壓力變送器

　　基本介紹

　　壓力變送器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。下面就簡單介紹一些常用壓力變送器的原理及其應(yīng)用、壓力變送器是用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將壓力信號轉(zhuǎn)變成4～20mA DC信號輸出。

　　壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。壓力變送器根據(jù)測壓范圍可分成一般壓力變送器（0.001MPa～35MPa）和微差壓變送器（0～1.5kPa），負(fù)壓變送器三種。

　　壓力變送器的主要作用把壓力信號傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計算機(jī)顯示壓力其原理大致是：將水壓這種壓力的力學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電流（4-20mA）這樣的電子信號壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大由此得出一個壓力和電壓或電流的關(guān)系式壓力變送器的被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在δ元（即敏感元件）的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。

　　壓力變送器是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)。

　　主要優(yōu)點(diǎn)

　　1、壓力變送器具有工作可靠、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)；

　　2、專用V/I集成電路，外圍器件少，可靠性高，維護(hù)簡單、輕松，體積小、重量輕，安裝調(diào)試極為方便；

　　3、鋁合金壓鑄外殼，三端隔離，靜電噴塑保護(hù)層，堅固耐用；

　　4、4-20mA DC二線制信號傳送，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)；

　　5、LED、LCD、指針三種指示表頭，現(xiàn)場讀數(shù)十分方便。可用于測量粘稠、結(jié)晶和腐蝕性介質(zhì)；

　　6、高準(zhǔn)確度，高穩(wěn)定性。除進(jìn)口原裝傳感器已用激光修正外，對整機(jī)在使用溫度范圍內(nèi)的綜合性溫度漂移、非線性進(jìn)行精細(xì)補(bǔ)償。

　　主要分類

　　1、普通壓力變送器

　　2、防爆壓力變送器

　　3、差壓變送器

　　4、中、高溫壓力變送器

　　5、遠(yuǎn)傳壓力變送器

　　工作原理

　　當(dāng)壓力直接作用在測量膜片的表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，測量膜片上的高精度電路將這個微小的形變變換成為與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，然后采用專用芯片將這個電壓信號轉(zhuǎn)換為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號或者1-5V電壓信號。

　　由于測量膜片采用標(biāo)準(zhǔn)話集成電路，內(nèi)部包含線性及溫度補(bǔ)償電路，所以可以做到高精度和高穩(wěn)定性，變送電路采用專用的兩線制芯片，可以保證輸出兩線制4-20mA電流信號。

　　主要性能

　　1、使用被測介質(zhì)廣泛，可測油、水及與316不銹鋼和304不銹鋼兼容的糊狀物，具有一定的防腐能力；

　　2、高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、選用進(jìn)口原裝傳感器，線性好，溫度穩(wěn)定性高；

　　3、體積小、重量輕、安裝、調(diào)試、使用方便；

　　4、不銹鋼全封閉外殼，防水好；

　　5、壓力傳感器直接感測被測液位壓力，不受介質(zhì)起泡、沉積的影響。

　　選型規(guī)則

　　1、變送器要測量什么樣的壓力：先確定系統(tǒng)中要確認(rèn)測量壓力的最大值，一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在很多系統(tǒng)，特別是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，然而，由于這樣做會精度下降。于是，可以用一個緩沖器來降低壓力毛刺，但這樣會降低傳感器的響應(yīng)速度。所以在選擇變送器時，要充分考慮壓力范圍，精度與其穩(wěn)定性。

　　2、什么樣的壓力介質(zhì)：要考慮的是壓力變送器所測量的介質(zhì)，黏性液體、泥漿會堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會不會破壞變送器中與這些介質(zhì)直接接觸的材料。一般的壓力變送器的接觸介質(zhì)部分的材質(zhì)采用的是316不銹鋼，如果介質(zhì)對316不銹鋼沒有腐蝕性，那么基本上所有的壓力變送器都適合對介質(zhì)壓力的測量；如果介質(zhì)對316不銹鋼有腐蝕性，那么就要采用化學(xué)密封，這樣不但起到可以測量介質(zhì)的壓力，也可以有效的阻止介質(zhì)與壓力變送器的接液部分的接觸，從而起到保護(hù)壓力變送器，延長了壓力變送器的壽命.

