胡立榮 王東方 蘭玉岐

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

低溫壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

胡立榮 王東方 蘭玉岐

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 北京 100074)

介紹了一種用于低溫壓力傳感器校準(zhǔn)裝置，該裝置能在試驗(yàn)室對(duì)低溫壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，可滿足壓力傳感器復(fù)雜低溫環(huán)境的要求，準(zhǔn)確、客觀地反映低溫壓力傳感器的性能指標(biāo)，具有較高的測(cè)量精確度。利用該校正裝置在20 K、77 K條件下成功對(duì)某壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，證明此套校驗(yàn)裝置的有效性和可靠性。

低溫 壓力傳感器 校準(zhǔn)

1 引言

各種耐壓設(shè)備的控制中，大部分的壓力參數(shù)需要監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)處理各種可能出現(xiàn)的問題。壓力測(cè)量儀器壓力傳感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著中國飛行器的快速發(fā)展，更是提出了在低溫環(huán)境條件下對(duì)壓力參數(shù)的測(cè)量。

目前低于77 K的低溫壓力傳感器產(chǎn)品需進(jìn)口。為了滿足低溫壓力傳感器的研制需求，開展低于77 K的低溫壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)研制很有必要。航天工藝系統(tǒng)要求對(duì)液氫溫區(qū)低溫環(huán)境條件下的壓力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而目前國內(nèi)使用的壓力傳感器最低溫度只能達(dá)到液氮溫區(qū)［1］，因此開展液氫溫區(qū)壓力傳感器標(biāo)定研究就顯得非常迫切。由于在不同溫度條件下，受傳感器敏感元件材料熱脹冷縮、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造工藝的影響，致使傳感器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移(零點(diǎn)漂移是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)零點(diǎn)的變化)和靈敏度溫度漂移，對(duì)壓力傳感器來說標(biāo)定溫度和使用溫度不同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定的附加誤差，溫度是影響其工作性能的主要因素之一［2-5］。一般傳感器難以在大范圍內(nèi)(室溫變化到液氮、液氫溫區(qū))進(jìn)行零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫度補(bǔ)償，因此溫度對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果有很大影響。目前尚無低溫壓力傳感器低溫校準(zhǔn)裝置，低溫壓力傳感器均是在室溫條件下校準(zhǔn)的，這與傳感器實(shí)際使用工況相差甚遠(yuǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)由傳感器溫度性能影響給測(cè)量帶來的誤差最大達(dá)10%，所以在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際使用溫度建立低溫環(huán)境下低溫壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)是十分必要的，可確保低溫壓力測(cè)量數(shù)據(jù)溯源的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

低溫壓力傳感器試驗(yàn)室校準(zhǔn)裝置主要由氣體壓力標(biāo)準(zhǔn)源、低溫介質(zhì)加注系統(tǒng)、低溫儲(chǔ)存系統(tǒng)、自動(dòng)恒溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)組成，校準(zhǔn)裝置原理圖如圖1所示。

圖1 低溫壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of correcting system for low temperature pressure sensor

校準(zhǔn)時(shí)采用液氫、液氮低溫介質(zhì)作為冷源，被校準(zhǔn)壓力傳感器安裝在帶有引壓管的恒溫試驗(yàn)小室中，試驗(yàn)小室置于盛有低溫介質(zhì)中的試驗(yàn)杜瓦中，由氦氣壓力標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)傳感器的試驗(yàn)壓力進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，傳感器供電、信號(hào)輸出由低溫密封插座引出。試驗(yàn)小室為雙層結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示，試驗(yàn)時(shí)安裝壓力傳感器后，真空小室和裝有壓力傳感器的恒溫小室均充入氦氣置換后保壓，加注低溫介質(zhì)換熱平衡后測(cè)量，然后抽掉夾層氦氣，恒溫器開始控溫，測(cè)量不同溫度點(diǎn)壓力傳感器的輸出，過程中壁溫溫度傳感器監(jiān)控壓力傳感器溫度，內(nèi)層裝有壓力傳感器的試驗(yàn)小室持續(xù)氦氣保壓作為傳熱介質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)介紹

以低溫壓力傳感器為試驗(yàn)對(duì)象，建立低溫環(huán)境下壓力傳感器試驗(yàn)室校準(zhǔn)裝置，溫度范圍:20—200 K，壓力范圍:0—40 MPa，低溫試驗(yàn)平臺(tái)包括0—21 MPa低壓試驗(yàn)工位和21—40 MPa高壓試驗(yàn)工位。

