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估算气体中可变磁阻压力传感器的频率响应

编辑:ca88会员登录入口发表时间:2018-10-18



    总结 -

    频率响应定义为测量系统准确反映动态压力变化的能力。测量系统由压力传感器及其相关的电子设备和管道组成。系统的每个组件都会影响动态频率响应。本文将描述影响可变磁阻压力传感器的频率响应的因素,并提供可用于估计用于测量动态压力的可变磁阻压力传感器的频率响应的测试数据。


    先容 -

    ca88会员登录入口压力传感器对快速压力变化做出准确响应的能力是三个变量的函数:传感器本身的机械响应,传感器电子设备的频率响应,以及将压力波形传递给管道的管道的固有频率。传感器的机械响应取决于传感元件的结构。连接到压力传感器的电子器件很可能包括阻尼,或输出级上的低通滤波器,甚至可能是系统响应中的最大限制因素。从压力源通向换能器的管道也将具有谐振频率,该谐振频率将限制压力测量系统的可用响应。

图:动态压力测量


    压力传感器机械响应

    几乎所有的压力传感技术都依赖于压力传感膜片将动态压力波形传递给压力传感器的机电元件。对于除可变磁阻之外的传感技术,传感膜片通过连杆或其他机械装置连接到应变计,压电,电容或一些其他电传感元件。传感膜片的刚度和相关的连杆产生机械弹簧 - 质量系统,其固有频率通常由制造商规定。如果传感器欠阻尼,则发生输入波形的放大和动态误差。如果传感器过阻尼,则输入的压力波形会衰减。在任何一种情况下,压力在传感器的固有频率处或附近的测量将导致动态信号的不希望的失真。


    在过程工业中使用的一些压力变送器具有过压保护方案,由此输入压力通过液压传递到传感元件。这种系统高度过度阻尼且相对较慢,大约0.1秒的响应时间是常见的。过程变送器通常以电子方式进一步衰减,因为平稳的压力信号更适合过程控制应用。这些仪器不适用于动态压力传感。


    对于上海仪表四厂可变磁阻压力传感器,响应压力而移动的唯一机械部件是传感膜片,并且在满量程压力偏移下的总位移小于千分之二英寸。传感器内部没有机械连接或液压装置来减慢传感元件的速度。感应地测量隔膜的位置,这就是感测的压力如何转换成电信号。可变磁阻换能器的固有频率是范围的函数,如图所示。因为传感膜片与被测气体接触,所以传感器通常在其固有频率下过阻尼。

图:可变磁阻传感器


    电子回应

    与压力传感器相关联的电子器件向传感元件提供电力,放大传感元件信号,并包括用于传感器输出信号的低通滤波器。一些传感技术,例如应变计压力传感器,具有DC激励。其他传感器,例如可变磁阻和电容传感器,需要AC激励和解调以提供高水平DC输出。对于AC感测技术,激励载波频率也将是限制动态响应的因素。ca88会员登录入口可变磁阻传感器使用3或5 Khz的载波激励频率,因此这将是动态压力响应的上限。可变磁阻变换器的低通输出滤波也可以限制动态响应。载波解调器电子器件的典型截止频率从1 Khz到小于100 Hz不等,具体取决于换能器的应用。该输出滤波器级通常在-12到-18 dB /倍频程下滚降。


    管道响应 -

    动态压力响应中最大的限制因素可能是由导管连接到传感器压力腔的管道产生的二阶谐振系统。该系统的固有频率取决于传感器腔体的体积,管道的长度和直径以及待测气体中的声速。显示了等式。

图:管道的频率


    可变磁阻传感器具有非常小的传感器腔体积。与短管道相结合,这些传感器即使在低压范围内也能提供非常高的动态响应。


    与传感器固有频率一样,非常不希翼在管道的固有频率下进行动态压力测量:由于压力波形的放大将发生严重的失真。可以容忍失真的频率取决于系统中的阻尼,这是一个难以确定的变量。当阻尼很小时会发生最严重的失真,因此假设这一点,任何给定管道系统的最大可用频率通常被认为是其固有频率的五分之一或七分之一。一些典型值:

    轻度阻尼系统=每单位临界阻尼0.2 

    在100%固有频率,放大= 2倍输入

    在50%固有频率,放大= 1.25倍输入

    在25%固有频率,放大= 1.05倍输入

    在20%固有频率,放大= 1.03倍输入

    在固有频率的15%时,放大=输入的1.02倍


    管道测试 -

    为了测试传感器传感器腔体积,管道长度和固有频率之间的关系,使用空气和各种长度3 /来测试传感器。 16英寸ID塑料管。如下测试每个换能器:

    将换能器和管道用空气加压至约7 In H 2 O. 启动三通电磁阀,在系统上产生阶梯压力变化。使用USB2250以每秒5000个样本的速率对换能器输出进行采样数据采集??系统。对于每个换能器和管道长度组合绘制输出,并且根据波形的振铃部分的周期确定固有频率。将观察到的振铃频率与计算值进行比较。

图:压力传感器


    捕获的典型波形如下所示。

图:波形


    结果 -

    观察到的固有频率低于计算的固有频率,因为管道长度缩短了。观察到的较低频率可能是电磁阀和换能器端口和配件受到限制的结果。在没有电磁阀的情况下,实际固有频率可能稍高。

图:管道长度与固有频率


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