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在閉環(huán)工業(yè)和商業(yè)過(guò)程（例如加熱、通風(fēng)、空調(diào)和制冷 (HVAC/R)）中，設(shè)計(jì)人員使用機(jī)電壓力傳感器來(lái)增強(qiáng)控制并改善過(guò)程性能。問(wèn)題在于，這些系統(tǒng)中使用的液體和氣體以及系統(tǒng)運(yùn)行所處的寬溫度和壓力范圍，都會(huì)侵害壓力傳感器的材料，導(dǎo)致腐蝕，進(jìn)而引發(fā)損害傳感器完整性的泄漏問(wèn)題。 設(shè)計(jì)人員需要一種替代技術(shù)，既能滿足環(huán)境挑戰(zhàn)，又能提供應(yīng)用所需的精度和可靠性。 本文首先說(shuō)明基于應(yīng)變計(jì)的壓力傳感器工作原理，然后介紹 Honeywell 推出的介質(zhì)隔離式壓力 (MIP) 傳感器。它們由不銹鋼制成，采用全密閉焊接設(shè)計(jì)，而不是密封圈和粘合劑密封，后者經(jīng)常被證明是典型傳感器的薄弱點(diǎn)。然后，本文將介紹測(cè)量誤差的來(lái)源以及如何將其最小化，之后展示如何將傳感器應(yīng)用于商業(yè)制冷系統(tǒng)以提高過(guò)程效率。 機(jī)電壓力傳感器的工作原理 現(xiàn)代壓力傳感器基于電氣輸出，并且不再使用較舊且不穩(wěn)定的機(jī)械連桿和撥盤(pán)。當(dāng)今機(jī)電裝置的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可靠性、精度和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能上。它們的主要測(cè)量技術(shù)要么基于壓電材料，要么基于應(yīng)變計(jì)。壓電式壓力傳感器僅適用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，而應(yīng)變計(jì)單元?jiǎng)t可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力測(cè)量。本文將重點(diǎn)介紹后一種技術(shù)。 應(yīng)變計(jì)是在受到應(yīng)變時(shí)會(huì)發(fā)生電阻變化的電路，其中應(yīng)變是指受力材料的長(zhǎng)度變化與其空載長(zhǎng)度之比（稱為“ε”）。應(yīng)變計(jì)通常根據(jù)其“應(yīng)變因子”(GF) 分類，這是一個(gè)衡量應(yīng)變靈敏度的指標(biāo)。換言之，GF 是電阻的微變與長(zhǎng)度的微變（即應(yīng)變）之比。 在使用中，壓力傳感器被直接插入受壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中的液體或氣體進(jìn)入傳感器的端口并造成膜片移位。使用合適的粘合劑將應(yīng)變計(jì)安裝到該膜片的上側(cè)面（圖 1）。 
圖 1：適用于壓力傳感器的膜片式應(yīng)變計(jì)。在此示例中，應(yīng)變計(jì)的實(shí)際直徑為 6.35 毫米 (mm)。（圖片來(lái)源：Micro Measurements） 即使在極高的壓力下，應(yīng)變計(jì)的長(zhǎng)度變化可能也不會(huì)超過(guò)幾個(gè)“微應(yīng)變”(mε)，進(jìn)而產(chǎn)生的電阻變化也很小。例如，假設(shè)某個(gè)試樣遭受了 350 mε 的應(yīng)變。在此載荷下，GF 為 2 的應(yīng)變計(jì)呈現(xiàn)的電阻變化為 2 (350 x 10-6) = 0.07%。對(duì)于 350 歐姆 (Ω) 應(yīng)變計(jì)，電阻變化僅為 0.245 Ω。 如何進(jìn)行應(yīng)變計(jì)測(cè)量 為了準(zhǔn)確測(cè)量如此微小的電阻變化，同時(shí)將噪聲的影響降至最低，壓力傳感器的應(yīng)變計(jì)可集成到惠斯通電橋的一條邊中，這樣組成一個(gè)由四個(gè)電阻臂形成的網(wǎng)絡(luò)，兩端施加激勵(lì)電壓 E（圖 2）。
