摘 要：压力变送器作为工业应用最广泛的仪表，需时刻准确感知、传递压力信号，然而工业现场的高温环境对其可靠性提出严峻挑战。针对高温下压力变送器性能退化机制不明的问题，利用定制的变送器电路测试板，探究压力变送器性能退化行为。对比了国内外同型号电子元件的差异，计算了高温老化加速因子，开展了共计 的持续高温老化和温变老化加速试验。同时，借助人工神经网络方法，构建变送器的放大电路电压偏差与温度因素的关联关系。结果表明，在高温老化后，电阻、电容对应的电压值出现偏差，且老化温度越高，偏差值越大。同样，放大电路的总输出电压也发生电信号漂移，电压偏差与老化温度成线性关系。且在更高的室温、更大温差范围的条件下，输出电压偏差更为严重，最大达到 26% ，无法准确放大压力信号。研究结论对高温操作环境下压力变送器的性能退化研究具有一定的参考价值。

关 键 词：压力变送器；加速老化试验；电压偏差；高温环境

0 前言

压力变送器是石化企业大中小型装置的基础组成部分，工作时，借助变送电路，将感知到的压力物理量转变成标准的 4-20mA 电信号，以供后续控制系统进行报警或过程调节[1]。压力变送器能够安全、可靠地传输压力信号是确保工艺装置正常稳定运行的必要条件。然而，高温环境是石化压力变送器目前面临的主要威胁，如压力变送器常常用于测量高温介质，或处于昼夜温差大、阳光直射等工作位点。温度是电子元件退化的主要原因，长期工作在高温环境会导致变送电路失效，引发压力变送器信号漂移等问题[2]。因此，探究高温环境对压力变送器性能的影响，成为目前国内外重点研究的课题。

变送电路主要由电阻、电容等电子器件构成，针对单一电阻或电容的高温退化，已形成了充分的研究结论。铝电解电容内的电解液随温度升高加速蒸发，导致电容的等效电阻值增大，而且高温会增强内部化学物质活性，加速材质老化，温度每升高 10^c ，电容寿命约减少一半[3-5]。电阻的变化与温度为线性关系，即温度升高，电阻增大，温升过程中，电阻体内部的结构发生变化，材料散热减少，导致电阻率显著增大 。此外，随着试验手段的不断提升，逐渐开展压力变送器整体退化研究，主要集中在短期热冲击对压力感压膜破坏的分析，从材料分子的角度对感压膜涂层进行优化设计，改善动态温度梯度对传感器的影响[7-9]。

然而，高温工业环境属于长期热载荷条件，针对压力变送器在高温下的失效行为、变送器整体电路性能退化以及电信号漂移等现实问题，还未开展深入探索。为此，首先针对压力变送器的结构特点，对具有高失效率的放大电路进行高温加速老化试验，对比了不同品牌电子元件电压偏差。进一步，结合获取的不同温变条件下电子元件试验值，分析了输入电压、最高温度、温变范围对电压偏差的影响规律，并结合深度学习模型构建关联关系，为压力变送器的工业现场应用提供技术指导，为石化装置的可靠性提升提供基础支撑。

1 压力变送器结构

压力变送器的整体结构如图 1 所示，外壳一般为不锈钢或铜铝材质，对内部变送电路起到防水密封作用。螺栓位置用于放置后续安装所需的卡件，与管道上的法兰固定连接。保护装置内部装有过压膜片和特氟龙涂层垫片，当被测压力超过仪表量程时，起到机械缓冲作用。变送电路板负责将压力信号转变为电信号，接线端子与电源和其他部件连接，压力值、报警信息或错误提示通过显示屏显示。

压力变送器内部包含感压部分和变送部分，如图 2 所示，工作时将现场的压力物理信号转变为可显示的 4-20mA 电信号，并进行通信上传显示。感压单元通过感压膜或感压电阻感知现场压力物理量，输出微弱的电信号。利用变送部分的放大单元，微弱电信号被放大到可以测量的幅值范围，借助 A/D 转换单元将模拟电信号转化为离散数字信号再进行通信。其中，放大电路具有较高的失效概率，是引发压力变送器发生漂移问题的主要根源[10]。

