锰铜压力计的温度补偿模型研究*

叶建波， 袁人枢

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



锰铜压力计的温度补偿模型研究*

叶建波， 袁人枢

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对锰铜压力计灵敏度和零点温度漂移大且硬件补偿困难的问题，提出了一种有效的温度补偿模型。设计了超高压压力发生装置，并在此基础上改进了实验装置结构以减少数据误差，通过采用自动化数据采集系统，实现了多变量的同步采集并提高了采集速度和数据量。通过对大量数据的特征分析，推导出数学补偿模型。实验结果表明：该补偿模型能很好地反映锰铜压力计在温度、压力共同作用下的特征，使锰铜压力计在高温下也能较为准确地测量压力。

超高压； 锰铜压力计； 温度补偿； 数学模型

0 引 言

锰铜压力计常用于超高压(≥100MPa)的测量，然而其敏感单元所用锰铜合金同样对温度较为敏感，在较高精度测量中电阻温度系数不可忽略。大气压下，锰铜合金电阻与温度的数学关系可近似为二次多项式[1]，室温下具有接近零的温度系数，随着温度升高电阻温度系数逐渐增大，同时温度还会造成压阻系数改变[2]。在化工、金属静液挤压成型、高压食品等领域，高压、高温往往同时存在，并且大多数传压介质具有较高的压致温升效应[3]，如蓖麻油，在400 MPa时压致升温达25 ℃。因此，温度补偿问题是锰铜压力计应用中迫切需要解决的问题。常用的方法有隔热测压、采用补偿线圈、使用插值法、神经网络等数学方法进行温度补偿等。

本文设计了超高压发生装置，并改进了实验装置以提高数据准确度，采用基于虚拟仪器的自动数据采集系统采集数据，通过对数据特征的分析，建立了锰铜合金电阻关于温度、压力的数学模型，能够在较大的温度范围内进行温度补偿，实验表明,补偿效果良好。

1 锰铜压力计

锰铜合金压力传感器敏感元件常见的结构为丝式、箔式、薄膜式、丝式,具有结构简单、适用于准静态压力测量的特点。本文使用的锰铜合金丝为上海合金厂生产的锰铜精密电阻丝，直径0.2 mm，成分为Cu 86 %;Mn 11.5 %;Ni 2.2 %;Fe<0.1 %。为了固定，锰铜丝双股无感地绕在骨架上制作成锰铜线圈，如图1所示。骨架由聚四氟乙烯制成，能在+250～-180 ℃的温度下长期工作，并且聚四氟乙烯具有很小的热膨胀率。线圈经过3个循环24 h,150 ℃的高温老化，初始电阻稳定后用螺母螺杆与引线锥连接，引线锥塞入基座锥形孔中，由环氧树脂进行密封。线圈引线和2个热电偶导线经引。

图1 锰铜压力计结构简图

线锥锥面上的4个引线槽引至外部接线端。为测量温度，2个热电偶的偶结点紧挨线圈布置，相关研究表明[4]，NiCr-NiCu热电偶在20 kbar压力下测量精度受影响极小。2个热电偶偶结点置于线圈前后位置，取均值为线圈附近压力介质温度。压力计壳体采用液压自紧筒体的强度设计方法设计

(1)

式中 p为压力计内部油压;ρ为内压下壳体塑性区外边界半径;σs为材料屈服极限;r1,r2为壳体内半径与外半径。

2 实验装置

利用温静液挤压机的压力筒为超高压发生装置进行实验，如图2所示，装置主要包括挤压轴、压媒交换盘、筒体、堵头、动力为50MPa液压泵。低压活塞面积是挤压轴的20倍，本实验装置最大压力1 000MPa。筒体、压媒交换盘、堵头形成密闭空间，蓖麻油为传压介质经压媒交换盘充满密闭容积，然后使用液压泵推动挤压轴压缩密闭容积，从而使蓖麻油压力增高，压力p经压媒交换盘传输至其他部位。

图2 静压发生装置

传压介质经压媒交换盘传输至管道、四通，如图3所示，四通左右两端分别安装锰铜压力计和标准传感器。考虑静压管道延迟效应，将锰铜计、标准传感器对称布置，同时增加传压管道的内径到3mm，若两端管道延迟时间相等，则同一时刻的压力相等。

图3 传感器的安装

采用局部加热法，由温控箱控制加热套对锰铜压力计进行局部加热，以模拟实际应用中的高温。标准传感器为Kistler公司的标准压力传感器6963A8000，属于压电传感器，对温度很敏感，为了保证测量数据的准确性，标准传感器则采用局部恒温的方法由水浴箱提供理想的工作温度。为了减少热传递，两传感器之间的连接管道还会在高温时进行冷却减少热传递。组建了由热电偶、Kistler标准压力传感器6963A8000、Kistler电荷放大器、NI公司PXI总线数据采集设备、USB总线数据采集设备、LabVIEW虚拟仪器开发平台的数据采集系统，如图4所示。

图4 实验系统构成简图

数据采集系统也可及时准确同步记录,系统可保证数据的同步、高速采集并可自动存储数据，且由压致温升效应造成温度变化。

3 锰铜压力计特性

3.1 实验结果

实验用加热套加热锰铜压力计模拟工作温度，每次实验预先设定温控箱温度对锰铜压力计进行加热，低温则采用冷敷降温的方法。当油温长时间稳定后开始增压，并启动数据采集系统采集锰铜压力计采集的温度T、电阻值R以及标准传感器所测量的压力p等数据。