2.2.1 低溫介質(zhì)加注和排放系統(tǒng)

圖2 低溫壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)裝置Fig.2 Static correcting system for low temperature pressure sensor

低溫介質(zhì)加注和排放系統(tǒng)主要由液氮和液氫儲(chǔ)存容器、增壓氣源、氫濃度監(jiān)控、排風(fēng)系統(tǒng)、真空加注管路和放空管組成。試驗(yàn)時(shí)低溫介質(zhì)通過擠壓法由低溫介質(zhì)儲(chǔ)存容器經(jīng)真空絕熱管路加注到試驗(yàn)杜瓦中，增壓氣瓶通過減壓器、氣體管路給低溫介質(zhì)儲(chǔ)存容器增壓，加注量由試驗(yàn)杜瓦中點(diǎn)式液位傳感器控制。為保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)間內(nèi)裝有氫濃度監(jiān)控系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)排風(fēng)機(jī)，當(dāng)試驗(yàn)間氫濃度超過設(shè)定值，排風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行確保試驗(yàn)安全。試驗(yàn)后低溫介質(zhì)通過給試驗(yàn)杜瓦增壓由放空管排出。

2.2.2 低溫儲(chǔ)存系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)由試驗(yàn)杜瓦、高低壓試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)小室、點(diǎn)式溫度傳感器、真空壓力表組成。試驗(yàn)杜瓦主要用來儲(chǔ)存試驗(yàn)用低溫介質(zhì)浸泡試驗(yàn)小室，試驗(yàn)小室與法蘭焊接，法蘭與試驗(yàn)杜瓦用橡膠圈密封連接，法蘭上有低溫介質(zhì)加注和排放口、抽空口(與試驗(yàn)小室連接，管路上裝有測(cè)溫口、測(cè)壓口、置換氣接口)、測(cè)溫口(監(jiān)控試驗(yàn)杜瓦液位)。試驗(yàn)時(shí)壓力感器裝入試驗(yàn)小室內(nèi)的恒溫小室后，銦絲密封恒溫小室、試驗(yàn)小室，常溫下氦氣反復(fù)抽空置換，最后用不低于0.05 MPa的壓力進(jìn)行保壓(作為傳熱介質(zhì))，置于試驗(yàn)杜瓦中，將工裝法蘭與試驗(yàn)杜瓦法蘭密封，然后加低溫介質(zhì)，過程中壓力傳感器溫度由壁溫溫度傳感器監(jiān)控。

2.2.3 自動(dòng)恒溫系統(tǒng)

自動(dòng)恒溫系統(tǒng)主要由低溫冷源、恒溫小室、配氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控溫儀、自動(dòng)控溫軟件、溫度計(jì)、計(jì)算機(jī)等組成，具體如圖3所示。恒溫器技術(shù)指標(biāo)為:溫度波動(dòng)度≤0.5 K/30 min，溫場(chǎng)均勻性≤0.3 K，可在20—200 K溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度控制。試驗(yàn)時(shí)加注低溫介質(zhì)達(dá)到熱平衡后測(cè)量該點(diǎn)溫度下壓力傳感器輸出，然后抽掉夾層氦氣，當(dāng)真空度低于10-3Pa時(shí)恒溫器開始控溫。采用計(jì)算機(jī)軟件程序進(jìn)行自動(dòng)控溫，程序根據(jù)測(cè)溫儀讀取的溫度值與設(shè)定溫度的關(guān)系控制控溫儀輸出到恒溫小室上加熱器的功率，控溫過程PID控制和模糊控制方法并用。

