壓差效應對焊接密封型稱重傳感器輸出穩定性的影響
1 引言
電阻應變式稱重傳感器的使用環境有時非常惡劣。在這類環境中, 如果不對傳感器進行可靠有效的密封, 那么外界的濕氣、空氣中的污染物等將會影響應變片等關鍵器件的物理化學特性, 從而導致稱重傳感器在短期內失效。所以, 對于高質量高可靠性的稱重傳感器一般采用金屬焊接膜片的全密封方式。然而, 全密封結構在傳感器內部形成的密封腔體, 可能導致傳感器的輸出會隨外部氣壓的變化而變得不穩定。當然, 在實際應用方面, 如果周圍環境狀況穩定, 用戶可以在實施加載前對采集儀進行清零操作, 從而保證測量的準確性。目前存在的問題之一是在計量檢定的時候, 根據OIML R60, 其中一項測試要求是稱重傳感器對大氣壓的輸出變化不敏感
2 實驗方法
本文所用的焊接密封型稱重傳感器的量程為500kg, 外形如圖1所示。
考慮到稱重傳感器的輸出同樣會受到溫度變化的影響。為了將溫度造成的壓差效應對傳感器輸出的影響與傳感器自身受溫度變化的影響區分開, 本文采用了如下的實驗方法:
圖1 實驗用焊接密封型稱重傳感器的結構示意圖
(1) 將完全焊接密封好的傳感器樣品置于溫箱中, 設置溫箱的溫度循環順序如下:25℃, -10℃, 25℃, 60℃, 25℃。記錄傳感器樣品的零點輸出情況。其中, 中間三個溫度點的保溫時間為10個小時;
(2) 在傳感器樣品的應力不敏感區開一個通氣孔, 一般是電纜出線所在區域, 使得傳感器內部密封腔體始終與外部大氣相通。然后重復上述溫度循環實驗, 并對兩次的試驗數據進行對比。
3 試驗結果
傳感器樣品在焊接密封狀態下的零點輸出隨溫度變化的曲線圖, 如圖2所示。傳感器樣品在通氣狀態下的零點輸出隨溫度變化的曲線圖, 如圖3所示。通過對比試驗可以看出, 傳感器樣品在密封狀態下, 其零點輸出在溫度恒定狀態下存在緩慢的漂移現象。當傳感器樣品在通氣狀態下, 其零點輸出在恒溫下保持穩定, 沒有出現明顯的漂移現象。因此, 我們可以假設, 傳感器樣品的零點輸出不穩定是由于傳感器密封腔體內的壓力發生改變引起的:當外界溫度變化時, 傳感器密封腔體中的氣體壓力隨溫度變化而發生變化, 此時傳感器內外壓力不平衡會產生壓力作用于彈性體上, 最終導致傳感器輸出的異常變化。
4 分析與討論
為進一步驗證上述實驗結果的假設, 我們分析如下:
圖2 傳感器零點輸出隨溫度變化曲線圖 (密封狀態)
圖3 傳感器零點輸出隨溫度變化曲線圖 (通氣狀態)
首先, 假設:
(1) 傳感器密封腔體內的氣體是在常溫25℃狀態下被密封;
(2) 忽略傳感器腔體在受力變形后的體積變化。
根據理想氣體的狀態方程
其中, n是腔體內氣體的物質的量, 單位mol。R是氣體常量, 約為8.314J/ (mol.K) 。
根據公式 (3.1) 和假設 (2) , 可知密封腔體內氣體不同溫度下的壓強關系如下:
根據式 (2) 計算可知, 如果外界溫度從25℃升溫至60℃, 傳感器內外部產生的壓差大約有12kPa。即溫度每變化10℃, 約產生3.4kPa的壓差。
進一步地, 我們建立了傳感器樣品的有限元模型, 并在傳感器內部施加一個12kPa的壓力, 評估其對傳感器輸出的影響。加載條件, 如圖4所示。
根據有限元計算結果:試驗用傳感器零點輸出誤差約為0.07kgf/kPa。換算為溫度產生的壓差誤差約在0.24kgf/10℃。將上述理論計算結果與之前的試驗結果對比, 如表1所示。根據以上結果, 可以看出溫度產生的壓差影響在傳感器零點輸出誤差中具有顯著的影響;同時, 由于溫度壓差效應的存在, 傳感器的輸出穩定時間也變得更長。理論計算得到壓差對零點輸出的影響要大于試驗計算, 可能是由于試驗中實際壓差沒有達到理論計算的壓力值。
圖4 1/4有限元模型
8結論
本文通過簡單的試驗設計驗證了稱重傳感器內部密封氣體的氣壓受溫度變化會對傳感器的輸出誤差和輸出穩定時間造成明顯的影響。進一步對本文實驗采用的500kg稱重傳感器進行有限元分析后, 結果表明, 溫度每變化10?C, 傳感器的輸出大約變化0.048%FS, 與試驗結果0.035%FS相比略高, 但差異不大。根據理論和試驗結果可知, 溫度引起的壓差效應對傳感器輸出的影響是不可忽視的。不過, 由于本文實驗選用的稱重傳感器結構具有典型性, 對于其他不同結構的焊接密封型傳感器仍有待進一步驗證溫度壓差效應對傳感器輸出穩定性的影響。
表1 傳感器零點輸出誤差試驗與理論結果對比