图5为锰铜压力计在初始油温稳定在0，13.1，19，22.5，27.1，28.9，34.7，44.7，51.8，55，60，66.8，69.1，76.1，80.6，87.6，93.1，103，115 ℃时开始增压所采集的19组实验数据，采样率为5Hz，增压时长约为100s，当压力达到500MPa时停止采样。由图可以看出：因压致温升效应，增压会使传压介质在初始温度的基础上略微上升。图中还给出了一组大气压下所采集的电阻阻值关于温度变化的实验数据。

图5 实验结果

3.2 数据分析

(2)

(3)

式中 R=R(T,0)。对于R(T,0)，从图5中提取数据并对数据进行拟合，得到电阻—温度的二次多项式拟合曲线，如图7所示。

图6 不同温度下拟合曲线

图7 大气压下不同温度下电阻值

相关系数R=0.999 4，即锰铜线圈电阻值在大气压下与温度之间可以近似为二次多项式关系

R(T,0)=aT2+bT+R0

(4)

本实验所使用锰铜压力计，根据拟合结果有

a=-4.182×10-5MPa/℃2，b=0.001 961MPa/℃,R0=122.3Ω。

对于F1(T,R(T,0) )，当温度T恒定时，k与R(T,0)的大小成正比关系，设比例系数为C1；当R(T,0)为定值时，设k与T成正比关系,比例系数为C2，则

(5)

(6)

dk=C1dR+C2dT

(7)

k(T)=C1R(T,0)+C2T+C3

(8)

将R(T,0)代入得

k(T)=C1(aT2+bT+R0)+C2T+C3

(9)

从图6得出

R(T,p)=R(T,0)+K(T)p

=R(T,0)+(C1R(T,0)+C2T+C3)p

(10)

(11)

对于所使用的锰铜压力计，使用推导的数学模型式(10)对图5实验数据进行拟合验证,有C1=-0.002 473p-1，C2=-1.004×10-5MPa/(℃·p)，C3=0.305 9MPa/p。相关系数R=0.997 2，说明该模型能准确地反映锰铜压力计在压力、温度作用下的阻值变化。拟合结果见图8。

图8 拟合结果

3.3 实验验证

本文利用补偿模型式(10)编写LabVIEW补偿程序，启动程序采集时，能够自动补偿得到压力p1。对于锰铜压力计，不考虑温度影响时，常以室温(25 ℃)的压阻系数为锰铜压力计压阻系数，即不采取补偿时在温度T下压力p2为

p2=(R(T,p)-R(25 ℃，0))/k(25 ℃)

(12)

分别计算出采用补偿模型和不采取补偿措施的结果与标定值之间的误差，如表1所示。由表可以看出:随着温度上升，不采取补偿措施的测量结果误差随着温度的上升而增大;采用温度补偿模型计算出的压力p1相比真实压力p误差较小，在温度较高时，误差依然较小。实验证明，该补偿模型补偿效果明显。

表1 实验结果与误差 T=14 ℃

T=65℃ R/Ωp/MPap1/MPap2/MPa误差/%(p1-p)/p(p2-p)/p122.8384190201163.95.5-13.8122.9309225232.8193.63.4-14.0123.1286290300.5257.13.5-11.3123.2695343348.7302.41.6-11.8123.4848418422.4371.61.0-11.1T=105℃ R/Ωp/MPap1/MPap2/MPa误差/%p1-p/pp2-p/p122.7161218221.6124.51.6-42.9122.7393226229.3132.01.4-41.6122.8904278279.2180.60.4-35.0123.0640339336.5236.4-0.7-30.3123.0995345348.2247.80.9-28.2123.1216356355.5254.90.2-28.4123.1354363360259.3-0.8-28.6123.2465392396.7295.01.2-24.7

4 结束语

通过设计一种液体介质增压装置产生高压，开展了对锰铜压力计在温度、压力共同作用下的特性研究。通过改进实验装置消除了静压管道延迟效应造成的测量误差，使用局部加热、局部恒温的方法保证了实验温度条件和标准传感器的准确度。通过对实验数据的特征分析，提出了一种新的温度补偿模型，实验验证表明:模型可靠度较高，补偿效果明显。

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Research on temperature compensation model for manganin pressure gauge*

YE Jian-bo, YUAN Ren-shu

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China)

Aiming at problem that sensitivity and offset thermal drift of manganin pressure gauge are large as the temperature fluctuates,and hardware compensation is difficult,an effective temperature compensation model is proposed.In order to reduce data errors,design ultrahigh-pressure generator and refine the experimental device structure. By adopting automated data acquisition system,acquisition speed and data size are highly improved,realize multivariable simultaneous acquisition.After analyzing the characteristics of massive data,a mathematical compensation model for manganin pressure gauge is deduced.The experimental results show that this compensation model can well demonstrate the characteristics of the manganin pressure gauge in the interaction of temperature and pressure,provide a new method for an accurate pressure measurement even at high temperature.

ultrahigh-pressure; manganin pressure gauge; temperature compensation; mathematical model

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0014—04

2016—08—29

国家科技重大专资助项目(2012ZX04010101)

TP 212.1

A

1000—9787(2017)08—0014—04

叶建波(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为高压传感器的设计与制造技术。