单晶硅智能差压变送器

单晶硅智能差压变送器

工作原理

单晶硅差压变送器是20世纪80年代研制开发的新型差压变送器,它利用单晶硅谐振传感器,采用微电子表面加工技术,除了保证±0.2%的测量精度外,还可实现抵制静压、温飘对其影响.由于配备了低噪声调制解调器和开放式通讯协议,目前的电容式差压变送器可实现数字无损耗信号传输. 

1.结构及工作原理

压力变送器主要有检测部分和信号转换及放大处理部分组成.

检测部分由检测膜片和两侧固定弧形板组成,检测膜片在压差的作用下可轴向移动,形成可移动电容极板,并和固定弧形板组成两个可变电容器C1和C2,结构及电气原理可见图6-11.

检测前,高、低压室压力平衡,P1 =P2；按结构要求,组成两可变电容的固定弧形极板和检测膜片对称,极间距相等,C1 =C2.

当被测压力P1和P2分别由导入管进入高、低压室时,由于P1 >P2隔离膜片中心将发生位移,压迫电解质使高压侧容积变小.当电解质为不可压缩体时,其容积变化量将引起检测膜片中心向低压侧位移,此位移量和隔离膜片中心位移量相等.根据电工学,当组成电容的两极板极间距发生变化时,其电容量也将发生变化,即从C1=C2变为C1≠C2.

由电气原理图可知,未发生位移时,I1=I2=0；ι1+ι2=ιc；发生位移后,由于相对极间距发生变化,各极板上的积聚电荷量也发生变化,形成电荷位移,此时反映出I1≠ I2,两者之间将产生电流差,若检测出其值大小以及和压差的关系,即可求取流量.

2.变送电流与压差的关系 ' 

设：未发生位移时,按电容定义：

式中 K——比例常数；

ε——介电常数；

S——弧形板决对面积；

d0-——弧形板和可动极板之间相对平均距离.

当发生位移Δd后,仍按电容定义有：单晶硅差压变送器价格

由图6-11可看出,在电动势为e,角频率为ω的高频电源驱动下,其充放电流差为：

将C1和C2定义表达式带入上式,有：

由推导结果可以得出,电流差和可动极板(检测膜片)中心位移成正比,由于此位移和被测压差成正比,所以电流差与被测压差以及流量均成正比.

3.电容式差压变送器的特点  单晶压力变送器分析方法

电容式差压变送器全由密封测量元件组成,可消除机械传动所造成的瞬时冲击和机械振动.另外高、低压测量室按防爆要求整体铸造而成,大大抑制了外应力、扭矩以及静压对测量准确度的影响.

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*的静压特性 
差压变送器在测量罐体液位或管道流量时，如果对静压影响不作校正或补偿，将会给测量带来较大误差，尤其是在液位范围较小或相对流量较小时，影响更巨大。例如一台电容式差压变送器同节流装置一起组成差压式流量计，在32MPa工作静压条件下其满量程静压误差为≤±2%FS，虽然其零位误差，可以通过调零来消除，但是满位输出误差无法避免。因此此静压误差直接影响流量的测试，并且影响量较大。在这种应用工况下，差压变送器的静压性能显得尤为重要，如果静压误差经过补偿，或其本身静压误差极小，则其测量精度将会得到大幅提高。 

差压变送器采用*的单晶硅芯片封装工艺，封装以后其内腔和外腔达到压力平衡。如图6所示为单晶硅硅片的封装示意图，当有工作静压加载到测量硅片的正负腔时，工作静压通过硅片外部的正腔硅油和硅片内部的负腔硅油平衡加载到测量硅片上，并实现了相互抵消，从而使得测量硅片对工作静压的弯曲变形极小。这样处理大幅提升了差压变送器的静压影响性能。 

而在微差压变送器的应用场合，由于微差压信号量过小，对于静压影响造成的影响非常敏感，如上所述的*的封装设计和工艺仍不能全部消除或减弱静压影响量。因此针对此问题，YR-ER101的微差压变送器在其传感器的内部集成了一个可以测量工作静压的绝压传感器。此绝压传感器可以将测得的工作静压信号实时反馈给内部的微处理器，微处理器利用此工作静压坐标轴自动修正微差压输出信号，从而达到静压补偿的功能。通过*的封装工艺以及加装绝压传感器后，大幅提升了CY-ER101差压变送器的工作静压性能，从而保证了差压变送器的测量准确度和高稳定性。 

