內(nèi)容編輯壓力變送器技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展
壓力變送器主要用于工業(yè)過程自動化控制中的壓力、流量、液位、真空度、密度等參數(shù)的測量，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、煤化工、核電、建材、船舶、機(jī)械制造、垃圾處理、高速公路、城市供熱、軍工、醫(yī)藥、食品等各個行業(yè)。
壓力變送器是一種將檢測到的壓力轉(zhuǎn)換為與壓力成正比的電信號，再經(jīng)過放大、輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，為控制系統(tǒng)、二次儀表提供顯示、記錄、調(diào)節(jié)、測量、通訊等信號的設(shè)備。壓力變送器的核心是壓力傳感器和信號處理電路兩部分。
隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的發(fā)展，壓力變送器在技術(shù)、功能、性能上得到了快速提升，也促進(jìn)了工業(yè)自動化水平的發(fā)展與應(yīng)用。
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1 壓力變送器的技術(shù)現(xiàn)狀
經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，我國儀器儀表已經(jīng)初步形成產(chǎn)品門類品種比較齊全，具有一定生產(chǎn)規(guī)模和開發(fā)能力的產(chǎn)業(yè)體系，我國儀器儀表發(fā)展很快，形勢很好，很多三資企業(yè)和民營企業(yè)都得以迅速發(fā)展和崛起，如今已經(jīng)成為儀器儀表產(chǎn)業(yè)的主體。另外國家支持，推動功能新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)布局由低級向高級階段發(fā)展的整體戰(zhàn)略布局也漸漸浮現(xiàn)。
雖然我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)有了較大的發(fā)展，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會發(fā)展等各個方面日益增長的迫切需求。我國儀器儀表產(chǎn)品大部分屬于中低端產(chǎn)品，高精度變送器幾乎全部依賴進(jìn)Kou。我國儀器儀表落后于國際先井水平，差距是全方位的，包括產(chǎn)品技術(shù)方面的差距和企業(yè)綜合實(shí)力上的差距。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1）基礎(chǔ)材料研究，未列入國家層面的研究項(xiàng)目。
2）標(biāo)準(zhǔn)化工作差距大。
3）技術(shù)差距：見表1。
4）產(chǎn)業(yè)水平差距：中小企業(yè)占多數(shù)，制造技術(shù)水平不高。
表1-3 壓力變送器的技術(shù)現(xiàn)狀的內(nèi)外對比
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2 壓力儀表概述
2.1 壓力表的分類
既然自然界以及現(xiàn)代社會有壓力存在，我們就需要對壓力進(jìn)行測量。而壓力表就是一種用于測量壓力的儀表。
壓力表按其測量精確度，可分為精密壓力表、一般壓力表。精密壓力表的測量精確度等級分別為0.1、0.16、0.25、0.4級；一般壓力表的測量精確度等級分別為1.0、1.6、2.5、4.0級。
壓力表按其指示壓力的基準(zhǔn)不同，分為一般壓力表、絕對壓力表、差壓表。一般壓力表以大氣壓力為基準(zhǔn)；絕壓表以絕對壓力零位為基準(zhǔn)；差壓表測量兩個被測壓力之差。
壓力表按其測量范圍，分為真空表、壓力真空表、微壓表、低壓表、中壓表及高壓表。真空表用于測量小于大氣壓力的壓力值；壓力真空表用于測量小于和大于大氣壓力的壓力值；微壓表用于測量小于60000 Pa的壓力值；低壓表用于測量0~6MPa壓力值；中壓表用于測量10~60MPa壓力值；高壓表用于測量100MPa以上壓力值。
壓力變送器是工業(yè)實(shí)踐中Zui為常用的一種壓力測量儀器，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)。
2.2 壓力變送器的組成和測量原理
作為一個轉(zhuǎn)換為電信號的測量儀表，圖1-2-1是壓力變送器有一個基本的工作框圖：壓力傳感器檢測到壓力后，輸出一個電信號，這個信號可以是電壓，也可以是頻率或脈沖。信號處理電路會把這個信號放大或者整形，若是智能變送器會把這個信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行非線性及溫度的補(bǔ)償，然后再轉(zhuǎn)換為模擬量，送給變送輸出部分，變成4～20mA電流信號。若是非智能變送器，則直接把模擬的電信號送變送輸出。一般的變送器均為2線制儀表，即供電和測量信號的輸出使用相同的2根導(dǎo)線。
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圖1-2-1 壓力變送器基本工作框圖
2.3 壓力傳感器
壓力傳感器的作用是將壓力的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號。通常使用的壓力傳感器主要有3類。
