钛-硅蓝宝石式压力传感器温度误差的整定

1、钛-硅蓝宝石式压力传感器温度误差的整定V.Stuchebnikov采用温度误差来确定测量误差，是机械量传感器的重要特性之一。所以，这一数值总是属于此类传感器的重要参数之一。绝大多数制造商采用线性温度系数，即以百分数表示的传感器在1或10摄氏度（在英语国家用华氏温度表示）下输出信号的变化范围，对温度误差进行整定。并且，可用任何标识来表示温度误差，比如，通常表示为+ %/（或+ %/10）。在国际电工委员会的正式文件中，也建议采用这种方式来整定温度误差（见图1），紧随其后的是俄罗斯国家标准（见图2）。 本文主要探讨采用此种方法对机械量传感器的温度误差进行整定的缺点。这种缺点在半导体式应变电阻传感器

2、上表现得尤为明显。现在被广为使用的压力、力矩和运动参数等传感器中，采用半导体式应变电阻原理的占了绝大多数。我们以在俄罗斯使用最为广泛的异质外延式“硅蓝宝石”结构的应变电阻式压力传感器为例见图3和4，来做具体说明。显而易见，首先，只有在传感器输出信号与温度之间的关系呈线性时，所给出的整定方法才有意义。但是，只有带有金属式应变电阻和/或工作在温度范围很窄的传感器，其输出信号的温度曲线才可接近符合精度要求的线性。对于半导体来说，与温度相关的参数的非线性特征非常明显。而半导体式应变电阻传感器的输出信号，通常来说，与温度呈非常明显的非线性特征，尤其是在很宽的温度范围下。.其次，所给出的整定方法误导了用户

3、，导致他们将实际误差扩大一倍。因为如果传感器输出信号的温度曲线呈线性，则这一曲线的斜率必然带有特定的标识，也就是说，该信号或者随温度衰减，或者随温度增加。采用%/的方法，并给出一定的范围及标识，对温度误差进行整定，用户可以在某个特定的温度范围内，对压力误差进行实际评价并计算出测量误差；但是，如果标识不确定，则测量的不确定性也随之大幅增长。图1对上述所言进行了解释。图1中的1a表示的是，当温度增加时，被测压力（与传感器的输出信号成正比）线性下降。此时，在已知温度T测下，用户可以计算出温度误差，并将传感器的被测压力P测换算为实际压力Pn。Pn是在“正常”（室温）温度Tn下根据下式计算出来的：n =

4、 测 g*(测 n)， (1)其中，g为()的曲线斜率（g < 0）。当然，在这种情况下，至少还保留了用来计算传感器基本误差的实际压力的不确定性（图1a中两条直虚线内部的带状部分）。如果温度误差的标识不确定的话（图1b），则完全是另外一种情况。此时，即使测量温度已知，就是在不考虑传感器基本误差的情况下，也形成了被测压力的不确定性 = (n1 n2)。 当然，如果测量温度未知，知道的仅是该温度大约处于温度的工作间隔区域（Tmax-Tmin）内，则压力测量的不确定性结果为： = (2 1) = |g|*(max min)(2)之所以在曲线之外，原因就在于是否知道斜率系数的标识为直线()。让我

5、们看一下应变传感器输出信号的非线性温度曲线的情况。比如，基于硅蓝宝石原理的压力传感器，是用非热敏电阻电路对温度漂移进行补偿的（图5），输出信号与温度之间的关系呈抛物线型。扩散硅或值入式应变电阻式传感器也具有类似的曲线。相应的，如果不在电路上采取专门的措施（比如智能电路）进行补充修正的话，则使用此类传感器所测得的压力（与输出信号成正比）与温度之间也必然呈非线性关系（图2）。在这种情况下，按照标准文件的规定（注1、2），如果要采用线性系数对温度误差进行整定，必须要给出相对于抛物线的斜率+max的最大绝对值（图2中的细直线）。也就是说，在工作温度范围Tmax.Tmin之间的总的温度整定误差，是按照下

6、式确定的（2）：n = (2 1) = |gmax|*(max min).(3)显而易见，所得到的误差值大大超过了实际总温度误差（见图2）实际 = (n min).(4) 由此可以看出，在传感器输出信号的温度曲线呈非线性的情况下，采用测量线性温度系数的方式对温度误差进行整定是没有意义的，因为在工作温度范围内线性温度系数既有量的变化，也有标识的变化（其中包括通过零点）。而根据现行规定（注1、2），在使用说明书（合格证）中必须注明的最大值（绝对值）。正是由于这种原因，在MIDA-13P系列变送器中，作为对补充温度误差进行整定的措施，在实际工作温度范围实际内对温度误差区域进行补偿。这一温度范围在变送

