鈦-硅藍(lán)寶石式壓力傳感器溫度誤差的整定

1、鈦-硅藍(lán)寶石式壓力傳感器溫度誤差的整定V.Stuchebnikov采用溫度誤差來確定測量誤差，是機(jī)械量傳感器的重要特性之一。所以，這一數(shù)值總是屬于此類傳感器的重要參數(shù)之一。絕大多數(shù)制造商采用線性溫度系數(shù)，即以百分?jǐn)?shù)表示的傳感器在1或10攝氏度（在英語國家用華氏溫度表示）下輸出信號的變化范圍，對溫度誤差進(jìn)行整定。并且，可用任何標(biāo)識來表示溫度誤差，比如，通常表示為+ %/（或+ %/10）。在國際電工委員會的正式文件中，也建議采用這種方式來整定溫度誤差（見圖1），緊隨其后的是俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)（見圖2）。 本文主要探討采用此種方法對機(jī)械量傳感器的溫度誤差進(jìn)行整定的缺點(diǎn)。這種缺點(diǎn)在半導(dǎo)體式應(yīng)變電阻傳感器

2、上表現(xiàn)得尤為明顯?，F(xiàn)在被廣為使用的壓力、力矩和運(yùn)動參數(shù)等傳感器中，采用半導(dǎo)體式應(yīng)變電阻原理的占了絕大多數(shù)。我們以在俄羅斯使用最為廣泛的異質(zhì)外延式“硅藍(lán)寶石”結(jié)構(gòu)的應(yīng)變電阻式壓力傳感器為例見圖3和4，來做具體說明。顯而易見，首先，只有在傳感器輸出信號與溫度之間的關(guān)系呈線性時，所給出的整定方法才有意義。但是，只有帶有金屬式應(yīng)變電阻和/或工作在溫度范圍很窄的傳感器，其輸出信號的溫度曲線才可接近符合精度要求的線性。對于半導(dǎo)體來說，與溫度相關(guān)的參數(shù)的非線性特征非常明顯。而半導(dǎo)體式應(yīng)變電阻傳感器的輸出信號，通常來說，與溫度呈非常明顯的非線性特征，尤其是在很寬的溫度范圍下。.其次，所給出的整定方法誤導(dǎo)了用戶

3、，導(dǎo)致他們將實(shí)際誤差擴(kuò)大一倍。因?yàn)槿绻麄鞲衅鬏敵鲂盘柕臏囟惹€呈線性，則這一曲線的斜率必然帶有特定的標(biāo)識，也就是說，該信號或者隨溫度衰減，或者隨溫度增加。采用%/的方法，并給出一定的范圍及標(biāo)識，對溫度誤差進(jìn)行整定，用戶可以在某個特定的溫度范圍內(nèi)，對壓力誤差進(jìn)行實(shí)際評價(jià)并計(jì)算出測量誤差；但是，如果標(biāo)識不確定，則測量的不確定性也隨之大幅增長。圖1對上述所言進(jìn)行了解釋。圖1中的1a表示的是，當(dāng)溫度增加時，被測壓力（與傳感器的輸出信號成正比）線性下降。此時，在已知溫度T測下，用戶可以計(jì)算出溫度誤差，并將傳感器的被測壓力P測換算為實(shí)際壓力Pn。Pn是在“正?！保ㄊ覝兀囟萒n下根據(jù)下式計(jì)算出來的：n =

4、 測 g*(測 n)， (1)其中，g為()的曲線斜率（g < 0）。當(dāng)然，在這種情況下，至少還保留了用來計(jì)算傳感器基本誤差的實(shí)際壓力的不確定性（圖1a中兩條直虛線內(nèi)部的帶狀部分）。如果溫度誤差的標(biāo)識不確定的話（圖1b），則完全是另外一種情況。此時，即使測量溫度已知，就是在不考慮傳感器基本誤差的情況下，也形成了被測壓力的不確定性 = (n1 n2)。 當(dāng)然，如果測量溫度未知，知道的僅是該溫度大約處于溫度的工作間隔區(qū)域（Tmax-Tmin）內(nèi)，則壓力測量的不確定性結(jié)果為： = (2 1) = |g|*(max min)(2)之所以在曲線之外，原因就在于是否知道斜率系數(shù)的標(biāo)識為直線()。讓我

