際值進行測量，并與標準壓力值換算成的電流值進行比較，給出校準點的測量不確定度。

2.2測量對象

2.2.1被測儀器型號、技術指標

ＢＬ－Ｙ型壓力變送器，測量范圍：（0～6）Mpa；準確度等級：0.2％ＦＳ；輸出電流：（４～20）mA。

2.2.2被測儀器校準點

壓力變送器在標準壓力值3.0000Mpa時，輸出電流的實際值的測量不確定度。

2.3數學模型及評定依據

2.3.1示值誤差測量結果不確定度評定依據

ＪＪＧ８８2－200４《壓力變送器》

ＪＪＦ1059－1999《測量不確定度評定與表示》

2.3.2數學模型

壓力變送器示值誤差的數學模型為：

ΔＩ＝Ｉｘ－Ｉｎ

式中：

△     Ｉ—壓力變送器的輸出電流誤差：mA；

△     Ｉｘ—壓力變送器的輸出電流測量值：mA；

△     Ｉｎ—壓力變送器理論輸出值：mA；

2.４不確定度來源

輸入量Ｉｘ引起的標準不確定度分量U（Ｉｘ），主要來源于被測壓力變送器的輸出值重復性U（Ｉｘ1），按Ａ類評定，和測量其輸出電流值的直流數字電流表的系統誤差U（Ｉｘ2）決定，按Ｂ類評定。輸入量Ｉｎ引起的標準不確定度分量U（Ｉｎ），主要來源于0.05級活塞式壓力計準確度引入的不確定度，按Ｂ類評定。

2.４.1不確定度U（Ｉｘ1）的評定

為了獲得重復性測量的不確定度，對被測壓力變送器校準點進行測量，固定標準器壓力值，讀取數字電流表顯示示值，分別以正行程、反行程各測量3次，得到6次的測量數據見表1。

取6次的算術平均值作為測量結果，壓力變送器設定點的重復測量6次，標準差ｓ用極差法確定，Ｒ用6次測量結果中最大值δmAｘ（12.0102）減最小值δｍｉｎ（12.0073）確定。

Ｒ＝ΔδmAｘ＋Δδｍｉｎ＝12.0073－12.0102＝0.0029mA

查表得：當ｎ＝6時，Ｃ＝2.53

Ｓ＝Ｒ／Ｃ＝0.0029mA／2.53＝0.0012mA

取6次測量誤差的平均值作為測量結果，所以，重復性引入的標準不確定度為：

2.４.2不確定度U（Ｉ_ｘ2）的評定

由直流數字電流表校準證書得直流電流表的測量顯示值不確定度為：U_ｒｅｌ＝7.1×10^－5，ｋ＝2可直接使用，所以，標準不確定度為：

2.４.3合成標準不確定度U（Ｉ_ｘ）的計算

因壓力變送器輸出電流的實際值進行測量的各不確定度分量數量較少且相關，所以，直接采用絕對值合成標準不確定度為：

U（Ｉ_ｘ）＝|U（Ｉ_ｎ）|＋|U（Ｉ_ｘ1）|＋|U（Ｉ_ｘ2）|＝0.001４mA

2.４.４不確定度U（Ｉｎ）的評定

0.05級活塞式壓力計由檢定證書得出其在滿量程6.0Mpa時，最大允許誤差為±0.003Mpa，即不確定度區間半寬值：α＝±0.003Mpa，換算成標準電流得：α＝±0.010mA，認為在區間是均勻分布的，所以，ｋ＝，標準不確定度為：

2.5合成標準不確定度

2.5.1

2.5.2合成標準不確定度的計算

因各不確定度分量彼此獨立，互不相關，所以，合成標準不確定度為：

2.5.3擴展不確定度U的評定與表述

用日常校準相一致的方法，取置信概率：ｐ＝95％（ｋ＝2）的擴展不確定度表示標準壓力值3.0000Mpa時ＢＬ－Ｙ203型壓力變送器輸出電流的實際值及其測量不確定度表述如下：

U＝ｋ×Uｃ＝0.0060×2＝0.012mA

即，標準壓力值：3.0000Mpa；ＢＬ－Ｙ203型壓力變送器輸出電流的實際值為12.009mA時：

U＝0.012mA；ｋ＝2

3示值校準方法擴展與不確定度的使用

標準壓力為：3.0000Mpa時，壓力變送器輸出電流的實際值為：12.009mA的測量結果擴展不確定度為0.012mA，小于其最大允許誤差絕對值（20mA×0.2％ＦＳ＝0.0４mA）的1／3，因此，本次測量選擇的標準器合適，測量方法和過程可靠，對于其他測量點可直接按上述方法進行測量并進行測量不確定度評定。

４結束語

  筆者介紹了常用壓力變送器的工作原理和特點，并結合多年的檢測經驗和數據積累，給出了一種壓力變送器的電流輸出值，校準結果的不確定度評價方法，希望能對從事壓力變送器檢定／校準工作的同志們有所借鑒和幫助。