差壓傳感器檢定裝置的研究與探討

摘 要：差壓傳感器是應(yīng)用于煤礦井下風(fēng)機(jī)、通風(fēng)巷道、環(huán)保除塵環(huán)境等場(chǎng)所，用來(lái)測(cè)量壓力差值的計(jì)量器具，應(yīng)用極其廣泛。本文從差壓傳感器的測(cè)量參數(shù)和檢定方法入手，設(shè)計(jì)和研究滿足不同測(cè)量范圍要求的差壓傳感器檢定裝置，探討微差壓傳感器檢定過(guò)程中微壓的實(shí)現(xiàn)方法，希望為差壓傳感器檢定工作的開(kāi)展和檢定裝置的研發(fā)予以技術(shù)支持。

關(guān)鍵字：差壓傳感器，微壓，檢定裝置

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.04.033

1 差壓傳感器

氣壓是工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中常用的物理量之一。差壓傳感器是可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，并具有壓力值實(shí)時(shí)顯示、超限聲光報(bào)警、頻率信號(hào)輸出等功能的計(jì)量器具，被廣泛安裝在生產(chǎn)和生活領(lǐng)域的固定場(chǎng)所。其主要用于測(cè)量煤礦井下風(fēng)機(jī)、風(fēng)門(mén)密閉、通風(fēng)巷道，以及醫(yī)藥企業(yè)的環(huán)保除塵設(shè)備、電子企業(yè)潔凈室、潔凈廠房等場(chǎng)所的環(huán)境差壓[1]。

差壓傳感器作為煤礦安全生產(chǎn)和計(jì)量管理重要的計(jì)量器具，壓力量值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到采礦人員的生命是否安全和科研生產(chǎn)能否順利完成[2]。差壓傳感器主要用于氣體的壓力測(cè)量，其工作原理是通過(guò)采集頭取得差壓后，通過(guò)傳感器元件將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后分配給各單元，最終通過(guò)顯示屏顯示壓力值，輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)[3]。

本文以科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性、實(shí)用性為出發(fā)點(diǎn)，參照國(guó)家頒布的JJG 860—2015《壓力傳感器（靜態(tài)）》等規(guī)程或規(guī)范，對(duì)差壓傳感器和微差壓傳感器檢定裝置的研制進(jìn)行了討論。

2 差壓傳感器示值誤差檢定方法

根據(jù)國(guó)家頒布的JJG 860—2015《壓力傳感器（靜態(tài)）》檢定規(guī)程，可以選擇溫度在15～35℃，濕度在45%RH～75%RH的穩(wěn)定環(huán)境中開(kāi)展檢定工作[4]。檢定工作開(kāi)展前，要先將差壓傳感器放置在上述穩(wěn)定環(huán)境中2 h以上，差壓傳感器與檢定裝置連通后，通電預(yù)熱要30 min以上。

檢定過(guò)程中要從下限開(kāi)始，輸入檢定點(diǎn)的壓力信號(hào)，讀取并記錄傳感器的顯示值或輸出信號(hào)值，當(dāng)?shù)竭_(dá)儀器上限值并產(chǎn)生明顯波動(dòng)時(shí)，再反方向改變壓力信號(hào)到各檢定點(diǎn)，直至下限值，讀取并記錄傳感器的顯示值或輸出信號(hào)值，此為一次循環(huán)檢定。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，建議采取3次循環(huán)檢定的方式，且輸入壓力信號(hào)時(shí)要盡可能平穩(wěn)，避免輸入壓力信號(hào)的過(guò)程出現(xiàn)超調(diào)或者回調(diào)現(xiàn)象。

為確保檢定工作準(zhǔn)確可靠，檢定準(zhǔn)確度等級(jí)低于0.1級(jí)（含0.1級(jí)）的差壓傳感器，選取至少包括上限值、下限值在內(nèi)的6個(gè)檢定點(diǎn)；檢定準(zhǔn)確度等級(jí)高于0.05級(jí)（含0.05級(jí)）的差壓傳感器，選擇至少包括上限值、下限值在內(nèi)的9個(gè)檢定點(diǎn)。

