环境温度对风压传感器精确度的影响探讨

文昌山

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

引言

当前中国的天然气产业正在大力发展中，2019年中俄东线天然气管道建成并投入使用。天然气的民用消费比重越来越高，其中燃气热水器是主要用气设备之一。

在燃气热水器中装配风压传感器的主要作用有两个：烟道堵塞和风压过大安全装置，空气进气辅助控制。它们都需要对管道风压大小（燃气热水器风道内气压与大气压之间的差值）进行检测，而检测的精确度至关重要。如果精确度过低，风压测量值与真实值之间的误差过大，则易造成烟道堵塞、熄火、回火、影响使用的火焰溢出等，或者空气进气不足引发的一氧化碳浓度升高等现象。

当前，国内外关于风压传感器的精确度受环境温度影响所发生的变化规律并未见诸报道，而传感器制造商也仅仅是将精确度作为一项性能参数予以简单指出，无系统化数据或者讨论。

本文研究风压传感器的精确度随环境温度、管道风压变化而发生的变化规律，对风压传感器的相关性能参数设计具有明显的指导意义，可推动风压传感器应用于更大温度与管道风压范围，从而间接地推动燃气热水器的发展。

1 实验原理

1.1 温度对精确度影响的理论分析与推测

当前，用于燃气热水器的风压传感器普遍采用硅橡胶膜片作为敏感元件，如图1所示。图1所展示的是硅橡胶膜片的侧视图，圆形的塑料板通过特定的方式与膜片的中央部位固定，膜片两侧分别处于正气腔与负气腔中。在图1中表示大气压与燃气热水器风道内气压的箭头仅用来指示压力方向，而作用点实际上覆盖了两个侧面。

图1 风压传感器的硅橡胶膜片结构示意图

风压作用于膜片上，使膜片发生弹性形变，膜片中央的塑料板发生位移 d，如图2所示。该位移与风压大小存在一一对应关系。在图2中，膜片中央部位因与塑料板固定，发生的形变可以忽略不计；而塑料板周围的环形区域则是发生弹性形变的主要部位。

图2 硅橡胶膜片弹性形变示意图

硅橡胶膜片的形变主要是剪切形变，然而形变受到温度的影响。根据橡胶弹性理论[1]，运用简单剪切理论进行分析，如图3、图4所示。

图3 材料发生剪切形变之前

以下将进行剪切模量 G 的计算。

式中:

γ—剪切应变；

θ—剪切角。

式中：

τ—剪切应力；

F—材料所受到的力；

A0—材料截面的面积。

式中：

G —剪切模量。

将式（1）、式（2）代入式（3）中，可推出 G，如式（4）所示。

根据橡胶弹性理论，剪切模量随温度的升高而变大。在其他条件不变的情况下，如果材料所受的外力相同，温度升高，则材料的形变量将发生改变。据此推测，膜片风压传感器的精确度可能对温度敏感，但当前并无相关专题研究。

1.2 精确度检测方法

计量的精确度，指被测的量的测量值之间的一致程度以及与其“真实值”的接近程度，是精密度和准确度的综合概念。从测量误差的角度来说，精确度是测量值的随机误差和系统误差的综合反映。

在实际应用中，通常以测量值与真实值之间的差值来表示精确度，如式（5）所示。

式中：

accuracy—精确度；

Pmeasured—测量值；

Pactual—真实值。

2 实验装置与试验结果

2.1 传感器检测校准装置

传感器检测校准装置如图5所示，包含了压缩氮气瓶、工业压力校准器、恒温恒湿试验箱、导气管、风压传感器读数装置等。

图5 传感器检测校准装置

压缩氮气瓶提供气源，气体为纯净氮气，纯度为99.996 %。

工业压力校准器为 FLUKE 2271A，为传感器提供稳定的气压差，并输出气压差值。

恒温恒湿试验箱为 TERCHY MHX-K，为传感器提供可调节的恒定温度与湿度环境。

膜片风压传感器的工作温度范围 -20～85 ℃，工作湿度范围 0～95 % RH，压力测量范围为 0～1 000 Pa，精确度 ±15 Pa，耐压 2 000 Pa。

