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| 2024。01 15 | FLUKE 壓力傳感器校正解決方案 |
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FLUKE 壓力傳感器校正解決方案
壓力傳感器概述
在各個工業現場中，經常需要對不同的介質壓力進行測量和控制， 無可避免的需要用到各種壓力測量裝置，例如壓力表、壓力開關、壓力傳感器和變送器等。工程術語中的壓力，在物理學上稱之為壓強，描述的是作用在物體單位面積上的力，單位為 Pa（帕斯卡），其中 F 表示力，單位是 N（牛頓），A 表示面積，單位是 m2（平方米）。
隨著電子技術的發展，各種電子式傳感器開始逐步替代傳統的機械式測量裝置，在壓力測量領域，壓力傳感器，變送器，電子式壓力開關等已經逐步取代傳統的機械式壓力表，壓力開關等。
在 JJG860-2015 中，壓力傳感器通常定義為將壓力訊號轉換成可用的電訊號的裝置。JJG882-2019 中，壓力變送器是指將壓力訊號轉換為可傳輸的標準化訊號的儀表，可以通俗的認為壓力變送器是在壓力傳感器的基礎上將電訊號進行標準化的二次儀表。標準化的過程可以根據不同的應用要求靈活變化，可以是標準的電壓、電流訊號，也可以是數位化傳輸的各種總線通訊協議等方式。
壓力傳感器根據壓力的參考端類型的不同，可以分為表壓，絕壓和差壓方式，絕壓是以絕對真空為參考起始零點，表壓是以當前的大氣壓力為參考起始零點，差壓則是以兩個不同壓力源的壓力為參考，測量兩個源的壓力差值。
常用的壓力傳感器，按照壓力量程劃分，可簡單分為微壓（25kPa 以下），低壓（25kPa~700kPa），中壓（700kPa~7MPa），中高壓（7MPa~70MPa）和高壓（70MP~500MPa）等，不同應用領域對於壓力值的界定也有著不同的定義方式。
從敏感元件的實現原理上看，壓力傳感器可以分為電阻式、電容式、諧振式、光學式等類型，主要是依靠不同敏感元件將壓力的物理變化轉換為可測量的電學訊號變化。
電阻式是透過將壓力變化轉換為敏感元件上的物理形變，在形變的物理載體上，製作力學敏感電阻，將形變轉換為電阻阻值的變化，透過組成電橋的方式測量電阻值的變化來得到壓力的變化量，常見的有擴散矽式壓力傳感器。
電容式則是將壓力變化轉換為電容極板間的距離或者介電常數的變化，從而改變電容的容值，透過振盪電路將容值的變化採集量化，常見的有陶瓷電容壓力傳感器。
諧振式是透過將壓力的物理變化轉換為敏感元件的諧振頻率的變化，透過訊號調理電路採集頻率的變化，常見的有石英諧振、矽諧振、振動筒等。
光學式是透過將壓力的物理變化轉換到光學訊號的變化，透過測量光訊號的相位變化或角位移等來採集壓力的變化，例如石英波登管。
針對不同的工業現場應用要求，各種傳感器原理和工藝有著不同的應用優缺點。
在微壓測量領域中，由於壓力數值較小，對敏感元件產生的物理變化也相應的小很多，這就要求了敏感元件需要具有較高的靈敏度。諧振式壓力傳感器由於靈敏度較高，頻率對壓力的變化更為敏感，因此在低壓高精度的測量中，有著比較好的性能表現，相對價格也比較高。當精度要求不是很高的情況下，擴散矽和電容式可以兼顧精度和成本。例如電容式真空傳感器，利用被測介質的介電常數的變化，可以精確的測量低真空度。擴散矽壓力傳感器的靈敏度相對較大，部分可以達到（1~2）mV/V/kPa，也可應用於微壓下的表壓絕壓測量。
在低壓和中壓的測量應用中，可選擇範圍較為廣泛，高精度可選諧振式，中等精度水平可以選用擴散矽式，陶瓷電容電阻式，金屬應變式等傳感器。擴散矽式靈敏度高，體積小，生產工藝複雜，相對成本略高；陶瓷式成本低，精度低，適合大批量低成本應用，受限於材料的特性，靈敏度較低，不耐壓力瞬變和機械衝擊；金屬應變式兼顧成本和精度，採用熱處理的彈性體，可以適應不同的測量介質要求，敏感元部分根據不同的工藝，有濺射薄膜，玻璃微熔，應變片等，覆蓋低靈敏度到高靈敏度的範圍，受限於彈性體工藝限制，在低壓力下的測量時，精度較差，優點是金屬的彈性體可以承受較大的衝擊。
中高壓的應用中，擴散矽和金屬應變式各有著廣泛的應用，陶瓷受限於材料的強度，高壓耐受強度較差。高壓應用中，金屬應變式有較大的優勢，得益於金屬彈性體材料的強度，可以承受幾百兆帕的壓力，同時能夠應對較大衝擊的應用場景，例如在石油壓裂領域有著非常廣泛的應用。
壓力傳感器按照準確度等級來看，覆蓋從高精度的 0.01 級到低精度的 4.0 級，通常諧振式壓力傳感器能覆蓋從低壓到高壓，0.01 級到 0.05 級的測量要求，擴散矽傳感器的精度等級範圍為 0.02~0.5 級，陶瓷類的傳感器等級為 0.2~4.0 級，金屬應變式 0.5~4.0 級。
FLUKE 壓力校正解決方案
針對各種不同量程和精度的壓力傳感器校正，FLUKE 計量校正部的壓力校正產品，可以覆蓋從 0.01 級到 4.0 級的微壓到高壓的寬量程範圍壓力校正。
根據計量檢定規程要求，0.01 級的壓力傳感器只能使用 0.005 級的活塞式壓力計來校正，FLUKE 的 PG7601、PG7202 和 PG7302 系列活塞壓力計，覆蓋從 7kPa~500MPa 範圍內的 0.005 級表壓絕壓壓力校正。
對於微壓的 0.02~0.5 級壓力傳感器，7250LP 系列微壓氣體壓力校正器可以覆蓋 0~25kPa 微壓壓力範圍，最優不確定度達到 0.009% 讀數，搭配負表壓模組，可實現負壓壓力校正。
對於中壓到高壓範圍，6270A、8270A 和 8370A 模組化氣體壓力控制器可以覆蓋從低壓 25kPa 到高壓 110MPa 的氣體介質壓力校正，一年期不確定度達到 0.01% 讀數，單機可最多配備五個不同量程的校正模組，實現各個量程段最優不確定度，使用氣體作為校正介質，可以適用於對潔淨度要求較高的傳感器校正應用，例如半導體行業應用的壓力傳感器。
對於 20MPa~200MPa 的壓力傳感器，也可以採用 PPCH 高壓液體壓力校正器，實現 1~200MPa 的自動壓力校正，最優不確定度達到 0.013% 讀數， 具備自動量程功能，可實現最佳的傳感器校正性能。
另外，對於一些需要低成本校正的應用，FLUKE 提供了低成本壓力控制器的 2271A 工業壓力校正器（氣體）和 E-DWT-H 數位壓力校正器（液體），可以適用於一些實驗室等小規模校正測試。FLUKE 還提供整體解決方案，覆蓋從軟體到電測設備，管路連接，氣體和液體增壓系統等全系列校正應用。