以常规变送器中的同相放大电路为例，电阻 R1、R2 和 Rs 的阻值设置为 10kΩ 、65kΩ和 10MΩ，电容 C1 和 C2 的容值为 0.1μF ，构成 7.5 倍信号放大。Ui 为感压部分的输出信号，也是放大电路的输入信号，经放大后输出电压 U0，然后传递至 A/D 转换单元进行后续工作。

2 压力变送器加速老化分析

2.1 电子元件退化机理

压力变送器放大电路的退化主要由电阻、电容退化引起。在高温下，电阻介质中的原子发生横向运动，导致电阻材料内部物理结构如固有尺寸和结构产生变化，从而使电阻的电压值发生漂移，严重时会发生电阻击穿或烧蚀，形成开路或短路。在漂移失效模式下，电阻退化可借助电阻 R 和阻值变化 ΔR 的比值计算，结合 Arrhenius 方程表示：

式中： t ——工作时间，h；

T——温度， C ；

B、 C 、D、 F ——与电阻类型相关的常数，过查表获取。对于 PCB 中常用典型电阻，依据经验值B=-224、 C=-1246 、 D=0.95 、 F=6.86 。

针对电容退化，电解电容的主要老化原因为其内部电解液的蒸发和充放电期间的离子交换导致的电解液退化，最终表现为电容值发生漂移。电容值通常用电解液和电解纸的等效串联电阻 R_sp 表示：

式中， V₀ ——额定电压，V；

R_sp0 — — 室温条件下电容等效电阻值， Ω ；

对于电解液相关的常数， A₁=7060，A₂=40，B₁=0.6，B₂=21.63 ；对于 、 Δ，V₀=200V ，常数 k 通常采用 0.22^*10^-5 。

E ——杨氏模量， GPa ；

2.2 加速老化试验

定制放大电路的老化测试电路板，开展高温、温变两类加速老化试验，如图 3 所示。老化测试电路板置于箱内置物架上，电路板和置物架间垫有绝缘隔热纸，电路板的 Ui 输入电源、安全开关和信号采集部分位于试验箱外侧。实时采集每块测试电路板的 Ui、U0 和 R1、R2、Rs、C1、C2 的电压值，通过 modbusTCP 协议传输网关，将各个电压信号传输给计算机，并在输出电压显示屏上同步查看。考虑到信号数据复杂，电路板卡的数据采集通过 IP 地址区分，计算机按照设定的时间间隔采集数据。监测时间间隔 0.01s--60s 可调节，采集精度为 0.2% 。

其中，老化测试电路板如 4 所示，集成被测所需的放大电路电子元件和数据采集保护元件。考虑到被测电压信号传输时受传输路径长短的影响，因此被测电子元件的电阻电容集中在统一区域。交流信号运行数据以 20kHz 的频率进行测量，数据高速采集芯片用于抓取各电子元件的实时电压，程序运行芯片负责滤波、安全监控等。

此外，为了对比不同品牌电阻、电容、放大器电压信号的差异，电子元件区域同时焊接了同等规格、不同厂商的元件，通过选择开关进行元件选择。对比国内外有源无源电子器件典型型号14 款，高温 125% 均持续运行168h，对比各元件的电信号偏差，运行结果如表 1 所示。结果表明，同一类元件，国内外最大误差 <3% ，差异在 μV 级别，因此后续老化试验均采用国产品牌的电子元件。

2.3 加速因子计算

根据工业现场应用场景，压力变送器的工作温度上限为 85^∘C ，集成电路板的破坏极限是 ，因此加速老化试验的温度范围设定在室温 20% 到 125℃之间。参考 GB/T34986-2017《产品加速试验方法》，开展热循环老化试验，温度加载条件如图 5 所示。

