環境溫度對風壓傳感器精確度的影響探討

文昌山

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300）

引言

當前中國的天然氣產業正在大力發展中，2019年中俄東線天然氣管道建成并投入使用。天然氣的民用消費比重越來越高，其中燃氣熱水器是主要用氣設備之一。

在燃氣熱水器中裝配風壓傳感器的主要作用有兩個：煙道堵塞和風壓過大安全裝置，空氣進氣輔助控制。它們都需要對管道風壓大?。ㄈ細鉄崴黠L道內氣壓與大氣壓之間的差值）進行檢測，而檢測的精確度至關重要。如果精確度過低，風壓測量值與真實值之間的誤差過大，則易造成煙道堵塞、熄火、回火、影響使用的火焰溢出等，或者空氣進氣不足引發的一氧化碳濃度升高等現象。

當前，國內外關于風壓傳感器的精確度受環境溫度影響所發生的變化規律并未見諸報道，而傳感器制造商也僅僅是將精確度作為一項性能參數予以簡單指出，無系統化數據或者討論。

本文研究風壓傳感器的精確度隨環境溫度、管道風壓變化而發生的變化規律，對風壓傳感器的相關性能參數設計具有明顯的指導意義，可推動風壓傳感器應用于更大溫度與管道風壓范圍，從而間接地推動燃氣熱水器的發展。

1 實驗原理

1.1 溫度對精確度影響的理論分析與推測

當前，用于燃氣熱水器的風壓傳感器普遍采用硅橡膠膜片作為敏感元件，如圖1所示。圖1所展示的是硅橡膠膜片的側視圖，圓形的塑料板通過特定的方式與膜片的中央部位固定，膜片兩側分別處于正氣腔與負氣腔中。在圖1中表示大氣壓與燃氣熱水器風道內氣壓的箭頭僅用來指示壓力方向，而作用點實際上覆蓋了兩個側面。

圖1 風壓傳感器的硅橡膠膜片結構示意圖

風壓作用于膜片上，使膜片發生彈性形變，膜片中央的塑料板發生位移 d，如圖2所示。該位移與風壓大小存在一一對應關系。在圖2中，膜片中央部位因與塑料板固定，發生的形變可以忽略不計；而塑料板周圍的環形區域則是發生彈性形變的主要部位。

圖2 硅橡膠膜片彈性形變示意圖

硅橡膠膜片的形變主要是剪切形變，然而形變受到溫度的影響。根據橡膠彈性理論[1]，運用簡單剪切理論進行分析，如圖3、圖4所示。

圖3 材料發生剪切形變之前

以下將進行剪切模量 G 的計算。

式中:

γ—剪切應變；

θ—剪切角。

式中：

τ—剪切應力；

F—材料所受到的力；

A0—材料截面的面積。

式中：

G —剪切模量。

將式（1）、式（2）代入式（3）中，可推出 G，如式（4）所示。

根據橡膠彈性理論，剪切模量隨溫度的升高而變大。在其他條件不變的情況下，如果材料所受的外力相同，溫度升高，則材料的形變量將發生改變。據此推測，膜片風壓傳感器的精確度可能對溫度敏感，但當前并無相關專題研究。

1.2 精確度檢測方法

計量的精確度，指被測的量的測量值之間的一致程度以及與其“真實值”的接近程度，是精密度和準確度的綜合概念。從測量誤差的角度來說，精確度是測量值的隨機誤差和系統誤差的綜合反映。

在實際應用中，通常以測量值與真實值之間的差值來表示精確度，如式（5）所示。

式中：

accuracy—精確度；

Pmeasured—測量值；

Pactual—真實值。

2 實驗裝置與試驗結果

2.1 傳感器檢測校準裝置

傳感器檢測校準裝置如圖5所示，包含了壓縮氮氣瓶、工業壓力校準器、恒溫恒濕試驗箱、導氣管、風壓傳感器讀數裝置等。

圖5 傳感器檢測校準裝置

壓縮氮氣瓶提供氣源，氣體為純凈氮氣，純度為99.996 %。

工業壓力校準器為 FLUKE 2271A，為傳感器提供穩定的氣壓差，并輸出氣壓差值。

恒溫恒濕試驗箱為 TERCHY MHX-K，為傳感器提供可調節的恒定溫度與濕度環境。

膜片風壓傳感器的工作溫度范圍 -20～85 ℃，工作濕度范圍 0～95 % RH，壓力測量范圍為 0～1 000 Pa，精確度 ±15 Pa，耐壓 2 000 Pa。