2.3.1 陶瓷電容傳感器
以三氧化二鋁陶瓷構(gòu)成，當(dāng)傳感器感受壓力后，兩導(dǎo)電極板間距離發(fā)生變化，引起電容量發(fā)生變化。通過振蕩電路可以將這個電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，就可以測量出電容量也就是壓力大小。
陶瓷電容壓力傳感器的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好，抗過載能力可達(dá)量程的百倍以上，沒有液體傳遞壓力，無任何填充液，不會產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，加之是干式陶瓷膜片，也沒有安裝位置影響。有的陶瓷壓力傳感器帶有專用調(diào)理電路，可直接輸出0.5~4.5V的電壓信號。雖然壓力傳感器的量程范圍不同，但是輸出信號的幅值都相同。即0.5V對應(yīng)傳感器測量的Zui小壓力，4.5V對應(yīng)Zui大壓力，其余中間各點(diǎn)與測量壓力成線性關(guān)系。例如，-0.1～１MPa的壓力傳感器，在壓力為0時的理論輸出為0.86V。
2.3.2 金屬電容差壓傳感器
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圖1-2-2 金屬電容差壓傳感器
羅斯蒙特公司使用金屬電容傳感器制成了1151差壓變送器，現(xiàn)在國內(nèi)很多廠家的差壓變送器都是參考1151制造的。金屬電容差壓傳感器的原理是：被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在敏感元件的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充的硅油傳送到測量膜片兩側(cè)。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)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。這個信號可以是電壓，或者頻率及脈沖。
金屬電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，有壓力遲滯，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，很難做高精度。
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圖1-2-3 已焊接連接部件的金屬電容傳感器
2.3.3 擴(kuò)散硅傳感器
擴(kuò)散硅傳感器的核心測量元件是采用擴(kuò)散工藝形成電阻并連接成惠斯通電橋，并施加一個供電給電橋。當(dāng)壓力作用在敏感元件上時，電阻值發(fā)生變化并且產(chǎn)生一個與作用壓力成正比的線性輸出信號。有的廠家傳感器使用硅油傳遞壓力。當(dāng)外界壓力作用在不銹鋼隔離膜片上，通過隔離硅油傳遞到擴(kuò)散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化。
擴(kuò)散硅壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是非線性誤差小，壓力遲滯小，缺點(diǎn)是對溫度變化敏感，為此，154N傳感器使用激光調(diào)阻技術(shù)進(jìn)行溫度及量程補(bǔ)償，改善了輸出信號的溫度特性。
2.4 智能壓力變送器技術(shù)特點(diǎn)
壓力變送器是工業(yè)自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備，了解變送器行業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)，也有利于工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸與處理技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，智能壓力變送器充分利用了微處理器的運(yùn)算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對測量信號的調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、自動校正、自動補(bǔ)償和數(shù)據(jù)顯示等，使產(chǎn)品性能得到很大提升。雖然各個品牌的產(chǎn)品特點(diǎn)有所不同，但整個變送器行業(yè)總的技術(shù)特點(diǎn)如下：
1）量程比寬，達(dá)到100：1（少數(shù)有200 ：1、400 ：1）?？梢詼p少項(xiàng)目壓力變送器備件采購數(shù)量。
2）精度高，Zui通用的是0.075%FS?？蓾M足現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制需求。
3）穩(wěn)定性好。穩(wěn)定性是變送器非常重要的指標(biāo)，是生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參考之一?，F(xiàn)階段，高端壓力變送器的長期漂移量一般小于0.1%FS/5年。
4）測量范圍大，差壓Zui高可達(dá)20MPa，壓力Zui高達(dá)到70MPa。解決了高差壓、高壓力的測量問題。