关于热循环试验中加速因子的计算，表示为：

式中， N_use ——常规可靠性试验根据统计试验方案确定的循环数；

N_vsi ——采用加速试验后的循环数；

∆ T_use ——可靠性试验上下限工作温度的温度差， C ；

∆ T_tesi ——加速试验上下限工作温度的温度差， C ；

——常规可靠性试验的温变率， ； ——加速试验的温变率， X/min ；m— 般取 2.5

ΔT_use 在 20-85^∘C 范围内，为 ， ΔT_ust 在 20-125^∘C 范围内，为 。对于温变速率， ζ_use 表示 20min 完成 65% 的温变，为 /min ， 表示 20min 完成 105% 的温变此处为 /min， 。

经计算， A_TC=3.891 。

每隔 72h 暂停试验，将电路板取出静置至实验室温度，对加速测试电路的测量精度进行检验，当偏差超过 30% 停止试验。

3 结果与分析

3.1 输出电压偏差分析

利用两台高温试验箱，分别对电子元件开展持续高温老化和温变老化试验，共计2880h 输入电压 Ui 为 600mV ，初始输出 U0 经过 7.5 倍放大，为 4500mV 。试验全程为带电试验，电子元件一直保持带电工作。

持续高温老化试验主要用于对电子元件的性能极限进行探索，在该实验中不中断温度加载，采样温度间隔为 60s ，记录各电子元件电压和 U0 的变化。以持续 125^∘C 为例，结果如图 6（a）所示，持续 590h 老化后，R2 和 C2 的电压老化范围基本一致，Rs和 C1 的电压老化范围相同，U0 的退化幅度最大。

在温变老化试验中，设定升温和降温的时间为 20min ，高、低温保持时间各为 60min_⨀ 。以 25-125‰ 为例，因元件老化发生在高温区间，仅需采集 保持区间的电压值，2290h 试验结果如图 6（b）所示，相当于未加速条件下 8911h 结果同样表明 R2 和 C2 的电压老化范围基本一致，Rs 和 C1 的电压老化范围相同，U0 的退化幅度最大。

（a） 持续 高温条件（b） 温变条件 25-125‰

设定的放大试验电路额定 Ui 为 600mV ，在室温初始条件下，当 Ui 从 300-750mV 变化时，U0 均可准确对应输出 2.25-5.625V 范围，即 U0 能实现准确放大 7.5 倍。但是在 590h 老化试验后，再次对比放大性能，计算放大准确率，结果如图 7 所示。准确率整体呈正态分布趋势，只有 Ui 为 600mV 时能较为准确放大至 4.41V（初始理想条件为4.5V），特别是 Ui 过小时，电压无法被放大。Ui 是被测压力物理量的直接体现，与压力值成正比，即在高温条件下，当检测过小压力时无法实现信号放大，压力变送器无法准确显示压力结果。

在任意温度下，电阻和电容的电压值均随着工作时间而升高，在 590h 持续高温试验后，计算电子元件电压与初始状态电压的偏差值，如图 8 所示。因并联电阻和电容的退化趋势一致，选择放大电路中的 Rs 和 R2 进行对比。结果表明在不同的持续高温条件下，电阻的电压偏差呈线性趋势。在室温 25% 下，电阻电压经老化试验后出现的偏差可能由电阻自身和外部电路老化共同引起，但与 25^∘C 条件相比， 持续老化后，电压偏差明显增大。

分析 U0 在不同持续温度条件下，590h 老化试验后的电压偏差，如图 9 所示。结果表明，在 25% 下，U0 经过 590h 老化试验，电压出现 12mV 的偏差，与 R2 的偏差结果一致。在 持续高温下，U0 经过 590h 老化，电压偏差为 15.5mV ，大于 R2 的电压偏差。根据放大电路结构，在 Ui 不变时，U0 与 R2/R1 的比值成正相关，说明 R1的变化小于 R2 的变化。