圖 2：在這個(gè)惠斯通電橋電路圖中，應(yīng)變計(jì)集成到一個(gè)電阻臂中；RG 是應(yīng)變計(jì)電阻，RL1 和 RL2 是應(yīng)變計(jì)引線電阻；電阻器 R2、R3 和 R4 是已知的固定值；eo 是輸出電壓，E 是激勵(lì)電壓。（圖片來(lái)源：Micro Measurements） 惠斯通電橋在電氣特性上與兩個(gè)并聯(lián)的分壓器電路等效，其中第一個(gè)分壓器電路由 RG（假定引線電阻 RL1 和 RL2 可忽略不計(jì)）和 R4 構(gòu)成，第二個(gè)則由 R2 和 R3 構(gòu)成。輸出 eo 是在兩個(gè)分壓器的中間節(jié)點(diǎn)之間測(cè)得，并可通過(guò)以下公式計(jì)算該值：
根據(jù)公式 1 可以看出，當(dāng) RG/R4 = R3/R2 時(shí)，輸出電壓 eo 為零，電橋被認(rèn)為處于平衡狀態(tài)。應(yīng)變計(jì)的任何電阻變化都會(huì)導(dǎo)致電橋失去平衡，并產(chǎn)生與應(yīng)變成比例的非零 eo。在壓力傳感器中，膜片式應(yīng)變計(jì)的輸出電壓被認(rèn)為在整個(gè)壓力范圍內(nèi)與供電（激勵(lì)）電壓 E“成比例”（線性比例）。 溫度補(bǔ)償 在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是其非常容易受溫度影響。溫度波動(dòng)會(huì)引入偏移和量程誤差，并增加滯后。 應(yīng)變計(jì)可能會(huì)由于激勵(lì)電壓 E 而變熱，但通過(guò)將 E 保持在較低水平可以在很大程度上緩解這一問(wèn)題。這樣做的缺點(diǎn)是會(huì)降低系統(tǒng)的靈敏度，但如果需要，可以對(duì)惠斯通電橋的輸出電壓 eo 進(jìn)行放大。不過(guò)必須特別小心，避免放大疊加的噪聲。一種解決方案是使用“載波頻率”放大器，將電壓變化轉(zhuǎn)換為頻率變化，并使用窄帶寬輸出來(lái)保持低噪聲并減少帶外電磁干擾 (EMI)。 第二個(gè)熱源來(lái)自壓力傳感器自身的膜片和基體。高溫會(huì)導(dǎo)致膜片膨脹，應(yīng)變計(jì)記錄到并非直接由于液體或氣體壓力引起的應(yīng)變。 為減小這些影響，現(xiàn)代應(yīng)變計(jì)采用了溫度補(bǔ)償措施。應(yīng)變計(jì)通常由 55% 的銅和 45% 的鎳合金制成。材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 非常低，限制了溫度引起的應(yīng)變。另外，通過(guò)將應(yīng)變計(jì)的 CTE 與所連膜片材料的 CTE 仔細(xì)匹配，可實(shí)現(xiàn)一定程度的“自溫度補(bǔ)償”，將溫度引起的應(yīng)變限制為幾微米/米/攝氏度 (μm/m/°C)。 另一個(gè)溫度引起的誤差源可能來(lái)自承載應(yīng)變計(jì)電壓信號(hào)的引線。在對(duì)以上圖 2 中的電橋特性的初步討論中，我們假定了這些電線的電阻（RL1 和 RL2）可以忽略不計(jì)；但如果引線是由銅制成，溫度只要稍微升高 10°C，就可能導(dǎo)致直接自引線產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)百微應(yīng)變 (με) 的電橋偏移。若要克服此偏移，常用方法是使用三線電橋（圖 3）。
圖 3：在此惠斯通電橋電路圖中，負(fù)輸出橋的電節(jié)點(diǎn)從 R4 的頂部移到應(yīng)變計(jì)底部的 RL2 末端。引線 RL1 和 RL2 形成相同的電阻時(shí)，電橋?qū)⒈３制胶狻Ｒ� RL3 僅為電壓檢測(cè)線，對(duì)電橋平衡沒(méi)有影響。（圖片來(lái)源：Micro Measurements） 在圖 3 中可以看到，負(fù)輸出橋的電節(jié)點(diǎn)從 R4 的頂部移到應(yīng)變計(jì)底部的 RL2 末端。引線 RL1 和應(yīng)變計(jì) (RG) 構(gòu)成一個(gè)臂，RL2 和電阻器 R4 構(gòu)成相鄰的臂。如果引線 RL1 和 RL2 具有相同的電阻，則兩個(gè)橋臂的電阻相等，電橋保持平衡。引線 RL3 僅為電壓檢測(cè)線；它沒(méi)有與任何橋臂串聯(lián)，對(duì)電橋平衡沒(méi)有影響。 