5 ） 輸出信號有4 ～ 2 0 m A 疊加H A R T 6 . 0 、PROFIBUS-PA、FF等多種協(xié)議可選。
6）耐溫能力強(qiáng)。變送器本體適用于-40℃～80℃的環(huán)境溫度；普通變送器可直接接觸-40℃～120℃介質(zhì)；法蘭變送器可承受-90℃～400℃的介質(zhì)，解決了煤化工、化工、石化行業(yè)中的超高、超低溫介質(zhì)的測量難題。
7）防腐材質(zhì)多樣化。隨著電子束、激光焊接技術(shù)的應(yīng)用，可以制造多種特殊材質(zhì)的變送器?？蛇x擇的防腐材質(zhì)有：316L、哈氏C、哈氏B、蒙乃爾、鉭材、鍍金、鈦材、雙相鋼（MOD）、尿素級316L、特氟龍膜片（PTFE、PFA），可解決不同腐蝕介質(zhì)及混合物腐蝕的測量難題。鍍金膜片主要用于高溫高壓氫氣或含氫介質(zhì)的測量，減少氫離子的滲透，延長產(chǎn)品壽命。
8）功能更加強(qiáng)大。本地組態(tài)和遠(yuǎn)程組態(tài)（上位機(jī)軟件或手操器）功能相結(jié)合，提高了設(shè)備的管理、調(diào)試與維護(hù)效率和方便性。仿真、故障自診斷、模塊化設(shè)計(jì)功能增加了變送器使用的方便性和實(shí)用性。
9）產(chǎn)品種類齊全，針對不同的工藝條件、參數(shù)，可選擇不同類型的壓力變送器，如壓力型變送器、絕對壓力變送器、微差壓力變送器、差壓變送器、液位變送器、造紙型變送器、衛(wèi)生型變送器、遠(yuǎn)傳壓力變送器、遠(yuǎn)傳差壓變送器、真空專用法蘭變送器等等。
2.5 壓力變送器的一些基本參數(shù)和指標(biāo)
每一臺壓力變送器，都有其性能指標(biāo)、使用功能、適用范圍等參數(shù)，下面列舉一些主要的性能指標(biāo)和必要的工作參數(shù)：
2.5.1 測量精度
壓力變送器的輸出值隨壓力的變化，理論上是線性的（開方輸出除外），而實(shí)際上的輸出與理論值之間是有誤差的，測量精度就是表示變送器的Zui大測量誤差，精度=（實(shí)際輸出值-理論輸出值）/量程×100%，取3次測量行程的Zui大值，是一個相對量。目前各公司生產(chǎn)的智能變送器基本上測量精度為±0.1%，非智能變送器為±0.5%。
2.5.2 回差（遲滯）
當(dāng)使用變送器測量壓力時，壓力變化從小到大和從大到小，經(jīng)過同一個壓力點(diǎn)時，按理論講，變送器所測量出的壓力值是一樣的，但實(shí)際情況是，變送器所測量出的壓力值是不同的，為說明這個問題，我們定義變送器上升行程與下降行程經(jīng)過同一個壓力點(diǎn)時，測量壓力的差值為壓力回差。若與量程比，就用相對值表示。一般金屬電容變送器的回差相對大些，擴(kuò)散硅及陶瓷電容變送器的回差相對小些。
2.5.3 測量范圍（量程）
測量范圍是指一臺變送器所能測量的Zui大壓力范圍。這實(shí)際上是變送器所使用的壓力傳感器的測量范圍。本公司壓力變送器的測量范圍一般Zui大約0～60MPa，即量程=60-0=60MPa，Zui小約0～1kPa，即量程=1kPa。量程并不是越大越好，量程大說明其檢測壓力范圍寬，量程小說明其檢測微小壓力的能力強(qiáng)。實(shí)際變送器的設(shè)定量程有時候不一定需要其Zui大量程，這就需要進(jìn)行量程遷移。
2.5.4 量程遷移比
假如實(shí)際工況需要測量的壓力范圍為0～3kPa，但是我們壓力傳感器沒有這個檔，這就需要我們使用0～10kPa的傳感器來制作變送器，然后，通過量程遷移，使得變送器可以在測量0～3kPa的壓力時，輸出4～20mA電流,并且精度等指標(biāo)滿足使用要求。量程遷移比=傳感器量程/實(shí)際需要量程，在上面例子中，量程遷移比為10/3=3.3，表示為 3.3:1。變送器的遷移實(shí)際是改變信號放大電路的增益，非智能表一般通過改變電阻值來改變增益，智能表可以通過按鍵或HART通信直接改變其量程。量程遷移比對每種變送器來說，其允許的Zui大遷移量是有限定的，超過Zui大遷移比，變送器的性能變差，不能正常工作。
2.5.5 阻尼時間
阻尼時間是指當(dāng)有階越輸入時，輸出達(dá)到階越值63.2%時的時間。它表示了變送器的輸出隨被測壓力變化的響應(yīng)速度。例如在測量介質(zhì)波動比較厲害時，儀表輸出就會隨之波動，不利于人員觀察和操作，后續(xù)設(shè)備如調(diào)節(jié)閥電機(jī)等也會頻繁劇烈動作，易損壞設(shè)備。把阻尼調(diào)大就可使輸出信號盡量平緩柔和。一般智能變送器出廠時阻尼時間設(shè)定為0秒，即無阻尼。
2.5.6 輸出特性
對于二線制的壓力變送器來說，其輸出通常就是4～20mA電流，即壓力量程下限對應(yīng)4mA，上限對應(yīng)20mA，上下限之間的壓力與電流呈線性關(guān)系。例如一個量程0～100kPa的變送器，其零點(diǎn)輸出為4.001mA，滿量程輸出為20.005mA，當(dāng)測量壓力為50kPa時，理論輸出電流=零點(diǎn)電流+測量壓力值/量程×電流Zui大變化量=4.001+50/100×（20.005-4.001）=12.003mA對于差壓變送器來說，在其用于測量流量時，由于流量與壓力的開方成線性關(guān)系，因此，差壓變送器有開方輸出模式，對于上面例子來說，當(dāng)測量壓力為50kPa時，理論輸出電流=零點(diǎn)電流+（測量壓力值/量程）1/2×電流Zui大變化量= 4 . 0 0 1 + （ 5 0 / 1 0 0 ） 1 / 2 × （ 2 0 . 0 0 5 - 4 . 0 0 1 ）=15.317mA
3 壓力變送器的應(yīng)用
