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压力传感器应用实例

 摘要:本文阐述了压力传感器在SF6断路器检测密度上的应用和国内外技术现状,介绍了几个用于测量SF6气体压力的传感器,论述了代替以往压力传感器的智能压力传感器。

 

 序言。

 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最常用的传感器,广泛应用于各种工业自控环境,与水利水电、铁路交通、生产自控、航空宇宙、军工、石化、油田、电力、船舶、机床、管道等多个行业有关。

  1.压力传感器类型

 分类压力传感器时,请先按照一定的分类基准进行分类。。 通常根据动作原理进行分类,分为压电电阻式压力传感器、静电容量式压力传感器、传感器式压力传感器、压电式压力传感器、智能式压力传感器等。当然,也可以使用金属压力传感器、半导体压力传感器、金属-氧化物压力传感器、光压力传感器等使用的材料来分类压力传感器。

  2.六氟化硫气体密度测定的基本原理

  在高压设备的气体室中填充SF6气体后,判定其是否满足绝缘要求,经常用SF6气体密度这一参数进行评价,SF6气体室内的绝缘强度取决于20℃下的充气压力所表示的SF6气体密度值的大小。密度一定的情况下,温度变化时压力也会变化,根据密度的不同变化曲线也会不同。固体SF6升华压力与温度的关系按照下式进行。lgp = a-b/t

 式中,p是固体SF6升华压力,单位是pa,t是绝对温度,单位是k,a是常数(尺寸10.9149); b是常数(尺寸1236 )。

 高压设备气体室内压力值的变化是由于气体泄漏引起的还是由于温度变化引起的,根据温度补偿和补偿的方法,使压力计的读取值与外部气体气氛中的温度无关地变化,指示结果始终是20℃时的标准压力值,需要使其与气体室内SF 6气体的密度显示值等价。发生泄漏时,密度继电器立即对气体的泄漏状况做出反应,SF 6气体的密度显示值低于预先设定的警报值时,密度继电器发出警告气体补充的接点信号,泄漏少时,设备可继续运行。若气体密度进一步降低,则提供一对闩锁触点信号来闩锁开关操作,表示此时发生重大泄漏,设备无法正常动作,万一发生操作和事故。 因此,需要同时测量压力和温度,二次计能够根据体积一定时的气体密度和温度与压力的物理关系间接导出实际的气体密度。。

 3.六氟化硫气体的密度测定的实现方法

 3.1 SF6气体密度的监控可以各种形式实现,主要分为以下3种。

 (1)机械式

   这种气体密度计是根据压力计的原理设计的,同时监视温度。压力表的基本原理构造与一般压力表没有大的差别,一个膜片与SF 6气体接触,另一个膜片与大气接触,利用差压变形驱动膜片指针的标准压力表测量SF 6气体压力。同时进行温度补偿(用双金属实现温度补偿参数等,考虑密度计自身的影响)。基本原理有:

 t =常数(温度平衡)

 ρ= f ( p )

 (2)电子式

   该气体密度计通过温度传感器和压力传感器记录SF6气体容器内的压力和温度的物理值,根据电子学原理,能够使用这两个数值计算实际气体密度。这种气体密度测定的基本原理如下式所示ρ= m/v

 密闭容器的体积不会变化。也就是说,v是一定的,气体的密度和质量如下式所示。

 m = f ( p,t ) = >ρ= f ( p,t )

 测量容器内气体的温度和压力。

 (3)光学式

   该气体密度计,用光纤传感器记录SF6气体容器内的压力和温度的物理值,然后根据电子原理,根据2个数值计算出实际气体密度,以后的处理手段与电子式相同。以用电子式用压力传感器测量SF 6气体压力的情况为中心进行了叙述。

3.2电子式相关商品

 (1)国内产品:

   电子式气体密度计

   精度等级: + 20℃时±1 %;-20~60℃时±2.5%

   压力显示范围: 0. 1~0.7 MPa

   使用条件:环境温度- 30~50℃。

 (2)国外产品如下。。

 电子式气体密度测定变送器851.13.900是室外气体绝缘开关装置用

 精度等级: + 20℃时±1 %-20~60℃时±2.5 %

 压力显示范围:0~ 1.133 MPa

 使用条件:环境温度- 30~50℃。

 4.压力传感器的研究现状

 4.1海外压力传感器技术的现状

 传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。从宇宙探索到海洋开发,从生产过程的控制到现代文明生活,几乎所有的现代科学技术都需要传感器。在工业、农业、防卫、科学技术等各种领域广泛应用传感器技术,显示了极其广阔的前景。在许多国家,传感器技术的发展受到重视。例如,日本传感器技术作为6个核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导、传感器)之一被列举,将传感器设为10个技术中的第1位,第2位的技术是6个核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导、传感器)。美国将90年代视为传感器时代,将传感器技术作为90年代22项的主要技术之一。

