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聯系我們 差壓測量是一項重要的、基礎性測量技術，隨著科研生產對差壓測量需求的不斷增加，對其技術要求也越來越高。研究發現一些差壓測量具有一個共同的特點: 測量不是在沒有壓力 (大氣壓) 的狀態下進行，而是要求在高靜壓狀態下測量差壓。例如發動機系統及發動機試車臺燃油流量和空氣流量的測量，均是在幾兆帕至十幾兆帕的靜壓下測得差壓，并根據差壓和流量之間的換算關系，將所測差壓信號轉化為流量信號。又如在航空發動機防喘系統中，大多采用喘振差壓傳感器對壓氣機出口氣流高靜壓與差壓進行實時監測，并由機載計算機控制產生一系列動作來防止發動機喘振的產生。
差壓測量在物料的液位、容積、密度、質量及各種檢漏密封性試驗等方面的測量中也有廣泛的應用，尤其是受壓容器的液位測量，例如航天工業中低溫推進劑儲罐的液位測量，其通過測量儲罐液面處氣枕壓力 (靜壓) 和底部壓力之差 (差壓)，再根據壓差與液位之間的關系確定液位，通過這種方法也可以將差壓轉化為容積、密度、質量等參數的測量。
高靜壓差壓的測量多采用各種差壓傳感器 (變送器、數字計) 進行測量，為了保證高靜壓差壓量值的準確可靠，需要對高靜壓差壓傳感器進行校準，這就對高靜壓差壓校準提出了更新更高的要求。
1、差壓傳感器簡介
差壓傳感器是將一個空間用壓力敏感元件 (多用膜片) 分割成高、低壓兩個腔室，如圖 1 所示，當壓差經由高壓導管和低壓導管分別導入高低壓腔室時，傳感器膜片在兩方壓力共同作用下產生位移 (或位移的趨勢)，該位移量和兩個腔室壓力差成正比，并將位移量傳導至測量元件上，測量元件將測得的差壓信號轉換為與之對應的電信號傳遞給轉換器，經過放大等處理變為可用電信號輸出。
差壓傳感器發展至今己有電容式傳感器、擴散硅壓阻式傳感器、差動電感式傳感器、石英諧振式傳感器和陶瓷電容式傳感器等不同類型，目前應用zui多的是電容式傳感器和擴散硅壓阻式傳感器。隨著技術發展，將會研制出更多新型的差壓傳感器用于差壓測量。
2、差壓傳感器校準中主要問題分析
差壓傳感器在靜壓下改變輸出的主要原因是取壓部分的機械變形。在高靜壓條件下，雖然傳感器鑄件殼體和灌充在膜盒中的硅油變形都非常小，但是由于儀表的靈敏度太高，且兩測量室不可能制造得*對稱，因此由高靜壓引起的變化仍然是比較顯著的。這種影響主要體現在差壓傳感器的靜壓誤差指標上，即差壓儀表的靜壓變化對其差壓輸出的影響，該影響主要表現在零點輸出和靈敏度輸出變化等方面。國外的研究機構曾對差壓傳感器的靜壓誤差進行過一些科學試驗和總結。例如: 由 Sira (英國)、TNO(挪威) 和 LNE (法國) 歷經 5 年對從 14 個主要制造廠取得的 16 臺差壓變送器樣品進行了獨立評估，得到的結果為: 6 臺儀表未能滿足制造廠關于靜壓影響的規定指標; 2 臺儀表沒有靜壓影響指標，在規定的靜壓zui大值情況下，其量程的變化是其規定校準誤差的 4 倍;13 臺儀表顯著受到靜壓的影響，即靜壓的影響遠大于儀表的校準指標。
由于差壓儀表在不同靜壓下表現出不同的性能，且差別十分顯著，所以差壓儀表在高靜壓下的計量校準十分關鍵，直接關系到差壓儀表的測量準確性。
3、高靜壓差壓校準方法
高靜壓差壓校準一直是世界性的難題。對其研究并不是十分系統和全面，再加上在計量領域內充分認識高靜壓差壓校準技術重要性的時間比較短，所以在世界范圍內高靜壓差壓校準裝置的制造和應用并不普及，差壓儀表的校準方法也非常有限。
3. 1 低壓端通大氣方式差壓校準
由于差壓校準設備普及率低，大多數的差壓測量儀表是在低壓端通大氣的情況下校準，這種方法只適用于低靜壓差壓 (微差壓) 儀表的校準，因為其靜壓的影響遠低于儀表的準確度指標。大多數使用差壓測量儀表的場合均包含了作用在儀表高、低壓兩端口的一定值的靜壓，通過對差壓儀表性能和國外試驗數據的分析，由于差壓儀表在靜壓狀態下會產生輸出值的靜壓誤差，所以這種忽略靜壓誤差的方法，只能保證靜壓為零的狀態差壓校準的準確度，無法保證實際工作狀態 (靜壓不為零，尤其是高靜壓狀態) 差壓校準的準確度和可信度，因此這種方法存在很大的問題。
3. 2 雙通道數字壓力儀表方式差壓校準
