真空腔泄漏對振動筒壓力傳感器長期穩(wěn)定性的影響分析

陳麗艷，康志宏，宋繼紅

(太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

絕壓振動筒壓力傳感器具有準確度高、抗干擾性強、長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，主要應用在大氣數(shù)據(jù)測量儀表中。在測量氣體的絕對壓力時，作為零壓力基準。零壓力基準作為絕對壓力的參考點，其穩(wěn)定性直接影響絕壓傳感器的長期穩(wěn)定性和準確度[1]。因此，零壓力基準即真空腔是絕壓振動筒壓力傳感器的重要組成部分，真空腔的真空度是振動筒壓力傳感器重要指標之一，能夠直接反映振動筒壓力傳感器的準確度在一定時間內(nèi)的穩(wěn)定性。

振動筒壓力傳感器是通過對不同組件焊接形成真空腔，必然存在一定的氣體泄露影響真空腔的真空度，因此，采用泄漏率分析絕壓振動筒壓力傳感器的零壓力基準對研究振動筒壓力傳感器的長期穩(wěn)定性具有重要意義。

為了優(yōu)化設計振動筒壓力傳感器的長期穩(wěn)定性，此文主要從真空腔的設計角度探索振動筒傳感器的真空腔對絕壓振動筒壓力傳感器的長期穩(wěn)定的影響。

1 絕壓振動筒壓力傳感器測壓原理

絕壓振動筒壓力傳感器是基于諧振技術(shù)典型的對頻率敏感的諧振式傳感器，振動筒敏感元件將感受的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號輸出，即用頻率信號表征壓力信號[2]，對頻率信號的處理只需簡單數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號，并且具有準確度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性強等優(yōu)良性能。

絕壓振動筒壓力傳感器的核心部分如圖1所示。絕壓振動筒壓力傳感器的真空腔由振動筒敏感元件的外表面和保護筒的內(nèi)表面組成[3]，它們用連接套環(huán)焊接在一體，因此，焊接質(zhì)量和焊接方法以及真空腔的形成過程直接影響絕壓振動筒壓力傳感器真空腔的質(zhì)量和絕壓振動筒壓力傳感器的測量性能。

絕壓振動筒壓力傳感器是靠振動筒敏感元件感受壓力的變化。當不同的壓力P作用在振動筒內(nèi)壁時，導致振動筒敏感元件剛度發(fā)生變化，振動筒敏感元件固有頻率隨之變化。振動筒敏感元件受力發(fā)生形變，同時形變作用于壓電陶瓷片產(chǎn)生電信號，這樣就把機械信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺煌恚o壓電陶瓷片電信號，壓電陶瓷片發(fā)生形變并作用于振動筒敏感元件，這樣就把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械信號[4]，該過程與諧振電路相結(jié)合就夠成絕壓振動筒壓力傳感器諧振系統(tǒng)。

圖1 絕壓振動筒壓力傳感器的核心部分

振動筒敏感元件的固有頻率隨其測量壓力變化過程表示為

fp=x(p-p0)

(1)

式中：fp為振動筒敏感元件在內(nèi)腔壓力p作用下固有頻率；p0為真空腔的壓力。

對于絕壓振動筒壓力傳感器來講，真空腔內(nèi)的壓力p0應為零。考慮到真空腔的形成過程及組成，絕壓傳感器應該有p?p0，且p0趨于零。若真空腔有微漏現(xiàn)象則必然影響絕壓振動筒的測量準確度和長期穩(wěn)定性[5]。

2 傳感器真空腔泄漏測試方法

圖2 振動筒壓力傳感器真空腔泄露測試裝置圖

振動筒壓力傳感器真空腔泄漏測試裝置如圖2所示。將保護筒底部開一個小孔，然后用連接套環(huán)連接振動筒和保護筒，在連接處有焊縫1和焊縫2，這時可以用圖2裝置對真空腔泄露處焊縫1和焊縫2檢漏。將該裝置裝在氦質(zhì)譜檢漏儀上，然后在底部開孔處用真空泵抽真空，使漏率達到1×10-13Pa·m3/s，之后向焊縫1和焊縫2處噴氮氣，并觀察漏率的變化情況，若漏率在數(shù)量級10-13Pa·m3/s左右變化或保持，說明焊縫的泄漏率不高于10-13Pa·m3/s。對于真空腔而言，泄漏率越低，真空腔的質(zhì)量越好，絕壓振動筒壓力傳感器的長期穩(wěn)定性越好。