  1994年世界传感器市场总交易额达到260亿美元,到2000年世界传感器市场规模每年增长7 %以上,其中高级传感器的放大率达到18 %以上,使用微机械加工技术和微系统技术等高科技制造的各类型的新型智能。从市场上的销售状况来看,压力传感器占第一位。使用硅材料的半导体传感器除了固体传感器的一般优点之外,还可以将集成电路的一部分与传感器组合构成集成化传感器。集成电路部制作微处理器时,会成为智能的传感器。迄今为止,高精度、高可靠性、小型化、低成本的智能传感器已成为世界传感器市场的主流。。

 4.2我国压力传感器技术的现状

  虽然我国的传感器技术与发达国家的传感器技术相比还迟缓,但我国的传感器特性并不比海外的传感器特性优越。综合最近发表的文献,虽然国产半导体压力传感器的特性参数提高了,但以矩形双岛膜结构的6000 pa量程微压传感器特性为例,非线性为5×10-4 fs (全规模)滞后,再现性为5×10-4 fs以下,分辨率优于20pa。对于量程100 kpa的压力传感器,非线性滞后重复性均优于5×10-4 fs。 硅-蓝宝石、高温硅压力传感器工作温度分别为- 50~300℃、0~400℃。压敏元件的可靠性mttf达到了高水平。  零部件品种增加,测力传感器扩展,微压、应变计压力、高压、绝对压力、差压等感压元件及其组件登场。

 5.几个SF 6断路器压力测量传感器的原理

 5.1应变式压力传感器的原理

 电阻应变计是将被测量物的应变变化转换为电信号的传感器。是压电电阻型应变传感器的主要构成要素之一。电阻应变计中最常用的是金属电阻应变计和半导体应变计2种。金属电阻应变计有线状应变计和金属箔状应变计2种。通常,通过特殊粘接剂使应变计与产生力学应变的基体紧密接触,当基体受力的应力变化时,电阻应变计也一起产生应变,使应变计的电阻值变化,使施加于电阻的电压变化。这样应变仪在受力时产生的电阻值的变化一般较小,一般构成应变电桥,由后续的计量放大器放大后传递给处理电路(通常为a/d变换或CPU )的显示或致动器。

 5.2陶瓷压力传感器的原理

  耐腐蚀性的陶瓷压力传感器没有液体传递,压力直接作用于陶瓷片的表面,使片产生微小的应变,厚膜电阻印刷在陶瓷片的背面,与惠斯顿电桥连接,通过感压电阻的压电电阻效应,与电桥成比例2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等与应变传感器的兼容性。在激光校准中,配备了温度稳定性和时间稳定性高、温度补偿0~70℃的传感器,几乎与所有的介质都直接接触。

   陶瓷作为具有高柔软性、耐腐蚀性、耐磨损性、耐冲击性、振动性的材料而广为人知。通过陶瓷的热稳定特性及其厚膜电阻,工作温度范围高达- 40~135℃,实现了测量的高精度、高稳定性。电气绝缘度>2kv,输出信号强,长期稳定性优异。高特性、低价格的陶瓷传感器是压力传感器的发展方向,在欧美有全面替代其他类型的传感器的倾向,在中国,代替扩散硅压力传感器使用陶瓷传感器的用户也在增加。 

 5.3扩散硅压力传感器的原理

  被测定介质的压力直接作用于传感器的膜片(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微小位移,使传感器的电阻值变化,通过电路检测其变化,根据其压力切换标准测定信号并输出。

 5.4压电压力传感器的原理

 作为压电传感器主要使用的压电材料,有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺。其中,水晶(二氧化硅)是天然的结晶,虽然在该结晶中可以看到压电效应,但在一定的温度范围内存在压电特性,但是温度超过该范围时,压电特性完全消失(该高温是所谓居里点)。由于随应力变化的电场变化是微小的(即压电系数比较低),所以水晶逐渐被其他压电晶体取代。酒石酸钾钠的压电灵敏度和压电系数大,但只适用于室温和湿度低的环境。磷酸二氢胺是人工结晶,可承受高温、相当湿度,因此被广泛应用。

 压电效应是压电传感器的主要动作原理,压电传感器不能用于静态测量,但外力作用后的电荷只有在电路具有无限大的输入阻抗时才能保持。实际上不是这样,所以压电传感器只能测量动态应力。