壓力變送器工作時，必須直接與被測介質(zhì)相接觸，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環(huán)境中運(yùn)行，在工程現(xiàn)場能否正常、可靠運(yùn)行，不僅取決于產(chǎn)品質(zhì)量，還取決于優(yōu)化的工程設(shè)計(jì)、合理的型號配置、正確的現(xiàn)場維護(hù)3個方面。
壓力變送器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、造紙、污水處理、自來水、熱力、電力、食品、有色等行業(yè)。
壓力變送器除了可以測量壓力外，還可以衍生出很多用途，比如利用差壓變送器測量流量，利用液體的重力測量液位（靜壓式液位計(jì)）。
3.1 測量流量
差壓變送器除了測量兩個被測量壓力的差壓值外，它還可以配合各種節(jié)流元件（如孔板）來測量介質(zhì)流體的流量。
3.2 測量液位
靜壓液位變送器的工作原理是：液體中某一點(diǎn)的靜壓力與該點(diǎn)到液面的距離成正比，即：P=ρgh。其中：P-被測點(diǎn)的壓力（壓強(qiáng)）、ρ-介質(zhì)密度、g-重力加速度、h-被測點(diǎn)到液面的高度。對已確定的被測介質(zhì)ρ，g為常數(shù)，故被測點(diǎn)到液面的位置的變化只與被測的P壓力（壓強(qiáng)）有關(guān)。
在敞開容器內(nèi)測量液位時，需要一臺壓力變送器即可。當(dāng)測量密閉受壓容器的液位時，可考慮用兩臺壓力或者一臺差壓變送器，即測量下限一臺，測量上限一臺，它們的輸出信號進(jìn)行減法運(yùn)算，即可測出液位，這時一般選用差壓變送器。
在容器內(nèi)液位與壓力值不變的情況下，它還可以用來測量介質(zhì)的密度。
4 壓力變送器的發(fā)展趨勢
為適應(yīng)工業(yè)及自動化控制的發(fā)展，未來壓力變送器的在技術(shù)層面的發(fā)展趨勢將是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低功耗、數(shù)字化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、高精度、高適應(yīng)性和高安全性。
4.1 高性能壓力變送器日趨成熟
采用先井的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)低功耗、快速響應(yīng)、高分辨率的處理和控制電路，以降低系統(tǒng)硬件所產(chǎn)生的誤差，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對放大、濾波、線性與溫度復(fù)合補(bǔ)償算法進(jìn)行深入的研究，提高算法的準(zhǔn)確性，以減小系統(tǒng)的綜合誤差。未來0.04%精度等級的壓力變送器將成為市場的主流。
4.2 無線壓力變送器市場前景廣闊
隨著無線通訊技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的逐漸推廣，無線壓力變送器也受各大廠商和各行業(yè)用戶的關(guān)注，成為繼現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)又一熱點(diǎn)技術(shù)。在現(xiàn)場使用硬線連接成本過高的工業(yè)現(xiàn)場，無線壓力變送器將發(fā)揮明顯優(yōu)勢，消除變送器和控制電路之間的連接，從而節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用。隨著工業(yè)信息化、智能化建設(shè)的大力推進(jìn)，無線壓力變送器產(chǎn)品優(yōu)勢在中國市場逐漸被用戶認(rèn)可，市場進(jìn)入快速成長時期。特別是在油氣、化工、市政等行業(yè)，無線智能壓力變送器應(yīng)用較為廣泛。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。
4.3 集成化成為行業(yè)應(yīng)用新趨勢
壓力變送器已經(jīng)越來越多的與其他測量用變送器集成，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系統(tǒng)中可提高操作速度和效率。
4.4 小型化市場需求進(jìn)一步擴(kuò)大
目前市場對小型壓力變送器的需求越來越大，小型壓力變送器可以工作在窄小的空間。集成技術(shù)在一定程度上支持了變送器產(chǎn)品小型化的發(fā)展。并且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。
5 專業(yè)化（個性化）需求更加突出，應(yīng)用領(lǐng)域更加寬廣
隨著工業(yè)自動控制水平的提高，各行業(yè)尤其是精細(xì)化工、石油石化、煤化工的大力發(fā)展，對變送器的要求也越來越高，針對不同工藝條件，需研發(fā)專用的智能變送器，以解決壓力、流量、液量測量中的工藝難題。
如：在煤制油、煤制氣工藝中，需解決高溫、高壓、氫滲透、固體雜質(zhì)沖刷與堵塞難題的專用法蘭變送器。在大化肥尿素合成、精細(xì)化工中，需解決高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶，以及高溫真空測量的專用變送器。在深海油田中，需研發(fā)耐海水腐蝕、海底高壓力防護(hù)等級和高可靠性的專用壓力變送器，確保變送器在海底石油開采中長期穩(wěn)定的工作。在液體、氣體計(jì)量中，需要專用的多參量智能壓力變送器，提高微小流量計(jì)量的精度與可靠性等。