将风压传感器与导气管、电缆连接，然后将风压传感器放入恒温恒湿试验箱中。将该导气管、电缆的另一端从试验箱的测试孔引出，并分别与压力校准器、风压传感器读数装置连接。

2.2 温度与气压差变化对精确度影响的测试

设置恒温恒湿试验箱：湿度为 90 % RH，温度则按照表1 中的顺序，先后设置不同的值。

表1 测试的温度条件

在每次设定的温度稳定后，设定压力校准器输出的气压差，气压差值则按照表2 中的顺序，先后设置不同的值。在每次设定的气压差稳定后，用风压传感器读数装置读取传感器对气压差的检测结果，并记录数据。

表2 测试的气压差条件

将风压传感器的输出结果作为测量值，而将压力校准器输出的气压差值作为真实值，代入式（5）中，可求出相应的精确度。将经过计算后所得到的数据绘制成图形，如图6所示。

图6 温度与气压差对风压传感器精确度的影响

其中，当气压差值为 0 时，在不同的温度中传感器的精确度都能保持 0。这主要是因为敏感元件（硅橡胶膜片）未发生弹性形变，转换元件的输出也为 0。

当测试温度分别为 50 ℃、70 ℃、85 ℃ 时，在气压差升高的过程中，气压差值超过 900 Pa 后均出现传感器输出饱和的现象。因此测量 1 000 Pa 气压差时这 3个温度点对应的精准度无意义，应舍去。

从总体上看，在 -10～30 ℃ 温度范围内，随着温度的升高，精确度提高；而在 30～85 ℃ 温度范围内，随着温度的升高，精确度下降。而且，从 -10 ℃ 上升到85 ℃ 的过程中，在不同的气压差下，精确度由负值转变为正值（0 Pa、1 000 Pa 除外）。

风压传感器的精确度标称值为 ±15 Pa，但是只能在局部范围内实现（气压差在 100 Pa 之内）。

3 精确度漂移的影响分析

在燃气热水器中，风压取样点的风压变化范围一般小于 200 Pa。按照图6中显示的变化特性，气压差为100 Pa 时，最低精确度为 -16 Pa。而一旦气压差超过100 Pa，精确度将更低，不符合标称值，在实际应用中可能引发故障。

风压传感器的精确度随着温度、气压差的漂移将对燃气热水器造成两个方面的影响：烟道堵塞与风压过大自适应与燃气供气流量变化自适应。

3.1 对烟道堵塞与风压过大自适应的影响

在安装了风压传感器的燃气热水器中，风压传感器将作为烟道堵塞与风压过大安全装置[2]。根据 GB 6932-2015 《家用燃气快速热水器》的相关要求，风压在小于80 Pa 前风压过大安全装置不能启动[3]。如果风压传感器的精确度偏低，对风压检测的误差过大，则风压传感器可能输出误启动信号。

3.2 对燃气供气流量变化自适应的影响

燃气供气流量发生变化，所需的空气供气流量也发生变化，随之产生的燃烧产物量也发生变化，风机对外所做的功也发生变化，表现出来为风机功率、转速、风机出风口风压发生变化。可根据风机出风口风压与风机转速、功率以及燃气供气流量（燃气比例阀的输出量）之间的测试数据，自动调整风机转速、功率，提供合适的空气供气流量，实现针对燃气供气流量变化的自适应功能。

如果风压传感器的精确度偏低，对风压检测的误差过大，则可能造成空气供气流量偏小，引起燃烧不完全、一氧化碳的排放增加。

4 结论

本文对风压传感器的敏感元件（硅橡胶膜片）的相关性能受温度影响进行了初步的理论分析，推测了风压传感器的精确度将会是一个随着环境温度变化而发生改变的量，而并非是一个常量。再通过实验分析，发现了风压传感器精确度对温度有依赖性、并且随待测气压差变化而发生变化的基本规律——总体上，温度越高，气压差越大，精确度越低；并且在升温、增压的过程中，精确度将从负值转变为正值。

如欲提高以硅橡胶膜片为敏感元件的风压传感器的精确度，则应进行温度与气压差补偿。例如在设计时，可通过加入温度传感器以检测敏感元件的工作环境温度，根据敏感元件的温度变化特性对传感器的输出结果进行校正。这样，可以大幅度地改善精确度因温度变化而产生的漂移问题。