5、們看一下應(yīng)變傳感器輸出信號的非線性溫度曲線的情況。比如，基于硅藍(lán)寶石原理的壓力傳感器，是用非熱敏電阻電路對溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模▓D5），輸出信號與溫度之間的關(guān)系呈拋物線型。擴(kuò)散硅或值入式應(yīng)變電阻式傳感器也具有類似的曲線。相應(yīng)的，如果不在電路上采取專門的措施（比如智能電路）進(jìn)行補(bǔ)充修正的話，則使用此類傳感器所測得的壓力（與輸出信號成正比）與溫度之間也必然呈非線性關(guān)系（圖2）。在這種情況下，按照標(biāo)準(zhǔn)文件的規(guī)定（注1、2），如果要采用線性系數(shù)對溫度誤差進(jìn)行整定，必須要給出相對于拋物線的斜率+max的最大絕對值（圖2中的細(xì)直線）。也就是說，在工作溫度范圍Tmax.Tmin之間的總的溫度整定誤差，是按照下

6、式確定的（2）：n = (2 1) = |gmax|*(max min).(3)顯而易見，所得到的誤差值大大超過了實(shí)際總溫度誤差（見圖2）實(shí)際 = (n min).(4) 由此可以看出，在傳感器輸出信號的溫度曲線呈非線性的情況下，采用測量線性溫度系數(shù)的方式對溫度誤差進(jìn)行整定是沒有意義的，因?yàn)樵诠ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)線性溫度系數(shù)既有量的變化，也有標(biāo)識的變化（其中包括通過零點(diǎn)）。而根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定（注1、2），在使用說明書（合格證）中必須注明的最大值（絕對值）。正是由于這種原因，在MIDA-13P系列變送器中，作為對補(bǔ)充溫度誤差進(jìn)行整定的措施，在實(shí)際工作溫度范圍實(shí)際內(nèi)對溫度誤差區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償。這一溫度范圍在變送

7、器的合格證中也被列出。MIDA-13P系列變送器的溫度誤差范圍統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)請見注6。必須指出，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會完全認(rèn)可這種方法，并且所有MIDA產(chǎn)品的正式文件都已被俄羅斯聯(lián)邦國家登記委員會承認(rèn)。通過對溫度誤差區(qū)域進(jìn)行測量，從而得出溫度誤差的方法（與線性溫度系數(shù)一起），也被一些國家的標(biāo)準(zhǔn)所允許（注7-9）。必須還要提到以下幾點(diǎn)。首先，輸出信號的溫度曲線近似于拋物線的變送器（MIDA系列變送器正是如此），當(dāng)在“正?！睖囟萒n下進(jìn)行標(biāo)定并確定其基本誤差時，溫度誤差區(qū)域達(dá)到最小，處于工作溫度范圍（即對輸出信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆秶┑闹虚g段。在MIDA-13P變送器中，是自動完成的（工作溫度范圍為-40 -

8、+800C，在20+5 之間進(jìn)行溫度補(bǔ)償，見圖3）。在高溫系列變送器MIDA-12P中，被測介質(zhì)的溫度有可能達(dá)到3500C，情況更復(fù)雜一些，下面會詳細(xì)闡述。其次，如果縮短工作溫度范圍，且溫度曲線也呈線性，則總的溫度誤差也會線性降低。但在拋物線關(guān)系下，這一誤差會平方根式降低，比如，在對稱縮短工作溫度范圍一半的情況下（比如，從-40+80 降低到 -10+50 ），溫度誤差范圍會減少四分之三。這樣，就可以在不使用復(fù)雜電路的前提下，制造出在某一限定溫度段內(nèi)工作的高精度變送器。在0-400C的溫度范圍內(nèi)，采用電阻式溫補(bǔ)電路的MIDA-13P系列溫度變送器，其典型溫度誤差區(qū)域不超過0.2%（圖3）。第三

9、，如果用來確定變送器基本誤差的“正?！睖囟龋ㄍǔ槭覝兀?，不處于溫度補(bǔ)償?shù)闹行狞c(diǎn)，則忽略測量誤差的溫度關(guān)系非線性會導(dǎo)致補(bǔ)充溫度誤差值的不正確體現(xiàn)。圖4表現(xiàn)了在-40+120 之間對壓力變送器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)那闆r。從圖上可以看出，如果在室溫下(20 )以及在溫度范圍內(nèi)的極限溫度點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測量，確定補(bǔ)充溫度誤差的話，則在低溫度區(qū)域按絕對值計(jì)算的溫度誤差線性系數(shù)，大大高于高溫度區(qū)域（圖4中的直虛線），雖然誤差的實(shí)際溫度曲線對稱分布于溫度補(bǔ)償區(qū)域的中心點(diǎn)。同樣，也無法保證在中心點(diǎn)不吻合的情況下，在兩個溫度范圍內(nèi)，同時使溫度測量誤差達(dá)到最低化。因?yàn)槿绻钚囟日`差是在溫度補(bǔ)償區(qū)域的中心點(diǎn)的話，那么，在偏離