假設(shè) RL1 和 RL2 都遭遇相同的溫度波動(dòng)，則電橋仍將保持平衡。另外，由于只有一根引線與應(yīng)變計(jì)串聯(lián)，所以與雙引線結(jié)構(gòu)相比，引線引起的溫度敏化減小了一半。 除了溫度對(duì)壓力傳感器輸出的影響外，還有其他誤差源。這些誤差源往往被稱為“理想傳遞函數(shù)”，它是一條穿過(guò)理想偏移的與溫度無(wú)關(guān)的直線，斜率等于工作壓力范圍的理想滿量程 (FSS)。該偏移是施加參考?jí)毫r(shí)獲得的輸出信號(hào)，而 FSS 是在工作壓力范圍的上限和下限處測(cè)得的輸出信號(hào)之間的差值（圖 4）。
圖 4：壓力傳感器的理想傳遞函數(shù)是一條穿過(guò)理想偏移的與溫度無(wú)關(guān)的直線，斜率等于工作壓力范圍的 FSS。（圖片來(lái)源：Honeywell） 質(zhì)量較差的壓力傳感器在出廠時(shí)可能具有相對(duì)較大的偏移誤差和 FSS 誤差。偏移誤差是與理想偏移相比的最大壓力偏差，而 FSS 誤差則是在參考溫度下測(cè)得的 FSS 相對(duì)于根據(jù)理想傳遞函數(shù)確定的理想（或目標(biāo)）FSS 的最大偏差。 更多的誤差來(lái)自壓力傳感器本身的精度，該精度可能受壓力非線性、壓力滯后和不可重復(fù)性的影響。熱引起的誤差、傳感器的精度誤差以及偏移誤差和 FSS 誤差共同決定了壓力傳感器的總誤差帶 (TEB)。TEB 是在整個(gè)補(bǔ)償?shù)臏囟群蛪毫Ψ秶鷥?nèi)，輸出相對(duì)理想傳遞函數(shù)的最大偏差（圖 5）。
圖 5：壓力傳感器的誤差源累加為 TEB。（圖片來(lái)源：Honeywell） 重型壓力傳感器 工業(yè)應(yīng)用中使用的壓力傳感器暴露于腐蝕性液體和氣體中，并且溫度波動(dòng)很大。例如，HVAC/R 應(yīng)用中使用的傳感器暴露于諸如丁烷、丙烷、氨、CO2、乙二醇加水之類的制冷劑或一系列合成氫氟烴制冷劑（如 R134A、R407C、R410A、R448A、R32、R1234ze 或 R1234yf）中。另外，工業(yè) HVAC/R 系統(tǒng)中的溫度橫跨 -40 至 + 85°C 甚至更寬的工業(yè)溫度范圍。 許多中低端壓力傳感器使用黃銅等合金制成，并使用密封圈和粘合劑來(lái)密封傳感器的電子設(shè)備，與接觸膜片的流體和氣體保持隔離。當(dāng)與腐蝕性物質(zhì)一起使用時(shí)，密封可能成為薄弱點(diǎn)并開(kāi)始泄漏。最初可能未檢測(cè)到此類泄漏，導(dǎo)致出現(xiàn)偽讀數(shù)且系統(tǒng)控制效果較差。最終，當(dāng)電子設(shè)備暴露于腐蝕性流體或氣體中時(shí)，泄漏導(dǎo)致故障。 為避免這些潛在的故障模式，設(shè)計(jì)人員可以使用 Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器。這些介質(zhì)隔離式重型壓力傳感器無(wú)需使用內(nèi)部密封圈和粘合劑密封。傳感器由不銹鋼制成，并采用全密閉焊接設(shè)計(jì)，而不是密封圈密封。該設(shè)計(jì)使 MIP 傳感器可與各種各樣的介質(zhì)兼容，包括腐蝕性流體、水和氣體，溫度范圍為 -40 至 125°C，壓力范圍為 100 千帕 (kPa) 至 6 兆帕 (mPa)（圖 6）。
圖 6：Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器由不銹鋼制成，并采用全密閉焊接設(shè)計(jì)，無(wú)需使用密封。該設(shè)計(jì)使傳感器可與各種各樣的介質(zhì)兼容，包括腐蝕性流體、水和氣體。（圖片來(lái)源：Honeywell） MIP 系列采用 5 伏電源工作，并在 0.5 至 4.5 伏直流范圍提供比例輸出。壓力傳感器整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 TEB 在壓力 ≤1 MPa 時(shí)為 ±1.0%，在壓力 >1 MPa 時(shí)為 0.75%。傳感器的精度為 ±0.15% FSS（最佳擬合直線 (BFSL)）（圖7），響應(yīng)時(shí)間為 1 毫秒 (ms)，爆裂額定值超過(guò) 20 MPa。