2.6 *的膜片处理工艺 
相比于美国罗斯蒙特的金属电容式传感器、日本横河的单晶硅传感器、欧洲ABB的硅差压传感器等采用的隔离环膜片焊接方式，差压传感器采用了更为*的无隔离环的卫生型膜片焊接方式。这种卫生型膜片焊接方式使得焊缝光滑，无缝隙，*，可以满足直接焊接多种材质膜片，如 316L、哈氏C、钽膜片、蒙乃尔膜片，由于没有缝隙的存在还可以在接液面进行直接镀金和喷涂PTFE等处理工艺。这种设计方式和特殊的处理工艺使得差压变送器的接液范围大幅延伸和拓展，并且大幅提升了腐蚀场合差压变送器的使用寿命。 

2.7 *的超高温远传设计和实现
*，压力、差压变送器中的高温远传膜盒在应用过程中，当介质温度超过350℃应用时存在着巨大的安全隐患，较为容易出现硅油气化、数据失真或寿命下降等问题，这就要求应用现场的介质有一定的工作静压从而形成背压来保证膜盒的正常工作。这样造成了压力、差压变送器的远传液位测量应用范围受到了限制。从采用了超高温介质的测量技术，其介质的可测量温度达到了400℃。

此超高温远传结构分为超高温充灌液和普通高温充灌液两个腔体，两个腔体之间焊接隔离膜片，并在超高温充灌腔体内设一个散热杆。和介质直接接触的超高温充灌液可以承受400℃的介质高温，但是超高温充灌液的粘度较高，不适合充入毛细管进行压力传递。因此，通过中间隔离膜片和普通高温充灌液腔体的压力进一步传递，可以保证压力的有限传递和快速响应。而高温热量经散热后传递到普通高温充灌腔体时温度已大幅下降，可以保证普通高温充灌液腔体的正常使用。这种方式拓宽了高温远传变送器的应用范围，并提高了超高温远传变送器的可靠性和寿命。

2.8 实现性能指标和可靠性 
通过以上对系列产品技术的介绍和分析，笔者简要地阐述了单晶硅高稳定性压力、差压变送器项目的实现过程。制造厂商从单晶硅原理芯片的选择、单晶硅硅片的无应力封装、回程误差的消除、静压影响的减弱、量程比的放大、接液面的特殊处理工艺以及超高温测量的拓展等多方面来提升高稳定性压力、差压变送器的全性能、准确度等级和可靠性。通过以上多种途径的技术引进和消化，并再加入新设计，使得YR-ER100系列高稳定性压力、差压变送器达到了*水平，其主要的技术优势表现为：
1）准确度等级达到0.05级，并取得计量器具制造许可证，达到了*水平； 
2）微差压变送器采用*的双过载保护膜片专有技术，可达±0.075%的高测量精度，大的工作静压达到16MPa，小的测量差压为-50Pa~50Pa，先国内外技术水平； 
3）差压变送器*高工作静压可达40MPa，单向过载压力*高可达40MPa； 
4）差压传感器内部可选封装绝压传感器，可用于现场工作静压的测量和显示，也可应用于静压补偿，使得单晶硅压力变送器的静压性能很佳，使得典型规格的静压误差优为≤±0.05%/10MPa。同时，由于内部绝压传感器的集成，保证了YR-ER100多参数变送器的成功研发，可广泛用于气体流量的测量领域，并*国内gao端多参数变送器的空白。 
5）压力、差压传感器内部集成的高灵敏度温度传感器，使得变送器温度性能上佳，尤为≤±0.04%/10K；
6）6kPa和40kPa微压力量程表压/绝压变送器可选用*无传压损耗过载保护膜片专有技术，单向过压*高达7MPa，大幅拓宽了微压力传感器的特殊领域的应用范围；