进一步，探究电子元件和 U0 在不同温变条件下的性能变化，计算老化后各元件电压与初始时的电压偏差，同时对比了在破坏极限范围内，不同室温下的电压变化，如图 10（a）-（c）所示。结果表明在同样的室温下，电压偏差随温变范围增大，呈上升趋势。以 20% 室温为例， 25% 温差即老化条件在 20-45^∘C 间循环，老化导致 Rs 电压变化为8.8mV ，U0 电压变化为 12.03mV 。然而在 100% 温差时，即实验在 20-120% 间循环，老化导致 Rs 电压变化为 12.5mV ，U0 电压变化为 14.46mV 。在更高室温的条件下，如在 25% 室温时，电压偏差的变化更明显。从 25% 温差（老化条件 25-50‰ ）到 100^∘C 温差（老化条件 25-125^∘C ），Rs 的电压偏差增加了 43% ，U0 的电压偏差增加了 26% 。

同时对比了同一元件在不同室温下的变化情况，如图 10（d）所示，结果表明更高的室温、更大的温变范围导致元件的老化电压偏差更加严重。更高的室温使得元件在老化循环冷却阶段时，热量无法得到有效耗散，热量积累越来越多，而大温变数值会引起元件受更高的温度冲击，热失效风险增大。最终导致放大电路电压偏差增大，压力值的变送结果出现严重漂移。

3.2 性能退化关联规律

随着智能化水平的提高，电子领域常利用数据驱动或神经网络等方法，开展性能退化研究。对于压力变送电路，电压偏差受温变和温度边界的直接影响，借助应用成熟、业内认可的人工神经网络（ANN， Artifcial Neural Network），结合老化试验数据，构建变送电路电压参数变化与老化条件的对应关系。

部分老化试验数据如表 2 所示，作为训练数据，其他试验数据为验证补充，选取室温 20% 和 45℃两种边界条件。考虑到压力变送器的信号漂移主要来源于放大电路无法准确放大电压信号，因此仅以 U0 的偏差为研究对象，探究不同室温环境、温变老化条件对 U0 偏差的影响。

建立包含 5 个神经元的 ANN 结构，如图 11 所示。输入包括温度边界和温差，温度边界主要为室温和最高温度数值，输出设定为输出电压偏差，即 U0 的偏差。在保证预测结果准确的前提下，为提高收敛速度，在每次训练迭代中，采用误差减小方法和梯度下降算法，使得表 2 中的预测结果与目标结果差异最小化。并且将训练数据在输入时进行归一化处理，以提高训练期间的收敛效果。

U0 电压偏差预测结果如图 12 所示，结果表明 ANN 所建模型的趋势与表 2 中的趋势和目标结果一致，在室温为 20% 的基准条件下， 25^∘C 温差时电压偏差为 12.03mV_⨀ 。同样，在相同的 20% 室温条件下，对于温差为 75^cC 和 100^∘C ，预测的电压偏差呈上升趋势，且接近表 2 中的结果，能够有效反应电压偏差和温度因素的关联关系。

4 结语

针对压力变送器高温工业环境特点，探究了高温、温变因素对变送器内部电子元件、放大电路电输出电压的影响机制，具体结论如下。

a）对比了国内外不同品牌的电子元件性能，同一类型的电阻、电容和放大器，经高温老化试验后，最大差异 <3% ，电压差异在 μv 级别。

b）放大电路在高温加速老化后，输出电压仅在输入电压为额定值时才能被准确放大。因输入电压与被测压力值成正比，即在高温条件下，当检测过小压力时无法实现信号放大，压力变送器无法准确显示压力结果。

c）随着老化温度升高，电子元件的电压偏差呈线性趋势。更高的室温环境、更大的温变范围导致元件的老化电压偏差更加严重，放大电路总输出电压偏差增大。

工业环境除高温特点外，还存在高湿度、强腐蚀问题，后续工作可结合多物理场耦合手段，开展更为全面的加速老化试验，评估压力变送器在苛刻现场环境下的性能退化，获取更高准确率的可靠性数据。

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作者简介：曹德舜，高级工程师，现主要从事工业 SIS 系统退化失效机理、可靠性评估与寿命预测方向。

基金：中国石化科技部项目（324103），石化仪控关键硬件故障预知与寿命预测研究