7、器的合格证中也被列出。MIDA-13P系列变送器的温度误差范围统计数据请见注6。必须指出，国家标准化委员会完全认可这种方法，并且所有MIDA产品的正式文件都已被俄罗斯联邦国家登记委员会承认。通过对温度误差区域进行测量，从而得出温度误差的方法（与线性温度系数一起），也被一些国家的标准所允许（注7-9）。必须还要提到以下几点。首先，输出信号的温度曲线近似于抛物线的变送器（MIDA系列变送器正是如此），当在“正常”温度Tn下进行标定并确定其基本误差时，温度误差区域达到最小，处于工作温度范围（即对输出信号进行温度补偿的范围）的中间段。在MIDA-13P变送器中，是自动完成的（工作温度范围为-40 -

8、+800C，在20+5 之间进行温度补偿，见图3）。在高温系列变送器MIDA-12P中，被测介质的温度有可能达到3500C，情况更复杂一些，下面会详细阐述。其次，如果缩短工作温度范围，且温度曲线也呈线性，则总的温度误差也会线性降低。但在抛物线关系下，这一误差会平方根式降低，比如，在对称缩短工作温度范围一半的情况下（比如，从-40+80 降低到 -10+50 ），温度误差范围会减少四分之三。这样，就可以在不使用复杂电路的前提下，制造出在某一限定温度段内工作的高精度变送器。在0-400C的温度范围内，采用电阻式温补电路的MIDA-13P系列温度变送器，其典型温度误差区域不超过0.2%（图3）。第三

9、，如果用来确定变送器基本误差的“正常”温度（通常为室温），不处于温度补偿的中心点，则忽略测量误差的温度关系非线性会导致补充温度误差值的不正确体现。图4表现了在-40+120 之间对压力变送器进行温度补偿的情况。从图上可以看出，如果在室温下(20 )以及在温度范围内的极限温度点进行标准测量，确定补充温度误差的话，则在低温度区域按绝对值计算的温度误差线性系数，大大高于高温度区域（图4中的直虚线），虽然误差的实际温度曲线对称分布于温度补偿区域的中心点。同样，也无法保证在中心点不吻合的情况下，在两个温度范围内，同时使温度测量误差达到最低化。因为如果最小温度误差是在温度补偿区域的中心点的话，那么，在偏离

10、中心点的那段温度范围内的温度误差，必然总是要比在该温度区域内进行温补高一些，鉴于以上所述，更加证明，采用线性温度系数对高温压力变送器进行温度误差整定是不合适的（仅就它们的输出信号的实际温度曲线无法用线性法则来描述而言）。另外，在对高温压力变送器进行温度补偿和补充误差整定时，还有一个问题。众所周知，在高温流程（300或4000C以内）下测量液体或气体介质的压力，是在由工艺技术所决定的某一特定温度T特定下实现的。显然，如果在T特定温度下对变送器进行标定（确定基本测量误差），并在T特定附近的几个温度范围内进行温度补偿，则此时测量误差肯定为最小。以后的定期检定也最好要在T特定温度下进行。但是，无论是在

11、用户处，还是在国家标准化委员会的实验室里，都几乎无法这样做。而如果在室温下对高温变送器进行标定，则其在工作温度下的误差会大幅度升高。MIDA工业集团为测量高温介质所提供的解决方法（MIDA-12P），已通过俄罗斯联邦国家标准化委员会的认证（图6）。该方法的核心是：在与用户处的工作温度T特定近似的某个“正常”温度Tn下对变送器进行标定（Tn的标准值为50、100、150、200、250和3000C），在Tn附近的10000C的温度间隔内补充温度误差范围不会超过2-4%。如果温度间隔变小，温度误差也会大幅下降。并且，在温度补偿范围外，输出信号的变化非常大（对于基于硅蓝宝石原理的变送器来说，符合典型

12、的抛物线形状）。同时，还要在室温Tk下，确定与零压力和最大压力相对应的输出信号值。将I (=0) 和 I (=max) 的值记录到合格证中，并在以后的定期检定中使用这些原始数值。如果变送器初始输出信号的温度曲线是如此之大，导致在室温下输出信号已经“即将处于截止状态”（图7），则在室温下向变送器发送不大的压力Po，以便使输出信号足够高于电路部分的工作区域。此时，确定压力值P=Po和与之相应的输出信号I=Ipk，并将这些值记录到合格证中。同时在合格证中给出准确的室温Tk值。在室温Tk下进行定期检定时（室温的变化不要超过1-20C），在必要的情况下，可借助于“零点”和“范围”调节按钮设置合格证上的I

