壓力變送器知識(shí)介紹
許家淦
壓力變送器是一種重要的工業(yè)傳感器，它的主要功能是將感受到的壓力信號(hào)（來自氣體、液體等）轉(zhuǎn)換成可測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)的電信號(hào)。這些電信號(hào)通常是標(biāo)準(zhǔn)的，如4～20mA DC或1～5V，便于與自動(dòng)化控制系統(tǒng)連接。
為什么選擇4～20mA DC，因?yàn)?/span>工業(yè)上廣泛采用的是用4～20mA電流來傳輸模擬量。采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。
信號(hào)起點(diǎn)電流選擇4mA的原因：4～20MA壓力變送器兩線制的居多，兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。為什么起點(diǎn)信號(hào)不是0MA?這是基于兩點(diǎn):
1．變送器電路沒有靜態(tài)工作電流將無法工作，信號(hào)起點(diǎn)電流4mA，DC就是變送器的靜態(tài)工作電流；
2．同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”有利于識(shí)別斷電和斷線等故障。
一般儀器儀表的信號(hào)電流都為4～20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA。傳輸信號(hào)的時(shí)候，要考慮到導(dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。所以，使用電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。雙絞線特性阻抗是50歐姆左右，相隔1CM寬的0.2平方毫米的導(dǎo)線特性阻抗300歐姆左右。因此，負(fù)載電阻選擇50～300歐姆較為理想。為了AD轉(zhuǎn)換方便，負(fù)載電阻上的信號(hào)最大量程值一般5～10V比較合適，那么權(quán)衡所有，負(fù)載電阻250歐姆，電流20mA，負(fù)載壓降5V比較合適。那么為什么選擇4～20maA而不是0～20mA呢？為了減少接線的復(fù)雜性，傳感器選擇2線要比多線簡(jiǎn)單的多，2線既要傳輸信號(hào)，又要給傳感器供電，所以設(shè)計(jì)者從中4mA電流給傳感器放大電路供電，這樣4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)就確定了。
壓力變送器的工作原理是基于壓力傳感器感應(yīng)到的壓力信號(hào)，然后將這個(gè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這個(gè)轉(zhuǎn)換可以通過不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如：電阻變化（壓阻式）、電容變化或其他半導(dǎo)體效應(yīng)。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)需要經(jīng)過放大和校正，以確保其準(zhǔn)確性，然后輸出供自動(dòng)控制系統(tǒng)使用。壓力變送器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，如：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)。它們通常由壓力測(cè)量元件傳感器、測(cè)量電路和連接件等組成。
壓力變送器可以分為幾種類型，包括：力（力矩）平衡式、電容式、電感式、應(yīng)變式和頻率式等。此外，還有智能壓力變送器，它們不僅具有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的混合式智能功能，還可以通過HART手操器進(jìn)行通訊和遠(yuǎn)程設(shè)定。智能壓力變送器通常具有寬廣的量程范圍和大的量程比，使得它們?cè)趹?yīng)用中非常靈活和方便。
目前就市場(chǎng)主流的兩款壓力傳感器在此展開說明。
1. 擴(kuò)散硅傳感器：擴(kuò)散硅壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特點(diǎn)晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯登電橋。利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一切硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的擴(kuò)散硅傳感器。擴(kuò)散硅壓力傳感器的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，傳感器的電阻值發(fā)生變化，用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。