3 傳感器真空腔泄漏數(shù)學分析

從真空腔的泄漏測試方法可知，可以用泄漏率來評估真空腔的質(zhì)量和預測真空腔的長期穩(wěn)定性。

3.1 漏率的定義

考慮到真空腔內(nèi)氣體分子之間的距離非常大，氣體之間的作用力非常小，而分子本身的體積相對于真空腔的體積可忽略不計，可以用理想氣體狀態(tài)方程對真空腔的泄漏進行描述。

理想氣體狀態(tài)方程表示為

PV=nRT

(2)

式中:P為理想氣體的壓強；V為理想氣體的體積；n為理想氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體熱力學溫度。

讓真空腔處于恒溫恒壓的環(huán)境中，真空腔在t1時刻的理想氣體狀態(tài)方程表示為

P1V=n1RT

(3)

式中：P1為t1時刻真空腔的壓力；V為真空腔的體積。

真空腔在一定泄漏率下，在t2時刻下的狀態(tài)方程為

P2V=n2RT

(4)

式中：P2為t2時刻真空腔的壓力。

式(3)和式(4)計算出該真空腔的泄漏率Q表示為

(5)

從式(5)可以看出漏率可以定義為在恒溫條件和恒定環(huán)境壓力的條件下，真空腔體積保持不變，真空腔內(nèi)壓力隨時間的變化，或者是真空腔內(nèi)的氣體摩爾數(shù)隨時間變化情況。

氣體瞬時泄漏率與真空腔所處環(huán)境壓力和漏孔的面積有關(guān)，表示為

Q∞(PE-P)·S

(6)

式中：PE為環(huán)境壓力；P為真空腔壓力；S為漏孔面積。

從式(6)可以看出某時刻的泄露量與環(huán)境壓力的大小和漏孔面積的大小成正比,可見氦質(zhì)譜泄漏測試只能給出絕壓振動筒壓力傳感器某時刻的泄露狀態(tài)，并不能對一段時間內(nèi)的泄漏狀態(tài)考核。為保證絕壓振動筒壓力傳感器的長期穩(wěn)定性不僅要提高焊接質(zhì)量而且要給絕壓振動筒壓力傳感器合適的存儲環(huán)境。

3.2 絕壓振動筒壓力傳感器長期穩(wěn)定性數(shù)學分析

長期穩(wěn)定性是絕壓振動筒壓力傳感器的一個重要指標，可以用式(5)對絕壓振動筒壓力傳感器長期穩(wěn)定性進行分析。真空腔的真空度變化情況可以表示為

Q·t=ΔPV

(7)

式中：t為泄漏時間；ΔP為真空腔真空度的變化量。

從式(7)也可以看出在泄漏率和泄漏時間不變的情況下，真空腔的體積不同，真空度的變化也不同。

以某單位9 mm振動筒傳感器為例，當泄漏率Q=1×10-13Pa·m3/s，體積V=2.21 cm3，n年內(nèi)振動筒壓力傳感器的真空腔的真空度變化情況為

(8)

式(8)給出了在一定泄漏率下，隨著年限的增加，振動筒壓力傳感器真空腔的真空度不斷變差的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 真空度隨年限的變化情況

式(8)也給出在不同的泄漏率下，振動筒壓力傳感器真空腔的真空度隨著時間的增加，真空腔的變化情況，如圖4所示。

4 結(jié)論

介紹了絕壓振動筒壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)、測壓原理及真空腔泄露的檢測方式，并對傳感器真空腔泄漏進行了數(shù)學分析。通過對絕壓振動筒壓力傳感器瞬時泄漏和長期泄漏的數(shù)學分析，給出了泄露與存儲年限的量化關(guān)系、泄漏與環(huán)境條件的關(guān)系。為保證絕壓振動筒的長期穩(wěn)定性，必須給出合適的封裝過程和焊接方法；同時，也要考慮其合理的體積設計和存儲方式。

圖4 不同泄露率下真空度隨年限的變化情況