13、ok（或Ipk）以及Imk值。检查变送器的非线性和偏差，如果与合格证上登记的数据相符，则可以用来测量高温介质的压力，其精度由基本误差量规定（当Tn与T特定接近时），或者不超出温度误差范围的宽度(当 特定 n-50 , n+50 时)。这是因为保证MIDA系列变送器的温度补偿误差，是由位于电路中并远离高温被测介质的不受温度影响的电阻来保证的（注5）。最后应该指出，根据用户的意愿，在合格证中还可以注明在室温下和温度补偿范围极限点测得的变送器输出信号在零压力和最大压力下的具体数值，从而使用户在被测介质温度已知的前提下，可以考虑到压力测量的补充温度误差，并极大的提高测量精度。综上所述，对于在很宽的温度

14、范围内工作的机械量式应变电阻传感器来说，如采用线性温度系数对补充温度误差进行整定，会导致测量结果出现非常大的失真。正确的做法应是在传感器的温度补偿间隔内对温度误差进行整定。这对于输出信号的温度曲线为非线性的半导体式应变电阻传感器来说，尤为重要。参考文献1. 评价在工业流程控制系统中使用的测量传感器的工作特性的方法。国际电工委员会 770号通告2. 模拟电信号输出的压力、负压和差压传感器 总技术条件 GOST 22520-85 （CT CEV 4124-83）3. 斯图切布尼科夫 V.M.。基于异质外延结构的“硅蓝宝石”式应变电阻传感器。测量、控制、自动化 1982年合订本 4(44)，15-2

15、6页4. 布舍夫E.E.，尼古拉伊秋克 O.L.，斯图切布尼科夫 V.M.。MIDA系列智能压力变送器。系统和传感器 2002年第1期， 21-27页。5. 马尔特诺夫 D.B.，斯图切布尼科夫 V.M.。“硅蓝宝石”式应变压力传感器的温度修正。系统和传感器 2002年第10期， 6-12页。6. 布舍夫E.E.，尼古拉伊秋克 O.L.，斯图切布尼科夫 V.M.。MIDA-13P系列通用压力变送器。系统和传感器 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.作者简介斯图切布尼科夫 弗拉基米尔 米哈伊洛维奇，技术学博士，教授，俄罗斯联邦计量科学院院士，MIDA工业集团总裁 2maxn1测minn测量 )测2n测n1maxminn21 b)图1. 在变送器输出信号与温度之间为线性关系时的温度误差。（a）表示线性温度系

17、数为负标识。（b）表示线性温度系数为不确定标识。nmaxmin实际n2nmin1图2. 输出信号温度曲线为非线性的压力变送器的温度误差范围的确定：实际-温度误差的实际范围；n 当采用温度曲线的线性系数对温度误差进行整定时的额定温度误差范围。n图3. MIDA-13P系列压力变送器在1200C温度范围内（-40+80 ），进行压力测量时的补充温度误差的典型温度曲线图。“额定温度”Tn=(20+5) 。在温度间隔不同，但宽度相同（比如（200320 ）的条件下进行温度补偿时，误差的温度曲线具有类似的形状（但此时用来换算的“额定”温度一定应为Tn=（260+5 ）。图4. 如果不在温度补偿间隔（Tn

18、）的中间段和极限点，而是在Tk（室温）条件下确定变送器的温度误差，那么，首先，在“正”向和“负”向上的温度误差中会产生虚假差异；其次，温度误差范围与真实范围相比，会发生降低。图5. 在-40+120 区间补偿过的MIDA-13P系列压力变送器的温度误差曲线图。在0+50 间隔内，温度误差范围为1= 0.75%；在-40+120 间隔内，温度误差范围为2= 3.00%。图5b. 同一个温度变送器，但在-40+90 温度间隔内进行了温度补偿后的温度误差。此时，相应的温度误差范围为1= 0.30% (降低了2.5倍)，而2= 4.27% (增加了不到1.5 倍)。图6. 测量高温介质的MIDA-GP-12P系列温度变送器在不同压力下的输出信号（4-20mA）典型温度曲线图，额定补偿温度Tn=2500C。在工作温度间隔200300 内完成了温度补偿。在此温度间隔内的温度误差为2%。当温度从Tn降低到室温Tk时，初始输出信号的变化超过了30%（详见图7）。Iok和Imk（或Po，Ipk和Imk）的具体数据记录到合格盅中，供定期检定使用。图7. 放大后的测量高温