優(yōu)點(diǎn)：適合制作小量程的變送器， 輸出靈敏度高、精度高、壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定、抗腐蝕能力強(qiáng)，體積小，重量輕，價(jià)格便宜。
缺點(diǎn)：耐高溫能力有限、抗惡劣環(huán)境能力有限、不適合大量程壓力測(cè)量、對(duì)介質(zhì)要求嚴(yán)格、容易泄漏測(cè)量介質(zhì)、電阻溫度系數(shù)極差、不能抗高強(qiáng)度震動(dòng)和沖擊、溫度穩(wěn)定性降低、膜片較易損傷、輸出信號(hào)小。
2. 單晶硅傳感器：單晶硅，作為一種半導(dǎo)體材料，具有許多物理特性，如：高硬度、高熱導(dǎo)率、高電阻率等。這些特性使得單晶硅成為制造壓力敏感元件的理想選擇，即利用單晶硅制作的壓力敏感元件來檢測(cè)和傳遞壓力信號(hào)。工作原理上，它主要依賴于壓阻效應(yīng)，當(dāng)單晶硅受到壓力作用時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這個(gè)變化與施加的壓力成一定的比例關(guān)系，可以被轉(zhuǎn)換成可讀的電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)隨后被進(jìn)一步處理和轉(zhuǎn)換，以模擬或數(shù)字信號(hào)的形式輸出，供用戶讀取和應(yīng)用。
優(yōu)點(diǎn)：
1.高純度單晶硅材質(zhì)，有效提高產(chǎn)品壽命及長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
2.電阻溫度特性互補(bǔ)，提高芯片抗干擾能力；
3.精度高于0.1%，使您采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；
4.信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集與處理及電流輸出控制采用了一體化專用集成電路，使智能變送器具有高穩(wěn)定、高可靠、高抗震等特點(diǎn)，且具有良好的互換性；
5.專用集成電路與表面封裝技術(shù)的信號(hào)變送模塊，性能強(qiáng)大的24位ADC實(shí)現(xiàn)高精度與快速應(yīng)答；
6.耐瞬變電壓保護(hù)端子模塊，特殊氣候依然保持穩(wěn)定工作；
7.全密封、全隔離單晶硅壓力傳感器，精準(zhǔn)充液量技術(shù)，消除溫度、靜壓的影響，雙膜片過載結(jié)構(gòu)，從容應(yīng)對(duì)高過載考驗(yàn)；
8.高強(qiáng)度的金屬電氣保護(hù)殼體，厚實(shí)堅(jiān)固，滿足較苛刻的環(huán)境運(yùn)用。
缺點(diǎn)：
1.成本高；
2.整機(jī)成本更高；
3.微壓工況測(cè)量效果差。
智能變送器結(jié)構(gòu)及工作原理：
由于智能變送器目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。所以，人們所說的智能變送器是指信號(hào)制式是模擬、數(shù)字兼容的，且模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)共用一條通道，并用HART協(xié)議通信的變送器，常見的有HART智能溫度變送器、智能壓力變送器和智能差壓變送器等。智能變送器與全數(shù)字化的總線變送器相比，是有很大差別的。
各智能變送器廠商大多采用自行定制的專用集成電路，因此物理結(jié)構(gòu)上的差別也是很大的，智能變送器基本結(jié)構(gòu)原理圖，如下圖所示：
智能變送器基本結(jié)構(gòu)原理圖
這樣的智能變送器雖然使用了微處理器，且有數(shù)字信號(hào)，但它仍要與過程控制中的模擬
信號(hào)(4～20mA)兼容，并作為主要信號(hào)。因此，在硬件使用中只能采用低功耗器件，并采用通用的集成電路設(shè)計(jì)，數(shù)字電路間的連接一般采用串行接口，以減少連線及降低功耗。
智能變送器使用微處理器，對(duì)被測(cè)的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及操作，由于整臺(tái)變送器由硬
件和軟件構(gòu)成，與常規(guī)變送器相比是大不同了。為便于理解，可把智能變送器的邏輯結(jié)構(gòu)看成是由數(shù)字儀表和模擬儀表組成（如下圖所示）。圖中數(shù)字儀表由模擬信號(hào)調(diào)理和數(shù)字信號(hào)處理兩部分組成，而模擬儀表則是數(shù)字儀表的模擬形式表現(xiàn)。按運(yùn)算關(guān)系來看，則有三部分運(yùn)算電路，且每一部分都是可以單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)試的。分述如下：
