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气体中变磁阻压力传感器频率响应的估计


发布日期:[2019-05-14]    作者:昊明压力传感器厂家


气体中变磁阻压力传感器频率响应的估计
总结-
频率响应是指测量系统准确反映动态压力变化的能力。测量系统由一个压力传感器及其相关电子设备和管道组成。系统的每个组成部分都会影响动态频率响应。本博客将描述影响变磁阻传感器频率响应的因素,并提供测试数据,可用于估计用于测量动态压力的变磁阻传感器的频率响应。

引言-

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送给传感器的管道的固有频率。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元件很可能包括阻尼,或输出级的低通滤波器,这甚至可能是系统响应中的最限制因素。从压力源引至传感器的管道也将具有共振频率,从而限制压力测量系统的可用响应。必须考虑这些因素中的每一个,以便对压力测量系统的准确响应作出良好的估计。

动压测量

压力传感器动压测量

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。对于可变磁阻以外的传感技术,传感膜片通过连杆或其他机械装置连接到应变计、压电、电容或其他一些电传感元件。传感隔膜和相关连杆的刚度形成了一个机械弹簧质量系统,其固有频率通常由制造商规定。如果传感器受到阻尼,则会发生输入波形的放大和动态误差。如果传感器过阻尼,则输入压力波形衰减。无论哪种情况,压力
在传感器的固有频率处或附近进行测量会导致动态信号出现不必要的失真。

过程工业中使用的一些压力传感器具有超压保护方案,输入压力通过液压方式传输到传感元件。这样的系统具有很高的过阻尼和相对较慢的速度;响应时间一般在0.1秒左右。由于平滑的压力信号更适合过程控制应用,因此过程变送器通常采用电子方式进一步阻尼。这些仪表不适用于动态压力传感。


对于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隔膜,在满刻度压力偏移中的总位移小于千分之二英寸。传感器内没有机械连杆或液压装置来降低传感元件的速度。隔膜的位置是感应式测量的,这就是感应压力转换为电信号的方式。变磁阻传感器的固有频率是范围的函数,如图所示。由于传感隔膜与被测气体接触,传感器在其固有频率下通常会过阻尼。

可变磁阻传感器


电子响应
与压力传感器相关的电子设备向传感元件提供电源,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,如应变计压力传感器,具有直流激励。其他传感器,如可变磁阻和电容传感器,需要交流励磁和解调,以提供高水平的直流输出。对于交流传感技术,激励载波频率也是限制动态响应的一个因素。validyne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。可变磁阻解调器的低通输出滤波也可以限制动态响应。根据传感器的应用,对于有效噪声载波解调器电子器件的典型截止频率从1 kHz到小于100 Hz。这个
输出滤波器级通常在-12至18分贝/倍频程下滚动。

管道响应-
动态压力响应中的最限制因素可能是由通向传感器的管道与传感器的压力腔相结合而形成的二阶共振系统。该系统的固有频率取决于传感器腔的体积、管道的长度和直径以及待测气体中的声速。方程式如图所示。

垂直有效可变磁阻传感器的频率具有非常小的传感器腔体积,DP15为0.004 cu in,DP45为0.01 cu in。这些传感器与短管相结合,即使在低压范围内也能提供很高的动态响应。

与传感器的固有频率一样,在管道的固有频率下进行动态压力测量是非常不可取的:由于压力波形的放大,会发生严重的失真。这个频率的失真是可以容忍的取决于系统的阻尼,这是一个难以确定的变量。当阻尼很小时,会出现最严重的畸变,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:
轻阻尼系统=每单位临界阻尼0.2
在100%固有频率下,放大=2倍输入
在50%固有频率下,放大=1.25倍输入
在25%的固有频率下,放大=1.05倍输入
在20%的固有频率下,放大=1.03倍输入
在15%的固有频率下,放大=1.02倍输入


DP15、DP45管道测试-
为了测试传感器空腔体积、管道长度和产生的自然频率之间的关系,使用空气和不同长度的3/16英寸ID塑料管道测试validyne DP15和DP45(14 in H20 fs压力范围)传感器。每个传感器测试如下:
用空气将传感器和管道加压至约7 in H2O。三通电磁阀被启动,在系统上产生阶跃压力变化。使用USB2250数据采集系统以每秒5000个采样率对传感器输出进行采样。对每个传感器和管道长度组合的输出进行绘图,并根据波形振铃部分的周期确定固有频率。将观测到的振铃频率与计算值进行了比较。
压力传感器

压力传感器测试结果
所捕获的典型波形如下所示。
压力传感器的典型波形图

波形
结果-
随着油管长度的缩短,观察到的固有频率低于计算出的固有频率。观察到的较低频率可能是由于电磁阀、传感器端口和接头的限制造成的。在没有电磁阀的情况下,实际的自然频率可能会更高一些。

压力传感器测试结果

油管长度与固有频率
油管长度与固有频率
频率响应建议-传感器和载波解调器选择
对于2英寸水柱以上的压力,DP15是最好的传感器,因为它的传感器腔体积较小。在2 in H2O以下,对于任何给定的油管长度,DP45的灵敏度更好,自然频率也稍低。对于大于15 psig的静态管路压力,必须使用DP15。CD15或CD16具有最高的低通滤波器,在1 kHz时平坦到5%以内,是单通道应用的最佳选择。对于多个压力读数,可以使用USB2250对PC进行瞬态捕捉;包括交流励磁、解调和软件。


以下是确保最佳动态频率响应的一些准则:
使传感器尽可能靠近压力波形源。最好是紧密耦合。这应尽可能保持管道的固有频率:对于DP15约为400 Hz,对于DP45约为330 Hz。(在空气中)假设最小阻尼,对于空气中的DP15s,平面响应应为80至100Hz,对于DP45,平面响应应为65至80Hz。


如果要使用数据采集系统记录数据,每秒5000个样本的采样率将确保可以构建数字低通滤波器,以消除系统平坦响应上方存在的任何频率。多抽头FIR滤波器在数据采集后应用于软件中,可确保所捕获的波形在传感器及其管道的平坦响应范围内无失真。


系统响应估计示例


考虑以下系统:
DP15—26换能器通过ID管中的3英尺3/16连接到气动系统,其中,在频率范围为5 Hz的H2O差压波动中,10个将被研究。如果伴随电子由3 Hz载波解调器具有250 Hz低通第三阶滤波器组成,那么这种系统的可用响应是什么?数据采集系统应采用什么样的采样率?


下图显示了各种系统元素的响应。3 kHz载波频率代表系统中频率响应的上限,如图最右侧的线所示。从显示传感器自然频率为范围函数的图表中,2500赫兹表示0.5 psid传感器的机械传感器响应。观察到管道的固有频率约为100赫兹(见之前的测试结果图表)。还显示了三阶模拟滤波器响应,其截止频率为250赫兹。请注意,由于管道共振引起的失真大部分会通过该滤波器,如果出现频率超过25赫兹,则会产生测量误差。


可以构建数据采集系统,以优化传感器/管道系统的平坦响应。模拟滤波器将把2500赫兹以上的频率衰减到很小的振幅。如果采样率设置为5000赫兹,则在2500赫兹以上出现的任何混叠频率都会导致最小失真。一个多抽头数字FIR滤波器可以建立一个25赫兹的截止,所以数据可以被处理,使整个系统的响应是平的约20赫兹。因此,该系统足以精确测量5赫兹级的压力波动。
压力传感器数据采集