標(biāo)準(zhǔn)化變送器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是我國的儀器儀表行業(yè)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。只有提高國產(chǎn)品牌的性能，才能在與洋品牌的競爭中有一席之地。
針對我國傳感器與儀表元器件產(chǎn)品的使用壽命、穩(wěn)定性、可靠性與國外先井技術(shù)與產(chǎn)品存在較大差距，建立元器件可靠性服務(wù)平臺，傳感器、儀器儀表元器件可靠性設(shè)計(jì)與分析；可靠性試驗(yàn)與評估；環(huán)境適應(yīng)性測試技術(shù)與仿真；可靠性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；可靠性篩選試驗(yàn)和可靠性管理。一點(diǎn)點(diǎn)的積累，一步步的前進(jìn)，才能造就將來的行業(yè)良好發(fā)展。
壓力變送器是一種將檢測到的壓力轉(zhuǎn)換為與壓力成正比的電信號，再經(jīng)過放大、輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，為控制系統(tǒng)、二次儀表提供顯示、記錄、調(diào)節(jié)、測量、通訊等信號的設(shè)備。壓力變送器的核心是壓力傳感器和信號處理電路兩部分。
隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的發(fā)展，壓力變送器在技術(shù)、功能、性能上得到了快速提升，也促進(jìn)了工業(yè)自動化水平的發(fā)展與應(yīng)用。
深度分析 | 壓力變送器技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展
1 壓力變送器的技術(shù)現(xiàn)狀
經(jīng)過多年的建設(shè)與發(fā)展，我國儀器儀表已經(jīng)初步形成產(chǎn)品門類品種比較齊全，具有一定生產(chǎn)規(guī)模和開發(fā)能力的產(chǎn)業(yè)體系，我國儀器儀表發(fā)展很快，形勢很好，很多三資企業(yè)和民營企業(yè)都得以迅速發(fā)展和崛起，如今已經(jīng)成為儀器儀表產(chǎn)業(yè)的主體。另外國家支持，推動功能新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)布局由低級向高級階段發(fā)展的整體戰(zhàn)略布局也漸漸浮現(xiàn)。
雖然我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)有了較大的發(fā)展，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會發(fā)展等各個方面日益增長的迫切需求。我國儀器儀表產(chǎn)品大部分屬于中低端產(chǎn)品，高精度變送器幾乎全部依賴進(jìn)Kou。我國儀器儀表落后于國際先井水平，差距是全方位的，包括產(chǎn)品技術(shù)方面的差距和企業(yè)綜合實(shí)力上的差距。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1）基礎(chǔ)材料研究，未列入國家層面的研究項(xiàng)目。
2）標(biāo)準(zhǔn)化工作差距大。
3）技術(shù)差距：見表1。
4）產(chǎn)業(yè)水平差距：中小企業(yè)占多數(shù)，制造技術(shù)水平不高。
表1-3 壓力變送器的技術(shù)現(xiàn)狀的內(nèi)外對比
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2 壓力儀表概述
2.1 壓力表的分類
既然自然界以及現(xiàn)代社會有壓力存在，我們就需要對壓力進(jìn)行測量。而壓力表就是一種用于測量壓力的儀表。
壓力表按其測量精確度，可分為精密壓力表、一般壓力表。精密壓力表的測量精確度等級分別為0.1、0.16、0.25、0.4級；一般壓力表的測量精確度等級分別為1.0、1.6、2.5、4.0級。
壓力表按其指示壓力的基準(zhǔn)不同，分為一般壓力表、絕對壓力表、差壓表。一般壓力表以大氣壓力為基準(zhǔn)；絕壓表以絕對壓力零位為基準(zhǔn)；差壓表測量兩個被測壓力之差。
壓力表按其測量范圍，分為真空表、壓力真空表、微壓表、低壓表、中壓表及高壓表。真空表用于測量小于大氣壓力的壓力值；壓力真空表用于測量小于和大于大氣壓力的壓力值；微壓表用于測量小于60000 Pa的壓力值；低壓表用于測量0~6MPa壓力值；中壓表用于測量10~60MPa壓力值；高壓表用于測量100MPa以上壓力值。
壓力變送器是工業(yè)實(shí)踐中Zui為常用的一種壓力測量儀器，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)。
2.2 壓力變送器的組成和測量原理
作為一個轉(zhuǎn)換為電信號的測量儀表，圖1-2-1是壓力變送器有一個基本的工作框圖：壓力傳感器檢測到壓力后，輸出一個電信號，這個信號可以是電壓，也可以是頻率或脈沖。信號處理電路會把這個信號放大或者整形，若是智能變送器會把這個信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行非線性及溫度的補(bǔ)償，然后再轉(zhuǎn)換為模擬量，送給變送輸出部分，變成4～20mA電流信號。若是非智能變送器，則直接把模擬的電信號送變送輸出。一般的變送器均為2線制儀表，即供電和測量信號的輸出使用相同的2根導(dǎo)線。