3 差壓傳感器檢定裝置的設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

工作和生產(chǎn)安全至關(guān)重要，工作中要定期對(duì)差壓傳感器進(jìn)行檢定，因此，穩(wěn)定可靠的差壓傳感器檢定裝置必不可少。標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生裝置是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的差壓傳感器檢定裝置，根據(jù)發(fā)生壓力的原理不同，可以分為活塞壓力計(jì)和自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器2種。活塞壓力計(jì)因其準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，被眾多檢定實(shí)驗(yàn)室廣泛采用。為了自動(dòng)檢定的工作需要，我國(guó)已研制出了自動(dòng)加壓或自動(dòng)加砝碼的全自動(dòng)活塞壓力計(jì)，但因其勞動(dòng)強(qiáng)度大、不方便攜帶、壓力點(diǎn)不連續(xù)等原因，使用該壓力機(jī)在生產(chǎn)和生活領(lǐng)域等固定場(chǎng)所進(jìn)行差壓傳感器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作，仍然存在一定困難[5]。因此研制操作簡(jiǎn)單、方便攜帶、便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定的差壓傳感器檢定裝置成為目前檢定工作的重要任務(wù)。

3.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)差壓傳感器檢定裝置的工作原理，總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

上述差壓傳感器檢定裝置為自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器，主要包含氣體輸入裝置、壓力控制裝置、氣體存儲(chǔ)裝置和氣體輸出裝置四部分。根據(jù)測(cè)量范圍的不同，差壓傳感器分為微壓、常壓、中壓和高壓差壓傳感器。氣體輸入裝置輸入氣體的壓力和標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器的選擇要根據(jù)工作用差壓傳感器測(cè)量范圍來(lái)選擇，標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器應(yīng)該方便更換。

3.3 各部件的功能和作用

3.3.1 氣體輸入裝置

氣體輸入裝置包含氣體壓力源和過(guò)濾器兩部分。氣體壓力源用來(lái)給標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器提供壓力充足的氣源。壓力的選擇要根據(jù)檢定的差壓傳感器的測(cè)量上限值來(lái)確定，輸出氣體的壓力要高于其測(cè)量上限值。過(guò)濾器是為標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器提供潔凈氣體源的裝置，用來(lái)過(guò)濾氣體壓力源輸出的氣體。差壓傳感器檢定的關(guān)鍵是保持氣路順暢，此裝置可防止固體顆粒、雜質(zhì)等進(jìn)入氣路。

3.3.2 壓力控制裝置

壓力控制裝置是對(duì)氣體壓力進(jìn)行預(yù)分壓的裝置，由前后兩個(gè)氣體閥組共同構(gòu)成，用于精確調(diào)節(jié)氣體壓力并提供合適壓力的氣源，防止因進(jìn)氣壓力較大或者超過(guò)量程而對(duì)差壓傳感器造成損害。前面的氣體閥組用于控制進(jìn)入的氣體，氣容中的氣體較多時(shí)，可以選擇關(guān)閉此閥；后面的氣體閥組控制排出氣體的量，兩個(gè)氣體閥共同配合，直至輸出的壓力數(shù)值大小和精度滿足差壓傳感器各檢定點(diǎn)壓力的需要。

3.3.3 氣體存儲(chǔ)裝置

氣體存儲(chǔ)裝置包含氣容，是用來(lái)存儲(chǔ)潔凈氣體的裝置，緩沖氣體壓力源輸出的氣體壓力，減少氣體速度對(duì)差壓傳感器檢定的影響，從而提升整個(gè)檢定過(guò)程中氣體的穩(wěn)定性。

3.3.4 氣體輸出裝置

氣體存儲(chǔ)裝置包含具有適宜壓力氣體的輸出裝置和多余氣體的輸出裝置。適宜壓力氣體的輸出接口連接標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器和工作用差壓傳感器兩部分。標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器用于測(cè)量輸出氣體的壓力，并向壓力控制系統(tǒng)反饋氣體壓力的電壓信號(hào)，工作用差壓傳感器也稱(chēng)被檢定差壓傳感器。溢流閥用于多余氣體的排出，減小因氣路中氣體壓力過(guò)大而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)或者工作用差壓傳感器特別是微差壓傳感器等小量程差壓傳感器因超壓而損壞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)氣容中氣體壓力過(guò)大時(shí)，溢流閥將自動(dòng)將超出壓力的氣體泄掉，保證氣路中的氣體壓力適宜。

