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在閉環工業和商業過程（例如加熱、通風、空調和制冷 (HVAC/R)）中，設計人員使用機電壓力傳感器來增強控制并改善過程性能。問題在于，這些系統中使用的液體和氣體以及系統運行所處的寬溫度和壓力范圍，都會侵害壓力傳感器的材料，導致腐蝕，進而引發損害傳感器完整性的泄漏問題。 設計人員需要一種替代技術，既能滿足環境挑戰，又能提供應用所需的精度和可靠性。 本文首先說明基于應變計的壓力傳感器工作原理，然后介紹 Honeywell 推出的介質隔離式壓力 (MIP) 傳感器。它們由不銹鋼制成，采用全密閉焊接設計，而不是密封圈和粘合劑密封，后者經常被證明是典型傳感器的薄弱點。然后，本文將介紹測量誤差的來源以及如何將其最小化，之后展示如何將傳感器應用于商業制冷系統以提高過程效率。 機電壓力傳感器的工作原理 現代壓力傳感器基于電氣輸出，并且不再使用較舊且不穩定的機械連桿和撥盤。當今機電裝置的關鍵優勢體現在可靠性、精度和遠程監控功能上。它們的主要測量技術要么基于壓電材料，要么基于應變計。壓電式壓力傳感器僅適用于動態壓力測量，而應變計單元則可用于動態和靜態壓力測量。本文將重點介紹后一種技術。 應變計是在受到應變時會發生電阻變化的電路，其中應變是指受力材料的長度變化與其空載長度之比（稱為“ε”）。應變計通常根據其“應變因子”(GF) 分類，這是一個衡量應變靈敏度的指標。換言之，GF 是電阻的微變與長度的微變（即應變）之比。 在使用中，壓力傳感器被直接插入受壓系統，系統中的液體或氣體進入傳感器的端口并造成膜片移位。使用合適的粘合劑將應變計安裝到該膜片的上側面（圖 1）。 
圖 1：適用于壓力傳感器的膜片式應變計。在此示例中，應變計的實際直徑為 6.35 毫米 (mm)。（圖片來源：Micro Measurements） 即使在極高的壓力下，應變計的長度變化可能也不會超過幾個“微應變”(mε)，進而產生的電阻變化也很小。例如，假設某個試樣遭受了 350 mε 的應變。在此載荷下，GF 為 2 的應變計呈現的電阻變化為 2 (350 x 10-6) = 0.07%。對于 350 歐姆 (Ω) 應變計，電阻變化僅為 0.245 Ω。 如何進行應變計測量 為了準確測量如此微小的電阻變化，同時將噪聲的影響降至最低，壓力傳感器的應變計可集成到惠斯通電橋的一條邊中，這樣組成一個由四個電阻臂形成的網絡，兩端施加激勵電壓 E（圖 2）。
圖 2：在這個惠斯通電橋電路圖中，應變計集成到一個電阻臂中；RG 是應變計電阻，RL1 和 RL2 是應變計引線電阻；電阻器 R2、R3 和 R4 是已知的固定值；eo 是輸出電壓，E 是激勵電壓。（圖片來源：Micro Measurements） 惠斯通電橋在電氣特性上與兩個并聯的分壓器電路等效，其中第一個分壓器電路由 RG（假定引線電阻 RL1 和 RL2 可忽略不計）和 R4 構成，第二個則由 R2 和 R3 構成。輸出 eo 是在兩個分壓器的中間節點之間測得，并可通過以下公式計算該值：
根據公式 1 可以看出，當 RG/R4 = R3/R2 時，輸出電壓 eo 為零，電橋被認為處于平衡狀態。應變計的任何電阻變化都會導致電橋失去平衡，并產生與應變成比例的非零 eo。在壓力傳感器中，膜片式應變計的輸出電壓被認為在整個壓力范圍內與供電（激勵）電壓 E“成比例”（線性比例）。 溫度補償 在使用應變計時，所面臨的設計挑戰是其非常容易受溫度影響。溫度波動會引入偏移和量程誤差，并增加滯后。 應變計可能會由于激勵電壓 E 而變熱，但通過將 E 保持在較低水平可以在很大程度上緩解這一問題。這樣做的缺點是會降低系統的靈敏度，但如果需要，可以對惠斯通電橋的輸出電壓 eo 進行放大。不過必須特別小心，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，將電壓變化轉換為頻率變化，并使用窄帶寬輸出來保持低噪聲并減少帶外電磁干擾 (EMI)。 第二個熱源來自壓力傳感器自身的膜片和基體。高溫會導致膜片膨脹，應變計記錄到并非直接由于液體或氣體壓力引起的應變。 為減小這些影響，現代應變計采用了溫度補償措施。應變計通常由 55% 的銅和 45% 的鎳合金制成。材料的熱膨脹系數 (CTE) 非常低，限制了溫度引起的應變。另外，通過將應變計的 CTE 與所連膜片材料的 CTE 仔細匹配，可實現一定程度的“自溫度補償”，將溫度引起的應變限制為幾微米/米/攝氏度 (μm/m/°C)。 另一個溫度引起的誤差源可能來自承載應變計電壓信號的引線。在對以上圖 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；但如果引線是由銅制成，溫度只要稍微升高 10°C，就可能導致直接自引線產生相當于數百微應變 (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，負輸出橋的電節點從 R4 的頂部移到應變計底部的 RL2 末端。引線 RL1 和 RL2 形成相同的電阻時，電橋將保持平衡。引線 RL3 僅為電壓檢測線，對電橋平衡沒有影響。（圖片來源：Micro Measurements） 在圖 3 中可以看到，負輸出橋的電節點從 R4 的頂部移到應變計底部的 RL2 末端。引線 RL1 和應變計 (RG) 構成一個臂，RL2 和電阻器 R4 構成相鄰的臂。如果引線 RL1 和 RL2 具有相同的電阻，則兩個橋臂的電阻相等，電橋保持平衡。引線 RL3 僅為電壓檢測線；它沒有與任何橋臂串聯，對電橋平衡沒有影響。 假設 RL1 和 RL2 都遭遇相同的溫度波動，則電橋仍將保持平衡。另外，由于只有一根引線與應變計串聯，所以與雙引線結構相比，引線引起的溫度敏化減小了一半。 除了溫度對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”，它是一條穿過理想偏移的與溫度無關的直線，斜率等于工作壓力范圍的理想滿量程 (FSS)。該偏移是施加參考壓力時獲得的輸出信號，而 FSS 是在工作壓力范圍的上限和下限處測得的輸出信號之間的差值（圖 4）。