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圖1-2-1 壓力變送器基本工作框圖
2.3 壓力傳感器
壓力傳感器的作用是將壓力的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號。通常使用的壓力傳感器主要有3類。
2.3.1 陶瓷電容傳感器
以三氧化二鋁陶瓷構(gòu)成，當(dāng)傳感器感受壓力后，兩導(dǎo)電極板間距離發(fā)生變化，引起電容量發(fā)生變化。通過振蕩電路可以將這個電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，就可以測量出電容量也就是壓力大小。
陶瓷電容壓力傳感器的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好，抗過載能力可達(dá)量程的百倍以上，沒有液體傳遞壓力，無任何填充液，不會產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，加之是干式陶瓷膜片，也沒有安裝位置影響。有的陶瓷壓力傳感器帶有專用調(diào)理電路，可直接輸出0.5~4.5V的電壓信號。雖然壓力傳感器的量程范圍不同，但是輸出信號的幅值都相同。即0.5V對應(yīng)傳感器測量的Zui小壓力，4.5V對應(yīng)Zui大壓力，其余中間各點(diǎn)與測量壓力成線性關(guān)系。例如，-0.1～１MPa的壓力傳感器，在壓力為0時的理論輸出為0.86V。
2.3.2 金屬電容差壓傳感器
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圖1-2-2 金屬電容差壓傳感器
羅斯蒙特公司使用金屬電容傳感器制成了1151差壓變送器，現(xiàn)在國內(nèi)很多廠家的差壓變送器都是參考1151制造的。金屬電容差壓傳感器的原理是：被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在敏感元件的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充的硅油傳送到測量膜片兩側(cè)。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)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。這個信號可以是電壓，或者頻率及脈沖。
金屬電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，有壓力遲滯，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，很難做高精度。
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圖1-2-3 已焊接連接部件的金屬電容傳感器
2.3.3 擴(kuò)散硅傳感器
擴(kuò)散硅傳感器的核心測量元件是采用擴(kuò)散工藝形成電阻并連接成惠斯通電橋，并施加一個供電給電橋。當(dāng)壓力作用在敏感元件上時，電阻值發(fā)生變化并且產(chǎn)生一個與作用壓力成正比的線性輸出信號。有的廠家傳感器使用硅油傳遞壓力。當(dāng)外界壓力作用在不銹鋼隔離膜片上，通過隔離硅油傳遞到擴(kuò)散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化。
擴(kuò)散硅壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是非線性誤差小，壓力遲滯小，缺點(diǎn)是對溫度變化敏感，為此，154N傳感器使用激光調(diào)阻技術(shù)進(jìn)行溫度及量程補(bǔ)償，改善了輸出信號的溫度特性。
2.4 智能壓力變送器技術(shù)特點(diǎn)
壓力變送器是工業(yè)自動化控制的關(guān)鍵設(shè)備，了解變送器行業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)，也有利于工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸與處理技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，智能壓力變送器充分利用了微處理器的運(yùn)算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對測量信號的調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、自動校正、自動補(bǔ)償和數(shù)據(jù)顯示等，使產(chǎn)品性能得到很大提升。雖然各個品牌的產(chǎn)品特點(diǎn)有所不同，但整個變送器行業(yè)總的技術(shù)特點(diǎn)如下：
1）量程比寬，達(dá)到100：1（少數(shù)有200 ：1、400 ：1）?？梢詼p少項(xiàng)目壓力變送器備件采購數(shù)量。
2）精度高，Zui通用的是0.075%FS?？蓾M足現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制需求。
