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腐蝕液位變送器的產(chǎn)品結構設計及穩(wěn)定性測試方法
在工業(yè)生產(chǎn)中, 對壓力、液位參數(shù)的測量和控制系統(tǒng)應用非常廣泛, 尤其在石油化工部門對腐蝕性介質的液位測量的要求更加嚴格。對腐蝕性介質的液位測量方法較多, 有吹氣式。浮球式電容式、超聲波式、吹氣式、浮球式存在現(xiàn)場安裝、維護麻煩、精度低等缺點, 而電容式、超聲波式目前大部分從美國羅斯蒙特公司、英國肯特公司、德國E + H 公司引進, 存在價格貴間題。采用擴散硅壓阻式傳感器研制的耐腐蝕傳感器具有現(xiàn)蠕變小、滯后小、精度高、長期穩(wěn)定性好、工作可靠以及現(xiàn)場安裝、調(diào)試、維護方便等優(yōu)點, 完夠滿足石油化工部門要求。
二、工作原理
擴散硅傳感器是壓阻式壓力傳感器中的一種,可用于液位的測量，作為液位變送器使用， 這種隔膜式壓力傳感器是利用硅的壓阻效應, 通過半導體平面工藝, 在一定晶向硅片的一定位置上擴散4 個電阻, 連成惠斯通電橋。當膜片受到壓力時, 通過密封腔內(nèi)的硅油將壓力同步傳遞給硅壓敏電阻, 4 個電阻中R l 、R ; 減小,R Z 、R 3 增大。當電橋一個對角線通電時, 另一個對角線就有與壓力大小成正比的電信號輸出。
三、液位變送器結構設計
結構設計由3 部分組成, 即耐腐蝕傳感器、耐腐蝕導氣電纜和耐腐蝕中繼箱。耐腐蝕傳感器有隔離膜片、耐腐蝕外殼、密封腔及T O 一8硅杯座4 部分組成。采用雙層膜片隔離技術, 一層膜片選用氟塑料薄膜, 將薄膜與同種材料的外殼焊接在一起把腐蝕性介質與內(nèi)部傳感器*隔離達到防腐的目的; 第二層膜片選用不銹鋼波紋膜片與硅杯座通過氮孤焊連接在一起, 這樣就形成一個密封腔, 密封腔內(nèi)充滿純凈的硅油。當外力作用于一層膜片上時, 該膜片緊壓第二層膜片并通過密封腔內(nèi)的硅油將外力同步傳遞給硅壓敏電阻, 從而使其輸出一個與壓力大小成正比的電信號。
四、穩(wěn)定性考核及測試方法
硅材料不但是良好的半導體材料, 而且其機械性能也十分優(yōu)良。擴散硅傳感器是利用硅的壓阻效應將壓力信號轉換成電信號, 所以硅芯片不存在蠕變和滯后的問題, 硅片如不受污就可以長期穩(wěn)定地工作。傳感器的長期穩(wěn)定性是一個十分重要的參數(shù), 只有長期穩(wěn)定性好的傳感器才具有使用價值。傳感器穩(wěn)定性的測試是一項復雜而細致的工作；從芯片到傳感器要經(jīng)過67 道工序, 一旦在一個工序上出現(xiàn)問題, 就會影響傳感器穩(wěn)定性甚至出現(xiàn)廢品。
液位變送器穩(wěn)定性測試方法歸納如下: 傳感器做成成品后都要經(jīng)過溫度老化、電老化和機械老化3 個階段。溫度老化要經(jīng)過高溫80 ℃ 保持6 個小時, 低溫一30 ℃ 保持6 個小時的幾次循環(huán), 電老化要在高溫80 ℃ 通電的情況下保持幾個小時甚至幾十個小時, 機械老化要在傳感器量程范圍內(nèi)反復沖擊3 0 0 0一4 0 0 0 次。當傳感器經(jīng)過3 個老化階段后就能減小封接應力, 同時使傳感器的電性能趨于穩(wěn)定, 并從中篩選出穩(wěn)定性好的傳感器同時剔除有缺陷的傳感器。我們對傳感器的一次溫度循環(huán)變差做了測試。其循環(huán)溫度為25 ℃ -30 ℃ ，25 ℃ ~ 80 ℃-25 ℃ 。圖2 是3 個傳感器的零點變化曲線。在全部測試過程中, 零點輸出相對于滿量程輸出的變化量均在0.2% 以內(nèi), 3 條曲線變更趨勢平穩(wěn), 傳感器長期穩(wěn)定性較好。絕大多數(shù)的傳感器經(jīng)過溫度循環(huán)后, 零點靈敏度都會有所變化。
圖3 是在測試過程的4 個時期經(jīng)過一30 ℃一8 0 ℃ 溫度循環(huán)的零點變化圖。
圖中以一次溫度循環(huán)前的零點輸出為起點, 繪出了每次溫度循環(huán)后的零點變化的趨勢。各次間沒有大的波動, 總的趨勢是逐漸趨于穩(wěn)定。通過兩種測試方法并行對傳感器的長期穩(wěn)定性考核, 可以論證: 這些傳感器的零點輸出隨時間漂移很小, 長期穩(wěn)定性好, 必然可以保持液位變送器能夠穩(wěn)定、可靠、長期地工作。