10、中心點(diǎn)的那段溫度范圍內(nèi)的溫度誤差，必然總是要比在該溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行溫補(bǔ)高一些，鑒于以上所述，更加證明，采用線性溫度系數(shù)對高溫壓力變送器進(jìn)行溫度誤差整定是不合適的（僅就它們的輸出信號的實(shí)際溫度曲線無法用線性法則來描述而言）。另外，在對高溫壓力變送器進(jìn)行溫度補(bǔ)償和補(bǔ)充誤差整定時，還有一個問題。眾所周知，在高溫流程（300或4000C以內(nèi)）下測量液體或氣體介質(zhì)的壓力，是在由工藝技術(shù)所決定的某一特定溫度T特定下實(shí)現(xiàn)的。顯然，如果在T特定溫度下對變送器進(jìn)行標(biāo)定（確定基本測量誤差），并在T特定附近的幾個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，則此時測量誤差肯定為最小。以后的定期檢定也最好要在T特定溫度下進(jìn)行。但是，無論是在

11、用戶處，還是在國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會的實(shí)驗(yàn)室里，都幾乎無法這樣做。而如果在室溫下對高溫變送器進(jìn)行標(biāo)定，則其在工作溫度下的誤差會大幅度升高。MIDA工業(yè)集團(tuán)為測量高溫介質(zhì)所提供的解決方法（MIDA-12P），已通過俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會的認(rèn)證（圖6）。該方法的核心是：在與用戶處的工作溫度T特定近似的某個“正常”溫度Tn下對變送器進(jìn)行標(biāo)定（Tn的標(biāo)準(zhǔn)值為50、100、150、200、250和3000C），在Tn附近的10000C的溫度間隔內(nèi)補(bǔ)充溫度誤差范圍不會超過2-4%。如果溫度間隔變小，溫度誤差也會大幅下降。并且，在溫度補(bǔ)償范圍外，輸出信號的變化非常大（對于基于硅藍(lán)寶石原理的變送器來說，符合典型

12、的拋物線形狀）。同時，還要在室溫Tk下，確定與零壓力和最大壓力相對應(yīng)的輸出信號值。將I (=0) 和 I (=max) 的值記錄到合格證中，并在以后的定期檢定中使用這些原始數(shù)值。如果變送器初始輸出信號的溫度曲線是如此之大，導(dǎo)致在室溫下輸出信號已經(jīng)“即將處于截止?fàn)顟B(tài)”（圖7），則在室溫下向變送器發(fā)送不大的壓力Po，以便使輸出信號足夠高于電路部分的工作區(qū)域。此時，確定壓力值P=Po和與之相應(yīng)的輸出信號I=Ipk，并將這些值記錄到合格證中。同時在合格證中給出準(zhǔn)確的室溫Tk值。在室溫Tk下進(jìn)行定期檢定時（室溫的變化不要超過1-20C），在必要的情況下，可借助于“零點(diǎn)”和“范圍”調(diào)節(jié)按鈕設(shè)置合格證上的I

13、ok（或Ipk）以及Imk值。檢查變送器的非線性和偏差，如果與合格證上登記的數(shù)據(jù)相符，則可以用來測量高溫介質(zhì)的壓力，其精度由基本誤差量規(guī)定（當(dāng)Tn與T特定接近時），或者不超出溫度誤差范圍的寬度(當(dāng) 特定 n-50 , n+50 時)。這是因?yàn)楸ＷCMIDA系列變送器的溫度補(bǔ)償誤差，是由位于電路中并遠(yuǎn)離高溫被測介質(zhì)的不受溫度影響的電阻來保證的（注5）。最后應(yīng)該指出，根據(jù)用戶的意愿，在合格證中還可以注明在室溫下和溫度補(bǔ)償范圍極限點(diǎn)測得的變送器輸出信號在零壓力和最大壓力下的具體數(shù)值，從而使用戶在被測介質(zhì)溫度已知的前提下，可以考慮到壓力測量的補(bǔ)充溫度誤差，并極大的提高測量精度。綜上所述，對于在很寬的溫度