 以往的传感器技术,为了提高其性能,制作材料需要满足多品种、高性能的要求,因此成本高,而且制作过程的要求严格。以往压力传感器无法进一步提高性能价格,在以下方面不充分。

 (1)由于结构尺寸大,所以时间(频率)响应特性差。

 (2)输入输出特性具有非线性,随着时间的推移。

 (3)容易受环境条件变化影响的参数

 (4)信噪比低,容易受到噪声干扰。

 (5)有交叉灵敏度,选择性分辨率不高。

 这样不足是现有的压力传感器的性能稳定、可靠性差、精度低的主要原因,也是取代现有的压力传感器的主要原因。

 7.智能压力传感器的研究和发展

 智能压力传感器是搭载了微处理器(单芯片微型计算机)并具有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思考判定功能的压力传感器。当然,智能压力传感器主要是由微处理器程序实现的信息处理功能,即硬件电路和软件程序的组合。 因此,智能压力传感器是具有获取信息能力和信息处理功能的传感器系统。智能压力传感器具备学习、推论、传感、通信、管理的功能,如下图所示构成。

1.png

 智能传感器的构成框图

8. 1智能压力传感器的功能

 在智能压力传感器系统中,微处理器能够根据给定程序对传感器进行软件控制,将传感器从单一功能变更为多功能。通常,智能压力传感器具有以下基本功能。

 数据处理功能:智能压力传感器不仅能够测定各个被测定参数,还能够根据已知的被测定参数求出未知的参数,自动零调整、自动平衡、自动补偿等。

  自动诊断功能:这是智能压力传感器的重要功能,智能压力传感器通过其故障诊断软件和自检软件,定期且不定期地检测、测试传感器和系统的动作状态,立即发现故障,诊断、操作故障的原因、位置。

 软件配置功能:智能压力传感器配备微处理器,因此不仅需要检测、放大、a/d、d/a、通信接口等硬件组件,而且需要软件资源来控制和处理数据。智能压力传感器搭载了多模块化的硬件和软件,用户可以通过微处理器发出指令,改变传感器的硬件模块和软件模块的组合状态,用于不同的用途。

 接口功能:智能压力传感器采用标准化的接口,统一的接口标准可以通过RS-232、RS-485、hart等总线和上位机进行通信。这样,能够通过远程中央控制计算机控制系统整体的动作,远程控制计测系统,或者向远程用户传送计测数据。

 人机对话功能:电脑、智能压力传感器、仪表组合,配备各种显示装置和输入键盘,使系统具有灵活的人机对话功能,进行人机对话,根据操作人员的指导,减少操作错误和读取错误,及时实现。

 信息记忆功能:智能压力传感器具有用ram和EEPROM记忆测量参数和状态参数的信息记忆功能。为了防止停电后数据自动消失,智能压力传感器有备份电源,可在系统停电时启动备份电源。

8. 2智能压力传感器的优点

  (1)高精度:为了保证高精度,智能压力传感器具有若干功能。智能压力传感器系统通常采用软件支持,具有比硬件大幅度优异的自动范围、自校准、各种误差自动修正、自动修正等功能。

  (2)高可靠性和高稳定性:智能压力传感器具有即使动作条件和环境参数变化也会自动发生系统特性的漂移、量程的自动切换、自我校准、判断、修正等功能。

  (3)高信号对噪声比、高分辨率:智能压力传感器具有数据记忆、记忆、信息处理功能,可以通过软件进行数字滤波、相关分析等处理,通过去除输入数据中的噪声、使数据通过,进行特定的参数测定。

  (4)适应性高:智能压力传感器具有根据系统的动作状况来决定各部分的电力供给状况和上位装置的数据传送速度的判定、解析、处理功能,实现最低消耗电力状态和最佳传送速度,同时具备多个自我补偿功能。

 (5)设计制造容易,维护容易:大部分智能压力传感器的功能通过软件程序实现,但其硬件电路比较简单,制造容易,同样,智能压力传感器发生故障时,除了自己具有发现故障、发出警报的功能以外,主要维护软件程序的最佳化。

  (6)集中控制:智能压力传感器使用微处理器控制整个系统,并且微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力,因此通过该软件程序充分利用微处理器,智能压力传感器。 这是一个非常集中的方法。

  (7)柔软性高:软件主体的智能压力传感器不仅在使用方便性、功能多样化等方面发挥大的柔软性,而且在其性能方面,其控制软件和运算软件的修正也容易,其性能也容易。

  (8)高性能价格比:智能压力传感器所具有的上述功能,不是像以往的传感器技术那样追求传感器自身的完善,在传感器的各环境下下下功夫设计、调试,进行“手工艺品”式的精练,而是将微处理器与计算机组合,安全。


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