　　3、變送器需要多大的精度：決定精度的有：非線性、遲滯性、非重復(fù)性、溫度、零點(diǎn)偏置刻度、溫度的影響，精度越高，價格也就越高。每一種電子式的測量計都會有精度誤差，但是由于各個國家所標(biāo)的精度等級是不一樣的。

　　4、變送器的溫度范圍：通常一個變送器會標(biāo)定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補(bǔ)償?shù)姆秶?。正常操作溫度范圍是指變送器在工作狀態(tài)下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補(bǔ)范圍時，可能會達(dá)不到其應(yīng)用的性能指標(biāo)。溫度補(bǔ)償范圍是一個比操作溫度范圍小的典型范圍。在這個范圍內(nèi)工作，變送器肯定會達(dá)到其應(yīng)有的性能指標(biāo)。溫度變從兩方面影響著其輸出，一是零點(diǎn)漂移；二是影響滿量程輸出。如：滿量程的+/-X%/℃，讀數(shù)的+/-X%/℃，在超出溫度范圍時滿量程的+/-X%，在溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)時讀數(shù)的+/-X%，如果沒有這些參數(shù)，會導(dǎo)至在使用中的不確定性。變送器輸出的變化到度是由壓力變化引起的，還是由溫度變化引起的。

　　5、需要得到怎樣的輸出信號：mV、V、mA及頻率輸出數(shù)字輸出，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括變送器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子干擾信號。是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設(shè)備，采用mA輸出的變送器最為經(jīng)濟(jì)而有效的解決方法，如果需要將輸出信號放大，最好采用具有內(nèi)置放大的變送器。對于遠(yuǎn)距離傳輸出或存在較強(qiáng)的電子干擾信號，最好采用mA級輸出或頻率輸出。如果在RFI或EMI指標(biāo)很高的環(huán)境中，除了要注意到要選擇mA或頻率輸出外，還要考慮到特殊的保護(hù)或過濾器。

　　6、選擇怎樣的勵磁電壓：輸出信號的類型決定選擇怎么樣的勵磁電壓。許多放大變送器有內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)裝置，能夠得到的一個工作電壓決定是否采用帶有調(diào)節(jié)器的傳感器，選擇傳送器時要綜合考慮工作電壓與系統(tǒng)造價。

　　7、是否需要具備互換性的變送器：確定所需的變送器是否能夠適應(yīng)多個使用系統(tǒng)。一般來講，這一點(diǎn)很重要。尤其是對于OEM產(chǎn)品，一旦將產(chǎn)品送到客戶手中，那么客戶用來校準(zhǔn)的花銷是相當(dāng)大的。如果產(chǎn)品具有良好的互換性，那么即使是改變所用的變送器，也不會影響整個系統(tǒng)的效果。

　　8、變送器超時工作后需要保持穩(wěn)定度：大部分變送器在經(jīng)過超時工作后會產(chǎn)生“漂移”，因此很有必要在購買前了解變送器的穩(wěn)定度，這種預(yù)先的工作能減少將來使用中會出現(xiàn)的種種麻煩。

　　9、變送器的封裝：變送器的封裝，尤其往往容易忽略是它的機(jī)架，然而這一點(diǎn)在以后使用中會逐漸暴露出其缺點(diǎn)。在選購傳送器傳一定要考慮到將來變送器的工作環(huán)境，濕度如何，怎樣安裝變送器，會不會有強(qiáng)烈的撞擊或振動等。