3）穩(wěn)定性好。穩(wěn)定性是變送器非常重要的指標(biāo)，是生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參考之一?，F(xiàn)階段，高端壓力變送器的長期漂移量一般小于0.1%FS/5年。
4）測量范圍大，差壓Zui高可達(dá)20MPa，壓力Zui高達(dá)到70MPa。解決了高差壓、高壓力的測量問題。
5 ） 輸出信號有4 ～ 2 0 m A 疊加H A R T 6 . 0 、PROFIBUS-PA、FF等多種協(xié)議可選。
6）耐溫能力強(qiáng)。變送器本體適用于-40℃～80℃的環(huán)境溫度；普通變送器可直接接觸-40℃～120℃介質(zhì)；法蘭變送器可承受-90℃～400℃的介質(zhì)，解決了煤化工、化工、石化行業(yè)中的超高、超低溫介質(zhì)的測量難題。
7）防腐材質(zhì)多樣化。隨著電子束、激光焊接技術(shù)的應(yīng)用，可以制造多種特殊材質(zhì)的變送器?？蛇x擇的防腐材質(zhì)有：316L、哈氏C、哈氏B、蒙乃爾、鉭材、鍍金、鈦材、雙相鋼（MOD）、尿素級316L、特氟龍膜片（PTFE、PFA），可解決不同腐蝕介質(zhì)及混合物腐蝕的測量難題。鍍金膜片主要用于高溫高壓氫氣或含氫介質(zhì)的測量，減少氫離子的滲透，延長產(chǎn)品壽命。
8）功能更加強(qiáng)大。本地組態(tài)和遠(yuǎn)程組態(tài)（上位機(jī)軟件或手操器）功能相結(jié)合，提高了設(shè)備的管理、調(diào)試與維護(hù)效率和方便性。仿真、故障自診斷、模塊化設(shè)計(jì)功能增加了變送器使用的方便性和實(shí)用性。
9）產(chǎn)品種類齊全，針對不同的工藝條件、參數(shù)，可選擇不同類型的壓力變送器，如壓力型變送器、絕對壓力變送器、微差壓力變送器、差壓變送器、液位變送器、造紙型變送器、衛(wèi)生型變送器、遠(yuǎn)傳壓力變送器、遠(yuǎn)傳差壓變送器、真空專用法蘭變送器等等。
2.5 壓力變送器的一些基本參數(shù)和指標(biāo)
每一臺壓力變送器，都有其性能指標(biāo)、使用功能、適用范圍等參數(shù)，下面列舉一些主要的性能指標(biāo)和必要的工作參數(shù)：
2.5.1 測量精度
壓力變送器的輸出值隨壓力的變化，理論上是線性的（開方輸出除外），而實(shí)際上的輸出與理論值之間是有誤差的，測量精度就是表示變送器的Zui大測量誤差，精度=（實(shí)際輸出值-理論輸出值）/量程×100%，取3次測量行程的Zui大值，是一個相對量。目前各公司生產(chǎn)的智能變送器基本上測量精度為±0.1%，非智能變送器為±0.5%。
2.5.2 回差（遲滯）
當(dāng)使用變送器測量壓力時，壓力變化從小到大和從大到小，經(jīng)過同一個壓力點(diǎn)時，按理論講，變送器所測量出的壓力值是一樣的，但實(shí)際情況是，變送器所測量出的壓力值是不同的，為說明這個問題，我們定義變送器上升行程與下降行程經(jīng)過同一個壓力點(diǎn)時，測量壓力的差值為壓力回差。若與量程比，就用相對值表示。一般金屬電容變送器的回差相對大些，擴(kuò)散硅及陶瓷電容變送器的回差相對小些。
2.5.3 測量范圍（量程）
測量范圍是指一臺變送器所能測量的Zui大壓力范圍。這實(shí)際上是變送器所使用的壓力傳感器的測量范圍。本公司壓力變送器的測量范圍一般Zui大約0～60MPa，即量程=60-0=60MPa，Zui小約0～1kPa，即量程=1kPa。量程并不是越大越好，量程大說明其檢測壓力范圍寬，量程小說明其檢測微小壓力的能力強(qiáng)。實(shí)際變送器的設(shè)定量程有時候不一定需要其Zui大量程，這就需要進(jìn)行量程遷移。
2.5.4 量程遷移比
假如實(shí)際工況需要測量的壓力范圍為0～3kPa，但是我們壓力傳感器沒有這個檔，這就需要我們使用0～10kPa的傳感器來制作變送器，然后，通過量程遷移，使得變送器可以在測量0～3kPa的壓力時，輸出4～20mA電流,并且精度等指標(biāo)滿足使用要求。量程遷移比=傳感器量程/實(shí)際需要量程，在上面例子中，量程遷移比為10/3=3.3，表示為 3.3:1。變送器的遷移實(shí)際是改變信號放大電路的增益，非智能表一般通過改變電阻值來改變增益，智能表可以通過按鍵或HART通信直接改變其量程。量程遷移比對每種變送器來說，其允許的Zui大遷移量是有限定的，超過Zui大遷移比，變送器的性能變差，不能正常工作。
2.5.5 阻尼時間
阻尼時間是指當(dāng)有階越輸入時，輸出達(dá)到階越值63.2%時的時間。它表示了變送器的輸出隨被測壓力變化的響應(yīng)速度。例如在測量介質(zhì)波動比較厲害時，儀表輸出就會隨之波動，不利于人員觀察和操作，后續(xù)設(shè)備如調(diào)節(jié)閥電機(jī)等也會頻繁劇烈動作，易損壞設(shè)備。把阻尼調(diào)大就可使輸出信號盡量平緩柔和。一般智能變送器出廠時阻尼時間設(shè)定為0秒，即無阻尼。
2.5.6 輸出特性
對于二線制的壓力變送器來說，其輸出通常就是4～20mA電流，即壓力量程下限對應(yīng)4mA，上限對應(yīng)20mA，上下限之間的壓力與電流呈線性關(guān)系。例如一個量程0～100kPa的變送器，其零點(diǎn)輸出為4.001mA，滿量程輸出為20.005mA，當(dāng)測量壓力為50kPa時，理論輸出電流=零點(diǎn)電流+測量壓力值/量程×電流Zui大變化量=4.001+50/100×（20.005-4.001）=12.003mA對于差壓變送器來說，在其用于測量流量時，由于流量與壓力的開方成線性關(guān)系，因此，差壓變送器有開方輸出模式，對于上面例子來說，當(dāng)測量壓力為50kPa時，理論輸出電流=零點(diǎn)電流+（測量壓力值/量程）1/2×電流Zui大變化量= 4 . 0 0 1 + （ 5 0 / 1 0 0 ） 1 / 2 × （ 2 0 . 0 0 5 - 4 . 0 0 1 ）=15.317mA
