壓阻式真空傳感器校準技術研究

劉 波，李 平，丁立莉，劉 卿，李 鵬

(西安航天計量測試研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

隨著真空測量技術的發展，在工業自動化的時代，PLC控制器以及程控計算機技術的日漸成熟，各種類型的真空傳感器被廣泛的應用于真空測量設備中。壓阻式真空傳感器采用高性能的壓阻芯片和經過穩定化處理的電路，使得對全量程范圍的線性和溫度進行補償，具有高精度、高靈敏度、抗過載、抗沖擊、溫度漂移小及耐腐蝕等特點，被航空、航天、化工、機械、石油、冶煉等行業大量使用，是傳統真空壓力表及普通壓力傳感器的理想換代產品。由于將真空變量轉換為遠距離傳輸的標準輸出信號，充分發揮了自身技術優勢及優異性能，從而更好滿足了工業標準化過程中真空度參數測量和控制的需求。

隨著生產企事業單位對壓阻式真空傳感器的大量使用，其測量校準問題也急待解決。文章以二線制輸出真空傳感器為例研究了日常測量方式及計量校準問題。

1 壓阻式真空傳感器的原理及理論函數

1.1 原理

壓阻式真空傳感器的測量部件是一個裝有固態壓力芯片，該芯片利用半導體材料的壓阻效應，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應關系，當壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應關系的標準信號。原理圖如圖1所示。

圖1 壓阻式真空傳感器原理示意圖

1.2 理論函數

壓阻式真空傳感器是壓力變送器的一種，是將需要測量的真空變量轉換為可輸出的標準信號，輸出信號與真空變量之間有一定的函數關系，主要用于測量過程中真空參數的測量與控制［1］。典型的二線制壓阻式真空傳感器的測量范圍0～100 kPa、工作電壓為12～36 V，工作電流為4～20 mA的標準信號輸出，采用V/I轉換電路且零位可自由遷移。

壓阻式真空傳感器輸出信號和真空度的函數關系式如公式(1):

式中:P'為某一真空狀態下的示值，kPa；P為傳感器的滿量程值，kPa；I為P'真空狀態下對應的輸出電流值，mA。

通過公式(1)可以得出某一真空傳感器在測量范圍內任意真空度對應的理論電流輸出值，為其準確信號輸出提供參考。

在對真空傳感器校準時，由于測量誤差是按照測量準確度等級劃分的，典型的壓阻式真空傳感器測量誤差和準確度間的函數關系如公式(2):

式中:△A為測量誤差的上下限值；P為此傳感器的滿量程值，kPa；δ為某一真空傳感器標注的準確度等級。

準確度等級是傳感器的主要技術指標，是一個定性的概念，通過公式(2)可以換算出真空傳感器在某一準確度等級下的測量允許誤差限，可以判斷真空傳感器標注的準確度等級是否正確，如表1所列。

2 實驗裝置

壓阻式真空傳感器實驗裝置由真空比對校準裝置［2］和信號控制兩部分組成。真空比對校準裝置主要模擬真空測量環境，測量任意點的真空度；信號控制部分由信號輸入與信號輸出兩部分構成，輸入部分采用可調穩壓穩流源，輸出部分采用高精度數字多用表。

表1 常用的二線制真空傳感器準確度等級與測量誤差之間的關系

真空校準裝置采用比較法進行校準，由抽氣系統、校準系統及測量控制系統組成。抽氣系統包括:機械泵組；校準系統包括:校準室、主標準器組；測量控制系統包括:氣體微調閥、各種控制閥、氣源等。如圖2所示。

圖2 真空計校準裝置原理示意圖

在壓阻式真空傳感器信號控制中，對傳感器輸入提供所需的直流工作電源U，將由圖2采集的真空度為P'的標準信號通過式1轉換為標準電流信號I，再使用高精度的數字多用表進行數據采集。如圖3所示。

圖3 真空傳感器信號輸入、輸出連接示意圖

3 實驗結果和數據分析

3.1 實驗結果

選取型號為MPM480型壓阻式傳感器為例，該傳感器的測量范圍為0～100 kPa、準確度等級滿度為±0．25%、供電電壓為15～30 V、輸出信號為4～20 mA。如圖2所示與真空校準裝置相連接。同時選取型號為DH1715A－3型雙路穩壓穩流電源向其提供直流電壓；選取型號為34401A數字多用表采集信號。線路連接方式如圖4所示。

圖4 真空傳感器線路連接圖

利用真空校準裝置改變傳感器的環境狀態，讀取與真空度相對應的輸出電流信號，測量結果如表2所列。

表2 MPM480型傳感器校準數據

3.2 數據分析

通過對表2校準數據處理，由于數據間跨度較大，得到該傳感器真空度與輸出電流的部分擬合曲線圖，如圖5所示。

圖5 0．1～1．0 kPa傳感器真空度與輸出電流擬合曲線圖

圖5中實線部分是傳感器真空度與輸出電流之間對應的理論擬合曲線，虛線部分是進行校準后獲得的真實擬合曲線，可知兩條擬合曲線存在明顯的二階遞增關系，虛線部分始終在一定區間內圍繞實線上下波動。

通過對校準數據進行運算分析，可知對獲得的輸出電流數據采集后，通過在程序控制系統中給其值乘以平均修正因子，增加或減小相應輸出電流值的方式，對任意輸出電流進行數據修正，使更加接近理論值。

準確度等級是傳感器的主要技術指標，測量誤差是按照準確度等級劃分的。MPM480型傳感器準確度等級為±0．25%FS。最大允許誤差如圖6所示。

圖6 準確度等級為0．25級最大允許誤差圖

通過公式2與對照表1，可知該真空傳感器在0．25級的最大允許誤差為±0．04，圖中三角部分是該傳感器各測量點對應的測量誤差值，從圖6可以看出，測量范圍內所有測量誤差值都已落在準確度等級為0．25級的最大允許誤差之內。因此與標注的準確度等級相對應，在測量范圍內是可以正常使用的。

通過獲得的電流輸出值，利用壓阻式真空傳感器輸出信號和真空度之間的函數關系式1，可以得到輸出電流與實際真空度的轉換關系，并通過與標準真空度的計算得到相對誤差，如表3所列。

通過對表3數據分析及查《圧阻真空計檢定規程》JJG932－1998［3］，可知傳感器符合該規程的壓力測量范圍，示值相對誤差不超過±20%的技術要求。

4 結論

通過對壓阻式真空傳感器變量與輸出電流之間、測量誤差與準確度等級之間函數關系的分析，得出真空變量與輸出電流對應關系，測量最大允許誤差是界定準確度等級的主要依據。通過對輸出電流與實際真空度的運算轉換，可知相對誤差是否符合相關檢定規程的要求。

表3 MPM480型傳感器換算真空度及相對誤差數據

綜上可知，采用真空校準裝置和高精度數字多用表，對壓阻式真空傳感器進行測量和校準，為該類傳感器提供了實驗基礎和理論依據。通過相關運算及分析，解決該類型真空傳感器的測量和校準問題，為正常使用提供了可靠的數據。

［1］北京市計量科學研究所．JJG882－2004．壓力變送器檢定規程［S］．北京:中國計量出版社，2004．

［2］李正海．比較法真空規校準裝置性能研究［J］．真空與低溫，2010，16(1):37－41．

［3］北京市計量科學研究所．JJG932－1998．壓阻真空計檢定規程［S］．北京:中國計量出版社，1998．