　　10、在變送器與其它電子設(shè)備間采用怎樣的連接：是否需要采用短距離連接，若是采用長距離連接，是否需要采用一個連接器。

　　安裝說明

　　在安裝使用壓力變送器前應(yīng)詳細(xì)閱讀產(chǎn)品樣本及使用說明書，安裝時壓力接口不能泄露，確保量程及接線正確。壓力傳感器及變送器的外殼一般需接地，信號電纜線不得與動力電纜混合鋪設(shè)，傳感器及變送器周圍應(yīng)避免有強(qiáng)電磁干擾。

　　使用說明

　　日常維護(hù)

　　1、檢查安裝孔的尺寸：如果安裝孔的尺寸不合適，傳感器在安裝過程中，其螺紋部分就很容易受到磨損。這不僅會影響設(shè)備的密封性能，而且使壓力傳感器不能充分發(fā)揮作用，甚至還可能產(chǎn)生安全隱患。只有合適的安裝孔才能夠避免螺紋的磨損（螺紋工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1/2-20 UNF 2B），通常可以采用安裝孔測量儀對安裝孔進(jìn)行檢測，以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　2、保持安裝孔的清潔：保持安裝孔的清潔并防止熔料堵塞對保證設(shè)備的正常運(yùn)行來說十分重要。在擠出機(jī)被清潔之前，所有的壓力傳感器都應(yīng)該從機(jī)筒上拆除以避免損壞。在拆除傳感器時，熔料有可能流入到安裝孔中并硬化，如果這些殘余的熔料沒有被去除，當(dāng)再次安裝傳感器時就可能造成其頂部受損。清潔工具包能夠?qū)⑦@些熔料殘余物去除。然而，重復(fù)的清潔過程有可能加深安裝孔對傳感器造成的損壞。如果這種情況發(fā)生，就應(yīng)當(dāng)采取措施來升高傳感器在安裝孔中的位置。

　　3、選擇恰當(dāng)?shù)奈恢茫寒?dāng)壓力傳感器的安裝位置太靠近生產(chǎn)線的上游時，未熔融的物料可能會磨損傳感器的頂部；如果傳感器被安裝在太靠后的位置，在傳感器和螺桿行程之間可能會產(chǎn)生熔融物料的停滯區(qū)，熔料在那里有可能產(chǎn)生降解，壓力信號也可能傳遞失真；如果傳感器過于深入機(jī)筒，螺桿有可能在旋轉(zhuǎn)過程中觸碰到傳感器的頂部而造成其損壞。一般來說，傳感器可以位于濾網(wǎng)前面的機(jī)筒上、熔體泵的前后或者模具中。

　　4、仔細(xì)清潔；在使用鋼絲刷或者特殊化合物對擠出機(jī)機(jī)筒進(jìn)行清潔前，應(yīng)該將所有的傳感器都拆卸下來。因為這兩種清潔方式都可能會造成傳感器的震動膜受損。當(dāng)機(jī)筒被加熱時，也應(yīng)該將傳感器拆卸下來并使用不會產(chǎn)生磨損的軟布來擦拭其頂部，同時傳感器的孔洞也需要用清潔的鉆孔機(jī)和導(dǎo)套清理干凈。