圖 4：壓力傳感器的理想傳遞函數是一條穿過理想偏移的與溫度無關的直線，斜率等于工作壓力范圍的 FSS。（圖片來源：Honeywell） 質量較差的壓力傳感器在出廠時可能具有相對較大的偏移誤差和 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得的 FSS 相對于根據理想傳遞函數確定的理想（或目標）FSS 的最大偏差。 更多的誤差來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 是在整個補償的溫度和壓力范圍內，輸出相對理想傳遞函數的最大偏差（圖 5）。
圖 5：壓力傳感器的誤差源累加為 TEB。（圖片來源：Honeywell） 重型壓力傳感器 工業應用中使用的壓力傳感器暴露于腐蝕性液體和氣體中，并且溫度波動很大。例如，HVAC/R 應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 HVAC/R 系統中的溫度橫跨 -40 至 + 85°C 甚至更寬的工業溫度范圍。 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密封傳感器的電子設備，與接觸膜片的流體和氣體保持隔離。當與腐蝕性物質一起使用時，密封可能成為薄弱點并開始泄漏。最初可能未檢測到此類泄漏，導致出現偽讀數且系統控制效果較差。最終，當電子設備暴露于腐蝕性流體或氣體中時，泄漏導致故障。 為避免這些潛在的故障模式，設計人員可以使用 Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器。這些介質隔離式重型壓力傳感器無需使用內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計，而不是密封圈密封。該設計使 MIP 傳感器可與各種各樣的介質兼容，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計，無需使用密封。該設計使傳感器可與各種各樣的介質兼容，包括腐蝕性流體、水和氣體。（圖片來源：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。壓力傳感器整個溫度范圍內的 TEB 在壓力 ≤1 MPa 時為 ±1.0%，在壓力 >1 MPa 時為 0.75%。傳感器的精度為 ±0.15% FSS（最佳擬合直線 (BFSL)）（圖7），響應時間為 1 毫秒 (ms)，爆裂額定值超過 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。壓力傳感器整個溫度范圍內的 TEB 在壓力 ≤1 MPa 時為 ±1.0%，在壓力 >1 MPa 時為 0.75%。（圖片來源：Honeywell） 此外，在發生電氣故障時，該系列還具有 ±40 伏直流過壓保護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。（圖片來源：Honeywell） HVAC 應用中的壓力傳感器 壓力傳感器在 HVAC 系統等應用中起著關鍵作用，它能實現精密控制，最大限度提高能效，同時降低能耗。例如，考慮工業制冷設備所用的 HVAC/R 循環（圖 8）。
圖 8：顯示 HVAC/R 循環的示意圖。壓縮機和蒸發器出口處的重型壓力傳感器可用于監測制冷劑壓力，以確保最佳的制冷劑相變，進而確定循環效率。（圖片來源：Honeywell） 在壓縮機級，來自蒸發器的低壓蒸氣被壓縮（導致加熱）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，并凝結成熱液體。再由干燥機去除制冷劑中的所有水分。接下來，在計量裝置處，來自冷凝器的熱液體被推動流經限流裝置，限流裝置減小其壓力，迫使制冷劑釋放熱量。然后，在蒸發器內部，此冷液體吸收冷凝器回流氣流中的熱量，并變成蒸氣。該蒸氣繼續吸收熱量，直至到達壓縮機并重復循環。來自蒸發器的冷空氣可用于降低冷藏容器的溫度。 制冷循環之所以能夠起作用，是因為在制冷劑從液體變為蒸氣再從蒸氣變回液體的過程中，釋放或獲得了大量潛能。為了高效而穩定地運行，必須仔細監測和控制系統各個部分的壓力。在制冷劑經歷液相至氣相/氣相至液相變化時，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為液體并釋放潛能（熱量）。 通過監測壓縮機和蒸發器出口的壓力，可以設置壓縮機和計量裝置精確控制循環中低壓和高壓部分的流量（及相應的壓力），進而控制制冷劑的相變溫度，實現最大化的系統效率。 總結 應變計壓力傳感器為工業過程中的壓力測量提供了很好的解決方案，但對于可能暴露于極端環境的系統而言，設計人員需要了解使用密封圈和粘合劑的型號存在的局限性。 Honeywell 的 MIP 系列壓力傳感器專為可能遇到這類極端情況的應用而設計，采用不銹鋼制造和全密閉焊接設計。這種結構可讓 MIP 傳感器與各種工業液體和氣體兼容，即使在更高的溫度和壓力下也能確保長壽命。此外，Honeywell 壓力傳感器還具有精度高、響應速度快、長期穩定性好和 EMI 抗擾度出色等特性。 來源：Digi-Key |