圖3 自動(dòng)恒溫器原理圖Fig.3 Schematic diagram of automatic cryostat device

2.2.4 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)硬件主要采集壓力傳感器輸出的數(shù)采系統(tǒng)和測(cè)量試驗(yàn)杜瓦內(nèi)液位、壓力傳感器溫度的儀表組成。高、低壓試驗(yàn)杜瓦內(nèi)有兩個(gè)溫度傳感器分別作為上下液位點(diǎn)，下液位位于小室上方100 mm處，上液位位于小室上方400 mm處，試驗(yàn)時(shí)加注低溫介質(zhì)至上液位，試驗(yàn)過程中當(dāng)液位低于下液位點(diǎn)時(shí)補(bǔ)加低溫介質(zhì)。在采集計(jì)算機(jī)中接入標(biāo)準(zhǔn)傳感器(標(biāo)準(zhǔn)氣)和被標(biāo)傳感器，標(biāo)準(zhǔn)氣的精度需高于被標(biāo)傳感器一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2.5 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由氦氣瓶、氦氣純化器、配氣臺(tái)和管路組成，試驗(yàn)時(shí)為確保試驗(yàn)系統(tǒng)的潔凈度、減小潔凈度對(duì)電容傳感器引入的測(cè)量誤差用高純氦氣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換和保壓，因此需要純化器對(duì)氦氣進(jìn)行純化。壓力源的基本要求:提供穩(wěn)定壓力以及方便氣壓調(diào)節(jié)。壓力傳遞裝置至少擁有兩個(gè)以上壓力引出端口，接入受檢壓力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)壓力表。

2.2.6 數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及其顯示部分，轉(zhuǎn)換部分、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。通過程序?qū)?biāo)準(zhǔn)傳感器壓力值與設(shè)定值的判斷比較，記錄被標(biāo)傳感器的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和采集速度非?？?，可以達(dá)到準(zhǔn)確記錄。通過調(diào)節(jié)壓力控制裝置，壓力傳感器通過電壓變化將輸入的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號(hào)，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行采樣，顯示對(duì)應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理計(jì)算，轉(zhuǎn)換為壓力量，從而求得標(biāo)定曲線、方程和系數(shù)。

2.2.7 校準(zhǔn)裝置的使用方法

(1)準(zhǔn)備好試驗(yàn)用低溫介質(zhì)、氦氣、氫氣，將氦氣源、標(biāo)準(zhǔn)壓力源按系統(tǒng)流程圖接入試驗(yàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)供氣條件下接好試驗(yàn)壓力傳感器。密封試驗(yàn)小室，常溫下試驗(yàn)小室通入氦氣，然后放空，反復(fù)置換3次;保持試驗(yàn)小室壓力，將試驗(yàn)小室置入試驗(yàn)杜瓦內(nèi)，打開氫濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加注液氫。

(2)熱平衡后啟動(dòng)自動(dòng)恒溫裝置，調(diào)解壓力校準(zhǔn)源開始試驗(yàn);試驗(yàn)后排掉試驗(yàn)杜瓦內(nèi)液氫，控制手動(dòng)液壓叉車，提升試驗(yàn)小室開始進(jìn)行標(biāo)定。升壓至每個(gè)檢定點(diǎn)壓力，在壓力穩(wěn)定時(shí)計(jì)算機(jī)采集和存儲(chǔ)并輸出數(shù)據(jù)。進(jìn)行傳感器的壓力輸出特性標(biāo)定時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)壓力表作為校準(zhǔn)儀表。改變溫度，重復(fù)上述操作，記錄標(biāo)準(zhǔn)壓力表和壓力傳感器的輸出值。

(3)對(duì)采集數(shù)據(jù)做曲線擬合，得出各溫度點(diǎn)的靜態(tài)特性方程指標(biāo)如非線性、遲滯、重復(fù)性和精度誤差等。根據(jù)標(biāo)校過程中可能存在的問題，對(duì)傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)方法進(jìn)行改進(jìn)，提高校正的準(zhǔn)確性和工作效率。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 傳感器的工作直線

為了實(shí)際使用的方便，往往用一條工作直線來代替實(shí)際的校準(zhǔn)曲線。由它來反映傳感器的輸入與輸出之間的關(guān)系。傳感器的工作直線可用下面的特性方程表示:

式中:a為工作直線在軸上的截距，b為工作直線的斜率。

傳感器的工作直線根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法來確定。

根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可按下列公式求得直線方程的截距a和斜率b:

對(duì)于通常的等間距校準(zhǔn)，即Xi+1=Xi+h(h為傳感器兩相鄰校準(zhǔn)點(diǎn)的輸入差值)，可利用表1提供的公式簡捷地求得b值。

表1 校準(zhǔn)公式Table 1 Calibration formula

3.2 傳感器性能測(cè)試

利用該低溫壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)某型號(hào)壓力傳感器進(jìn)行性能測(cè)試的結(jié)果，以及各溫度點(diǎn)低溫壓力傳感器靜態(tài)性能如表2所示。其中:

(1)298 K時(shí)，線性方程為 Y=359.08+8 266.47P，精度為0.33%，線性為0.312%FS，遲滯為0.022%FS，重復(fù)性為0.06%FS;

(2)77 K時(shí)，線性方程為 Y=294.352 3±8 295.625P，誤差為1.05%;

(3)20 K時(shí)，線性方程為 Y=168.807±8 378.057P，誤差為2.99%。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Testing data

在常態(tài)下對(duì)某型號(hào)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)校，給出傳感器的靜態(tài)精度指標(biāo)和常態(tài)特性方程。對(duì)輸入與輸出參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，每一個(gè)壓力輸入，對(duì)應(yīng)著一個(gè)應(yīng)變(電壓)輸出，以壓力為橫坐標(biāo)，應(yīng)變代表縱坐標(biāo)，逐點(diǎn)描跡，繪出輸入-輸出特性曲線，得出相應(yīng)的校準(zhǔn)直線。在20 K及77 K條件下對(duì)該型號(hào)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)校，給出各溫度點(diǎn)的特性方程和誤差指標(biāo)。用圖解在校準(zhǔn)直線兩側(cè)平行畫兩條直線，使之包括全部數(shù)據(jù)點(diǎn)，這時(shí)離校準(zhǔn)直線垂直距離最大的值，即線性誤差。20 K及77 K條件下對(duì)該型號(hào)傳感器常態(tài)及低溫下傳感器校正特性曲線如圖4所示［1］?？梢钥闯觯?0 K及77 K條件下直線斜率近似相等，說明壓力傳感器的輸入-輸出壓力變化近似不變，意味著校正系統(tǒng)的檢測(cè)能力近似不變。橫坐標(biāo)壓力輸入與縱坐標(biāo)相關(guān)系數(shù)R2=1.0，數(shù)據(jù)高度相關(guān)，測(cè)試值與理論值吻合非常好，線性回歸模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)的擬合完美，用線性回歸模型描述校正數(shù)據(jù)是非常合理的。兩個(gè)溫度下檢測(cè)點(diǎn)的線性誤差分別為1.6%、3.0%，滿足總體提出的測(cè)量精度要求。

圖4 某型低溫壓力傳感器在20 K及77 K溫度下的特性曲線Fig.4 Test data of a pressure sensor attemperature 20 K and 77 K

4 結(jié)束語

使用該校準(zhǔn)裝置在試驗(yàn)室條件下對(duì)低溫壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，能充分滿足壓力傳感器復(fù)雜低溫環(huán)境的要求，準(zhǔn)確、客觀地反映壓力傳感器的性能指標(biāo)。在20 K及77 K溫度條件下對(duì)某型低溫壓力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，并對(duì)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，測(cè)試值與理論值擬合度非常好，回歸模型顯示高度線性相關(guān)。標(biāo)定裝置工藝合理，可靠性高，能滿足液氮和液氫低溫溫區(qū)對(duì)低溫傳感器的校準(zhǔn)需求。

1 李小換，鄒其利，張世名.超低溫薄膜壓力傳感器的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器.，2009(增刊):171-174.

2 徐鵬，孫玲.壓力傳感器溫度漂移補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用分析［J］.中國水運(yùn)，2012(1):105-106.

3 王志敏.壓力傳感器的溫度補(bǔ)償［J］.自動(dòng)化與儀表，2007(9):18-20.

4 郭濤，熊繼軍，張文棟.壓阻式壓力傳感器的溫度特性研究［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2004(18):229-231.

5 程啟明.壓力傳感器非線性誤差的單片機(jī)校正［J］.計(jì)量技術(shù)，1997(12):4-7.

Research of calibration system for low temperature pressure sensor

Hu Lirong Wang Dongfang Lan Yuqi

(Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China)

A calibration system of low temperature pressure sensor was set up，which could be used to test cryogenic pressure sensor in laboratory.The system can meet the test requirement of pressure sensor in complex low temperature environment and show the characteristics of low temperature pressure sensor.A new low temperature pressure sensor was well calibrated by using the system at 20 K and 77 K and proved the validity and reliability of the system.

low temperature;pressure sensor;calibration

TB663

A

1000-6516(2013)04-0060-05

2012-11-07;

2013-04-24

胡立榮，女，35歲，工程師。