14、范圍內(nèi)工作的機(jī)械量式應(yīng)變電阻傳感器來說，如采用線性溫度系數(shù)對補(bǔ)充溫度誤差進(jìn)行整定，會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)非常大的失真。正確的做法應(yīng)是在傳感器的溫度補(bǔ)償間隔內(nèi)對溫度誤差進(jìn)行整定。這對于輸出信號的溫度曲線為非線性的半導(dǎo)體式應(yīng)變電阻傳感器來說，尤為重要。參考文獻(xiàn)1. 評價(jià)在工業(yè)流程控制系統(tǒng)中使用的測量傳感器的工作特性的方法。國際電工委員會 770號通告2. 模擬電信號輸出的壓力、負(fù)壓和差壓傳感器 總技術(shù)條件 GOST 22520-85 （CT CEV 4124-83）3. 斯圖切布尼科夫 V.M.?；诋愘|(zhì)外延結(jié)構(gòu)的“硅藍(lán)寶石”式應(yīng)變電阻傳感器。測量、控制、自動化 1982年合訂本 4(44)，15-2

15、6頁4. 布舍夫E.E.，尼古拉伊秋克 O.L.，斯圖切布尼科夫 V.M.。MIDA系列智能壓力變送器。系統(tǒng)和傳感器 2002年第1期， 21-27頁。5. 馬爾特諾夫 D.B.，斯圖切布尼科夫 V.M.。“硅藍(lán)寶石”式應(yīng)變壓力傳感器的溫度修正。系統(tǒng)和傳感器 2002年第10期， 6-12頁。6. 布舍夫E.E.，尼古拉伊秋克 O.L.，斯圖切布尼科夫 V.M.。MIDA-13P系列通用壓力變送器。系統(tǒng)和傳感器 2004年7. Specifications and Test for Strain Gage Pressure Transducers. Standard ISA-S37/3-197

16、5 (R 1982).8. Process Instrumentation Terminology. Standard ISA-S51.19. Druckaufnehmer, Druckmessumformer, Druckmessgerate. Begriffe, Angaben in Datenblattern. DIN 16086.作者簡介斯圖切布尼科夫 弗拉基米爾 米哈伊洛維奇，技術(shù)學(xué)博士，教授，俄羅斯聯(lián)邦計(jì)量科學(xué)院院士，MIDA工業(yè)集團(tuán)總裁 2maxn1測minn測量 )測2n測n1maxminn21 b)圖1. 在變送器輸出信號與溫度之間為線性關(guān)系時的溫度誤差。（a）表示線性溫度系

17、數(shù)為負(fù)標(biāo)識。（b）表示線性溫度系數(shù)為不確定標(biāo)識。nmaxmin實(shí)際n2nmin1圖2. 輸出信號溫度曲線為非線性的壓力變送器的溫度誤差范圍的確定：實(shí)際-溫度誤差的實(shí)際范圍；n 當(dāng)采用溫度曲線的線性系數(shù)對溫度誤差進(jìn)行整定時的額定溫度誤差范圍。n圖3. MIDA-13P系列壓力變送器在1200C溫度范圍內(nèi)（-40+80 ），進(jìn)行壓力測量時的補(bǔ)充溫度誤差的典型溫度曲線圖。“額定溫度”Tn=(20+5) 。在溫度間隔不同，但寬度相同（比如（200320 ）的條件下進(jìn)行溫度補(bǔ)償時，誤差的溫度曲線具有類似的形狀（但此時用來換算的“額定”溫度一定應(yīng)為Tn=（260+5 ）。圖4. 如果不在溫度補(bǔ)償間隔（Tn

18、）的中間段和極限點(diǎn)，而是在Tk（室溫）條件下確定變送器的溫度誤差，那么，首先，在“正”向和“負(fù)”向上的溫度誤差中會產(chǎn)生虛假差異；其次，溫度誤差范圍與真實(shí)范圍相比，會發(fā)生降低。圖5. 在-40+120 區(qū)間補(bǔ)償過的MIDA-13P系列壓力變送器的溫度誤差曲線圖。在0+50 間隔內(nèi)，溫度誤差范圍為1= 0.75%；在-40+120 間隔內(nèi)，溫度誤差范圍為2= 3.00%。圖5b. 同一個溫度變送器，但在-40+90 溫度間隔內(nèi)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償后的溫度誤差。此時，相應(yīng)的溫度誤差范圍為1= 0.30% (降低了2.5倍)，而2= 4.27% (增加了不到1.5 倍)。圖6. 測量高溫介質(zhì)的MIDA-GP-12P系列溫度變送器在不同壓力下的輸出信號（4-20mA）典型溫度曲線圖，額定補(bǔ)償溫度Tn=2500C。在工作溫度間隔200300 內(nèi)完成了溫度補(bǔ)償。在此溫度間隔內(nèi)的溫度誤差為2%。當(dāng)溫度從Tn降低到室溫Tk時，初始輸出信號的變化超過了30%（詳見圖7）。Iok和Imk（或Po，Ipk和Imk）的具體數(shù)據(jù)記錄到合格盅中，供定期檢定使用。圖7. 放大后的測量高溫