　　正確使用

　　壓力傳感器使用過程應(yīng)注意考慮下列情況：

　　1、防止變送器與腐蝕性或過熱的介質(zhì)接觸；

　　2、防止渣滓在導(dǎo)管內(nèi)沉積；

　　3、測量液體壓力時，取壓口應(yīng)開在流程管道側(cè)面，以避免沉淀積渣；

　　4、測量氣體壓力時，取壓口應(yīng)開在流程管道頂端，并且變送器也應(yīng)安裝在流程管道上部，以便積累的液體容易注入流程管道中；

　　5、導(dǎo)壓管應(yīng)安裝在溫度波動小的地方；

　　6、測量蒸汽或其它高溫介質(zhì)時，需接加緩沖管（盤管）等冷凝器，不應(yīng)使變送器的工作溫度超過極限；

　　7、冬季發(fā)生冰凍時，安裝在室外的變送器必需采取防凍措施，避免引壓口內(nèi)的液體因結(jié)冰體積膨脹，導(dǎo)至傳感器損壞；

　　8、測量液體壓力時，變送器的安裝位置應(yīng)避免液體的沖擊（水錘現(xiàn)象），以免傳感器過壓損壞；

　　9、接線時，將電纜穿過防水接頭（附件）或繞性管并擰緊密封螺帽，以防雨水等通過電纜滲漏進(jìn)變送器殼體內(nèi)。

　　發(fā)展歷史

　　壓力變送器是許多工業(yè)設(shè)備中用以控制工業(yè)過程和壓力變化的重要原件。壓力變送器用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將壓力信號轉(zhuǎn)變成4～20mADC信號輸出。壓力變送器分電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。

　　壓力變送器是直接與被測介質(zhì)相接觸的現(xiàn)場儀表，常常在高溫低溫腐蝕振動沖擊等環(huán)境中工作。在石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測量及現(xiàn)場控制中應(yīng)用非常廣泛。

　　壓力變送器的發(fā)展大體經(jīng)歷了四個階段：

　　1、早期壓力變送器采用大位移式工作原理，如曾大量生產(chǎn)的水銀浮子式差壓計及膜盒式差壓變送器，這些變送器精度低且笨重。

　　2、20世紀(jì)50年代有了精度稍高的力平衡式差壓變送器，但反饋力小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性、穩(wěn)定性和抗振性均較差。

　　3、70年代中期，隨著新工藝、新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是電子技術(shù)的迅猛發(fā)展出現(xiàn)體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單的位移式變送器。

　　4、90年代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，這些變送器測量精度高而且逐漸向智能化發(fā)展數(shù)字信號傳輸更有利于數(shù)據(jù)采集。

　　壓力變送器發(fā)展至今已有電容式變送器、擴(kuò)散硅壓阻式變送器、差動電感式變送器和陶瓷電容式變送器等不同類型。

　　20世紀(jì)90年代，現(xiàn)場總線技術(shù)迅速崛起，工業(yè)過程控制系統(tǒng)逐漸向具有雙向通信和智能儀表控制的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展。從而產(chǎn)生了新一代的智能壓力變送器。它們的主要特點(diǎn)如下。

　　1、自補(bǔ)償功能如非線性、溫度誤差、響應(yīng)時間、噪聲和交叉感應(yīng)等。

　　2、自診斷功能如在接通電源時進(jìn)行自檢,在工作中實現(xiàn)運(yùn)行檢查。

　　3、微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信的功能構(gòu)成閉環(huán)工作系統(tǒng)。

　　4、信息存儲和記憶功能。

　　5、數(shù)字量輸出。

　　基于上述功能,智能壓力變送器的精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性都得到提高和改善。其雙向通信能力實現(xiàn)了計算機(jī)軟件控制及遠(yuǎn)程設(shè)定量程等狀態(tài)。

　　智能型壓力變送器主要分為帶協(xié)HART協(xié)議的和帶482或RS232接口的兩種類型。帶HART協(xié)議的智能壓力變送器是在模擬信號上迭加一個專用頻率信號,實現(xiàn)模擬和數(shù)字同時進(jìn)行通信。帶RS232或485口的智能壓力變送器內(nèi)部將模擬信號A/D轉(zhuǎn)換通過微處理器計算由D/A輸出。

　　發(fā)展趨勢

　　當(dāng)今世界各國壓力變送器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各個行業(yè)，但歸納起來主要有以下幾個趨勢：

　　1、智能化：由于集成化的出現(xiàn),在集成電路中可添加一些微處理器,使得變送器具有自動補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。

　　2、集成化：壓力變送器已經(jīng)越來越多的與其它測量用變送器集成以形成測量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動化中可提高操作速度和效率。

　　3、小型化：市場對小型壓力變送器的需求越來越大，這種小型變送器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下，并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù)，對周圍的環(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個重要器官中收集資料，不影響人的正常生活。

　　4、標(biāo)準(zhǔn)化：變送器的設(shè)計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　5、廣泛化：壓力變送器的另一個發(fā)展趨勢是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展，例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。