圖 7：MIP 系列壓力傳感器采用 5 伏電源工作，并在 0.5 至 4.5 伏直流范圍提供比例輸出。壓力傳感器整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 TEB 在壓力 ≤1 MPa 時(shí)為 ±1.0%，在壓力 >1 MPa 時(shí)為 0.75%。（圖片來(lái)源：Honeywell） 此外，在發(fā)生電氣故障時(shí)，該系列還具有 ±40 伏直流過(guò)壓保護(hù)以及傳感器輸出診斷功能（表 1）。
Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器工作特性表表 1：MIP 系列壓力傳感器的工作特性。（圖片來(lái)源：Honeywell） HVAC 應(yīng)用中的壓力傳感器 壓力傳感器在 HVAC 系統(tǒng)等應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用，它能實(shí)現(xiàn)精密控制，最大限度提高能效，同時(shí)降低能耗。例如，考慮工業(yè)制冷設(shè)備所用的 HVAC/R 循環(huán)（圖 8）。
圖 8：顯示 HVAC/R 循環(huán)的示意圖。壓縮機(jī)和蒸發(fā)器出口處的重型壓力傳感器可用于監(jiān)測(cè)制冷劑壓力，以確保最佳的制冷劑相變，進(jìn)而確定循環(huán)效率。（圖片來(lái)源：Honeywell） 在壓縮機(jī)級(jí)，來(lái)自蒸發(fā)器的低壓蒸氣被壓縮（導(dǎo)致加熱）并泵送到冷凝器。在冷凝器，高溫蒸氣將其潛熱釋放到空氣中，并凝結(jié)成熱液體。再由干燥機(jī)去除制冷劑中的所有水分。接下來(lái)，在計(jì)量裝置處，來(lái)自冷凝器的熱液體被推動(dòng)流經(jīng)限流裝置，限流裝置減小其壓力，迫使制冷劑釋放熱量。然后，在蒸發(fā)器內(nèi)部，此冷液體吸收冷凝器回流氣流中的熱量，并變成蒸氣。該蒸氣繼續(xù)吸收熱量，直至到達(dá)壓縮機(jī)并重復(fù)循環(huán)。來(lái)自蒸發(fā)器的冷空氣可用于降低冷藏容器的溫度。 制冷循環(huán)之所以能夠起作用，是因?yàn)樵谥评鋭⿵囊后w變?yōu)檎魵庠購(gòu)恼魵庾兓匾后w的過(guò)程中，釋放或獲得了大量潛能。為了高效而穩(wěn)定地運(yùn)行，必須仔細(xì)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)各個(gè)部分的壓力。在制冷劑經(jīng)歷液相至氣相/氣相至液相變化時(shí)，尤其如此。例如，在低壓下，制冷劑將在比原本更低的溫度下從液體變成氣體并吸收潛能（熱量）。在高壓下，制冷劑氣體將在比原本更高的溫度下從氣體變?yōu)橐后w并釋放潛能（熱量）。 通過(guò)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)和蒸發(fā)器出口的壓力，可以設(shè)置壓縮機(jī)和計(jì)量裝置精確控制循環(huán)中低壓和高壓部分的流量（及相應(yīng)的壓力），進(jìn)而控制制冷劑的相變溫度，實(shí)現(xiàn)最大化的系統(tǒng)效率。 總結(jié) 應(yīng)變計(jì)壓力傳感器為工業(yè)過(guò)程中的壓力測(cè)量提供了很好的解決方案，但對(duì)于可能暴露于極端環(huán)境的系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)人員需要了解使用密封圈和粘合劑的型號(hào)存在的局限性。 Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器專為可能遇到這類極端情況的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用不銹鋼制造和全密閉焊接設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)可讓 MIP 傳感器與各種工業(yè)液體和氣體兼容，即使在更高的溫度和壓力下也能確保長(zhǎng)壽命。此外，Honeywell 壓力傳感器還具有精度高、響應(yīng)速度快、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和 EMI 抗擾度出色等特性。 來(lái)源：Digi-Key |