智能變送器邏輯結(jié)構(gòu)圖
首先看數(shù)字儀表的輸入部分，在微處理器進(jìn)行運(yùn)算前，先要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把傳感元件
的測(cè)量模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。微處理器是依據(jù)相應(yīng)的方程式及數(shù)據(jù)表、傳遞函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，這過程就是模擬信號(hào)調(diào)理，又稱為傳感元件調(diào)整；這時(shí)的輸出是被測(cè)過程變量的數(shù)字表示，也就是手操通信器上讀得的數(shù)字值PV。這個(gè)數(shù)字值只與傳感元件的極限范圍有關(guān)，而與所設(shè)定的量程及輸出電流沒有關(guān)系。
數(shù)字儀表的變換部分是把被測(cè)參數(shù)的數(shù)字值變成等效的直流電流，依據(jù)儀表的零點(diǎn)和滿量程值和有關(guān)函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果就是儀表輸出的數(shù)字表示。許多智能變送器都支持用命令使儀表進(jìn)入一種固定的輸出測(cè)試模式，即用某一特定的輸出值來取代被測(cè)參數(shù)的正常輸出值，供維修中檢查使用。在這部分改變量程會(huì)影響電流輸出，但對(duì)于手操通信器讀取的數(shù)字過程變量沒有影響。
模擬儀表主要是進(jìn)行4～20mA輸出電流的調(diào)整。其接收數(shù)字儀表傳來的數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，就產(chǎn)生了實(shí)際的模擬電流信號(hào)，該電流轉(zhuǎn)換是否準(zhǔn)確，是要進(jìn)行校準(zhǔn)的，所以校準(zhǔn)模擬電流輸出是智能變送器特有的。
壓力變送器安裝規(guī)范及注意事項(xiàng)
壓力變送器在安裝時(shí)需要注意的八個(gè)方面：
1.安裝壓力變送器時(shí)要按照正確的連接線圖來正確連接；
2.在安裝使用壓力變送器時(shí)需要對(duì)壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行計(jì)量檢定，以防止壓力變送器在運(yùn)輸途中損壞或震動(dòng)，以破壞測(cè)量的準(zhǔn)確度；
3.壓力變送器應(yīng)垂直于水平面安裝；
4.壓力變送器測(cè)定點(diǎn)與壓力變送器安裝處在同一水平位置；
5.為保證壓力變送器不受震動(dòng)的影響應(yīng)加裝減振裝置及固定裝置；
6.為保證壓力變送器不受被測(cè)介質(zhì)高溫的影響，應(yīng)加裝充滿液體的彎管裝置；
7.保證密封性，不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是易燃易爆氣體介質(zhì)和有毒有害介質(zhì)；
8.注意保護(hù)變送器引出電纜，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，建議使用金屬管保護(hù)或者架空。
壓力變送器的保養(yǎng)：
1.保持干燥
盡管傳感器的電路設(shè)計(jì)能夠經(jīng)受苛刻的擠出加工環(huán)境，但是多數(shù)變送器也不能絕對(duì)防水，
在潮濕的環(huán)境下也不利于正常運(yùn)行。如果不得不暴露在水中或潮濕的環(huán)境下，就要選擇具有極強(qiáng)防水性的變送器。
2.選擇恰當(dāng)?shù)奈恢?/span>
當(dāng)安裝位置太靠近生產(chǎn)線的上游時(shí)，未熔融的物料可能會(huì)磨損傳感器的頂部；如果被安
裝在太靠后的位置，在傳感器和螺桿行程之間可能會(huì)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(hào)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。
3.保持安裝孔的清潔
保持安裝孔的清潔并防止熔料堵塞，對(duì)保證設(shè)備的正常運(yùn)行來說十分重要，所有的變送器都應(yīng)該從機(jī)筒上拆除以避免損壞。在拆除時(shí)，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(shí)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(duì)其造成的損壞。如果這種情況發(fā)生，就應(yīng)當(dāng)采取措施來升高安裝孔中的位置。
壓力變送器的基礎(chǔ)知識(shí)就先分享到這里。