標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器、工作用差壓傳感器和第二個(gè)氣體閥組采用三通裝置進(jìn)行連接，將適宜的壓力分成兩路，一路氣體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器，另一路氣體進(jìn)入工作用差壓傳感器，通過(guò)兩路氣體測(cè)量數(shù)值之差，得出誤差值。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，檢定過(guò)程中三者盡量在同一水平面。

3.4 微差壓傳感器檢定裝置的設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)領(lǐng)域中的一些工作場(chǎng)所對(duì)差壓的控制要求越來(lái)越高，一般的差壓傳感器已經(jīng)滿足不了需要，越來(lái)越多的微差壓傳感器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。研制體積小、質(zhì)量輕、小流量氣流穩(wěn)定的差壓傳感器檢定裝置也是今后努力的方向，會(huì)對(duì)差壓傳感器的檢定工作帶來(lái)實(shí)際意義。

上述差壓傳感器檢定裝置雖然可以滿足不同量程的差壓傳感器檢定工作，但是為了更準(zhǔn)確地輸出微壓，需要在過(guò)濾器與第一個(gè)空氣閥組之間安裝一個(gè)截止閥，并且將氣體壓力源的輸出壓力控制在0.6 MPa左右，方可將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器和工作用差壓傳感器的壓力滿足所測(cè)微差壓傳感器的量程要求，再通過(guò)氣體閥組來(lái)進(jìn)一步控制輸出壓力大小。在檢定絕壓差壓傳感器時(shí)，只需要在第二個(gè)氣體閥組后再安裝一個(gè)截止閥就可以了。為了方便攜帶，還可以將截止閥設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)閥門(mén)，在開(kāi)展微差壓傳感器或者絕壓差壓傳感器檢定工作時(shí)，可以將旋轉(zhuǎn)閥門(mén)關(guān)閉，否則可以將旋轉(zhuǎn)閥門(mén)調(diào)整至全部打開(kāi)狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本論文對(duì)差壓傳感器檢定裝置進(jìn)行了研究和探索，文中差壓傳感器檢定裝置中標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器可更換，可以滿足微壓、常壓、中壓和高壓差壓傳感器不同量程范圍的壓力參數(shù)，只涉及一個(gè)氣體通道，體積較小，便于攜帶，滿足開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢定差壓傳感器工作，解決了被校差壓傳感器拆裝后再送檢的困擾。所以對(duì)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，一套裝置就能滿足不同測(cè)量范圍的差壓傳感器的檢定工作，節(jié)約成本的同時(shí)也提高了檢定效率。在有條件的情況下，可以試著將氣體壓力源換成微型氣體泵，將空氣閥組換成流量計(jì)或者數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)，這樣差壓傳感器檢定裝置將更加精密小巧、更易方便攜帶。

為了實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量范圍的多個(gè)差壓傳感器共同檢定的需求，也可以采取多通道設(shè)計(jì)的方式，使用相同的氣體輸入裝置。氣體存儲(chǔ)裝置、壓力控制裝置和氣體輸出裝置三部分采用不同的氣路通道（比如分微壓、常壓、中壓和高壓通道），氣路通道互不干涉，無(wú)須更換標(biāo)準(zhǔn)差壓傳感器，增加裝置的穩(wěn)定性和使用壽命，但體積和重量有所增加，現(xiàn)場(chǎng)檢定過(guò)程中攜帶不方便。希望本文設(shè)計(jì)的差壓傳感器檢定裝置可以幫助解決差壓傳感器檢定過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，為新興計(jì)量技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧金華，何昭志.便攜式微壓壓力發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2021（5）：26-27.

[2]王洋，盛曉巖，彭軼.多量程并行輸出自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2023，44（4）：8-11.

[3]羅昶，閆晉平，姚曉東，等.自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器控制原理及檢定方法研究[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2021，41（4）：36-43.

[4]焦寰宇.淺析壓力變送器檢定及使用中的問(wèn)題和解決方法[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（9）：169-171.

[5]吳蔡祥.壓力（差壓）變送器現(xiàn)場(chǎng)檢定/校準(zhǔn)有關(guān)問(wèn)題的淺析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2019，46（8）：91-93.

作者簡(jiǎn)介

朱曉艷，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)量管理和計(jì)量檢定工作。

（責(zé)任編輯：劉憲銀）