雙通道數字壓力儀表方式差壓校準方法通過將差壓儀表高低壓端口分別與數字壓力儀表相互獨立的兩個通道相連，通過手動或自動控制，使高低壓端口壓力值達到差壓儀表的靜壓要求，這時隔離高低壓端口壓力，再利用數字壓力儀表其中一個壓力通道在高壓端控制壓力，使其達到標準差壓壓力值，來達到校準差壓儀表的目的。雙通道數字壓力儀表方式差壓校準方法主要是通過雙通道壓力控制器來實現。此方法也只適用于低靜壓差壓儀表的校準，因為其zui大的問題是數字壓力儀表在滿足高靜壓的同時，必然會降低校準差壓的準確度和分辨力。另外，因為數字壓力儀表的穩定性及準確度有一定限制，所以利用數字壓力儀表的方法不能作為校準高靜壓差壓儀表的常用方法使用。
3. 3 雙活塞方式差壓校準
雙活塞式高靜壓差壓校準裝置是目前準確度等級zui高的高靜壓差壓校準裝置，也是目前應用的高靜壓差壓標準，國外的一些實驗室如韓國的 KＲISS、日本的 NIMJ 等壓力校準實驗室所研制的差壓校準裝置均選用這種方式。
雙活塞方式高靜壓差壓校準裝置由測量活塞 (包括靜、差壓砝碼)、平衡活塞 (包括靜壓砝碼)以及壓力控制系統和環境檢測系統組成，裝置組成示意圖見圖 2。兩套活塞壓力計系統設計制作在一個底座上，中間用隔離裝置連接起來。首先通過壓力控制系統平穩對校準裝置進行預加壓及粗調，并采用起始靜壓平衡方法使兩活塞在相同靜壓值下浮起并處于工作位置，待活塞旋轉平穩后，關閉連接高低壓管路兩端的平衡閥，并在測量活塞上 (高壓端) 加放需要產生差壓值 Δp 的砝碼，然后壓力控制系統對高壓端管路壓力進行控制，使其達到預定的差壓值。校準過程中差壓值可根據公式 (1) 得出，有
式中: Δp 為標準差壓值; Δm 為測量活塞上靜壓平衡后，所加的差壓砝碼質量; A' 為測量活塞在差壓測量時的活塞有效面積，包含溫度及壓力形變等修正;ρ 為工作介質的密度; Δh 為測量活塞和被校差壓儀表參考位置高度差。
該方法設計原理簡單、易于實現，但是需要合理設計壓力系統的整體布局及結構，以盡量降低由于結構原因而引起的對差壓測量的影響。
3. 4 分壓方式高靜壓差壓校準技術
分壓方式產生高靜壓差壓的核心是同軸三活塞設計，采用同軸三活塞大面積差壓活塞的原理，利用大小面積活塞產生壓力的關系，將所加壓力差分為更小的差壓。
我所研制的高靜壓差壓校準裝置選擇分壓方式產生高靜壓差壓，其原理如圖 3 所示，分壓裝置兩輸出端分別與被校差壓儀表高低壓兩端相連，通過壓力控制系統加壓，該壓力通過分壓裝置施加到被校差壓設備高低壓兩端，當達到設定靜壓時，使測試口與壓力控制系統斷開，將分壓裝置下端與標準活塞連通，在標準活塞上施加所需差壓砝碼，并調整標準活塞使其處于工作位置，實現當前靜壓條件下差壓的校準。
校準過程中的差壓值可根據同軸三活塞面積比例計算得出。三組同軸活塞，上、下活塞面積相等，中間活塞的面積是上、下活塞的倍數，設為 M。分壓裝置有兩個腔體，腔內被導入靜壓后由閥門分離，要使分壓裝置上方腔體與下方腔體之間產生差壓 Δp ，由此增加的向下的附加力為 (S － s) Δp ，要使活塞平衡，必須在下端活塞底部增加壓力p ，使s × p = (S － s) Δp，則
因此，需要在標準活塞上加上能產生壓力值 p 的砝碼，來得到差壓 Δp 。從公式 (2) 可知，分壓裝置能提供的差壓量程由同軸三活塞大小活塞的面積比 M確定，因此，通過合理設計活塞的面積比例，可以實現不同范圍的差壓測量。
分壓方式校準技術對分壓裝置及活塞系統的加工要求很高，三個活塞的軸心偏差要求很小，但是該方法操作簡單方便，提高了質量到壓力轉換的分辨力，并且穩定性好，隨著科技水平的發展，有很好的應用前景。
4、試驗分析
基于上述分析，選擇某廠家生產的差壓范圍為 0 ～500 kPa 和 0 ～2000 kPa，zui大工作靜壓均為 17. 3 MPa的兩臺差壓傳感器為試驗對象，采用我所研制的高靜壓差壓校準裝置作為標準器，在不同靜壓條件下，對差壓傳感器施加差壓并測得其輸出值，將輸出值與理論輸出值比較，得到三種不同靜壓條件下輸出值誤差如圖 4 (a)、圖 4 (b) 所示。
從試驗數據看出: 在靜壓不同的條件下，相同差壓點，傳感器示值存在較大差別，該靜壓影響主要跟差壓傳感器的類型和結構原理有關。另外，差壓值在不同靜壓下的影響仍需要進行大量的實驗分析，以進一步確定靜壓對差壓儀表性能的影響。
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