將風壓傳感器與導氣管、電纜連接，然后將風壓傳感器放入恒溫恒濕試驗箱中。將該導氣管、電纜的另一端從試驗箱的測試孔引出，并分別與壓力校準器、風壓傳感器讀數裝置連接。

2.2 溫度與氣壓差變化對精確度影響的測試

設置恒溫恒濕試驗箱：濕度為 90 % RH，溫度則按照表1 中的順序，先后設置不同的值。

表1 測試的溫度條件

在每次設定的溫度穩定后，設定壓力校準器輸出的氣壓差，氣壓差值則按照表2 中的順序，先后設置不同的值。在每次設定的氣壓差穩定后，用風壓傳感器讀數裝置讀取傳感器對氣壓差的檢測結果，并記錄數據。

表2 測試的氣壓差條件

將風壓傳感器的輸出結果作為測量值，而將壓力校準器輸出的氣壓差值作為真實值，代入式（5）中，可求出相應的精確度。將經過計算后所得到的數據繪制成圖形，如圖6所示。

圖6 溫度與氣壓差對風壓傳感器精確度的影響

其中，當氣壓差值為 0 時，在不同的溫度中傳感器的精確度都能保持 0。這主要是因為敏感元件（硅橡膠膜片）未發生彈性形變，轉換元件的輸出也為 0。

當測試溫度分別為 50 ℃、70 ℃、85 ℃ 時，在氣壓差升高的過程中，氣壓差值超過 900 Pa 后均出現傳感器輸出飽和的現象。因此測量 1 000 Pa 氣壓差時這 3個溫度點對應的精準度無意義，應舍去。

從總體上看，在 -10～30 ℃ 溫度范圍內，隨著溫度的升高，精確度提高；而在 30～85 ℃ 溫度范圍內，隨著溫度的升高，精確度下降。而且，從 -10 ℃ 上升到85 ℃ 的過程中，在不同的氣壓差下，精確度由負值轉變為正值（0 Pa、1 000 Pa 除外）。

風壓傳感器的精確度標稱值為 ±15 Pa，但是只能在局部范圍內實現（氣壓差在 100 Pa 之內）。

3 精確度漂移的影響分析

在燃氣熱水器中，風壓取樣點的風壓變化范圍一般小于 200 Pa。按照圖6中顯示的變化特性，氣壓差為100 Pa 時，最低精確度為 -16 Pa。而一旦氣壓差超過100 Pa，精確度將更低，不符合標稱值，在實際應用中可能引發故障。

風壓傳感器的精確度隨著溫度、氣壓差的漂移將對燃氣熱水器造成兩個方面的影響：煙道堵塞與風壓過大自適應與燃氣供氣流量變化自適應。

3.1 對煙道堵塞與風壓過大自適應的影響

在安裝了風壓傳感器的燃氣熱水器中，風壓傳感器將作為煙道堵塞與風壓過大安全裝置[2]。根據 GB 6932-2015 《家用燃氣快速熱水器》的相關要求，風壓在小于80 Pa 前風壓過大安全裝置不能啟動[3]。如果風壓傳感器的精確度偏低，對風壓檢測的誤差過大，則風壓傳感器可能輸出誤啟動信號。

3.2 對燃氣供氣流量變化自適應的影響

燃氣供氣流量發生變化，所需的空氣供氣流量也發生變化，隨之產生的燃燒產物量也發生變化，風機對外所做的功也發生變化，表現出來為風機功率、轉速、風機出風口風壓發生變化?？筛鶕L機出風口風壓與風機轉速、功率以及燃氣供氣流量（燃氣比例閥的輸出量）之間的測試數據，自動調整風機轉速、功率，提供合適的空氣供氣流量，實現針對燃氣供氣流量變化的自適應功能。

如果風壓傳感器的精確度偏低，對風壓檢測的誤差過大，則可能造成空氣供氣流量偏小，引起燃燒不完全、一氧化碳的排放增加。

4 結論

本文對風壓傳感器的敏感元件（硅橡膠膜片）的相關性能受溫度影響進行了初步的理論分析，推測了風壓傳感器的精確度將會是一個隨著環境溫度變化而發生改變的量，而并非是一個常量。再通過實驗分析，發現了風壓傳感器精確度對溫度有依賴性、并且隨待測氣壓差變化而發生變化的基本規律——總體上，溫度越高，氣壓差越大，精確度越低；并且在升溫、增壓的過程中，精確度將從負值轉變為正值。

如欲提高以硅橡膠膜片為敏感元件的風壓傳感器的精確度，則應進行溫度與氣壓差補償。例如在設計時，可通過加入溫度傳感器以檢測敏感元件的工作環境溫度，根據敏感元件的溫度變化特性對傳感器的輸出結果進行校正。這樣，可以大幅度地改善精確度因溫度變化而產生的漂移問題。