3 壓力變送器的應(yīng)用
壓力變送器工作時，必須直接與被測介質(zhì)相接觸，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環(huán)境中運(yùn)行，在工程現(xiàn)場能否正常、可靠運(yùn)行，不僅取決于產(chǎn)品質(zhì)量，還取決于優(yōu)化的工程設(shè)計(jì)、合理的型號配置、正確的現(xiàn)場維護(hù)3個方面。
壓力變送器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、造紙、污水處理、自來水、熱力、電力、食品、有色等行業(yè)。
壓力變送器除了可以測量壓力外，還可以衍生出很多用途，比如利用差壓變送器測量流量，利用液體的重力測量液位（靜壓式液位計(jì)）。
3.1 測量流量
差壓變送器除了測量兩個被測量壓力的差壓值外，它還可以配合各種節(jié)流元件（如孔板）來測量介質(zhì)流體的流量。
3.2 測量液位
靜壓液位變送器的工作原理是：液體中某一點(diǎn)的靜壓力與該點(diǎn)到液面的距離成正比，即：P=ρgh。其中：P-被測點(diǎn)的壓力（壓強(qiáng)）、ρ-介質(zhì)密度、g-重力加速度、h-被測點(diǎn)到液面的高度。對已確定的被測介質(zhì)ρ，g為常數(shù)，故被測點(diǎn)到液面的位置的變化只與被測的P壓力（壓強(qiáng)）有關(guān)。
在敞開容器內(nèi)測量液位時，需要一臺壓力變送器即可。當(dāng)測量密閉受壓容器的液位時，可考慮用兩臺壓力或者一臺差壓變送器，即測量下限一臺，測量上限一臺，它們的輸出信號進(jìn)行減法運(yùn)算，即可測出液位，這時一般選用差壓變送器。
在容器內(nèi)液位與壓力值不變的情況下，它還可以用來測量介質(zhì)的密度。
4 壓力變送器的發(fā)展趨勢
為適應(yīng)工業(yè)及自動化控制的發(fā)展，未來壓力變送器的在技術(shù)層面的發(fā)展趨勢將是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低功耗、數(shù)字化、智能化、 網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、高精度、高適應(yīng)性和高安全性。
4.1 高性能壓力變送器日趨成熟
采用先井的微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)低功耗、快速響應(yīng)、高分辨率的處理和控制電路，以降低系統(tǒng)硬件所產(chǎn)生的誤差，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。對放大、濾波、線性與溫度復(fù)合補(bǔ)償算法進(jìn)行深入的研究，提高算法的準(zhǔn)確性，以減小系統(tǒng)的綜合誤差。未來0.04%精度等級的壓力變送器將成為市場的主流。
4.2 無線壓力變送器市場前景廣闊
隨著無線通訊技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的逐漸推廣，無線壓力變送器也受各大廠商和各行業(yè)用戶的關(guān)注，成為繼現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)又一熱點(diǎn)技術(shù)。在現(xiàn)場使用硬線連接成本過高的工業(yè)現(xiàn)場，無線壓力變送器將發(fā)揮明顯優(yōu)勢，消除變送器和控制電路之間的連接，從而節(jié)約能源，減少配線和維護(hù)費(fèi)用。隨著工業(yè)信息化、智能化建設(shè)的大力推進(jìn)，無線壓力變送器產(chǎn)品優(yōu)勢在中國市場逐漸被用戶認(rèn)可，市場進(jìn)入快速成長時期。特別是在油氣、化工、市政等行業(yè)，無線智能壓力變送器應(yīng)用較為廣泛。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。
4.3 集成化成為行業(yè)應(yīng)用新趨勢
壓力變送器已經(jīng)越來越多的與其他測量用變送器集成，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系統(tǒng)中可提高操作速度和效率。
4.4 小型化市場需求進(jìn)一步擴(kuò)大
目前市場對小型壓力變送器的需求越來越大，小型壓力變送器可以工作在窄小的空間。集成技術(shù)在一定程度上支持了變送器產(chǎn)品小型化的發(fā)展。并且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。
5 專業(yè)化（個性化）需求更加突出，應(yīng)用領(lǐng)域更加寬廣
隨著工業(yè)自動控制水平的提高，各行業(yè)尤其是精細(xì)化工、石油石化、煤化工的大力發(fā)展，對變送器的要求也越來越高，針對不同工藝條件，需研發(fā)專用的智能變送器，以解決壓力、流量、液量測量中的工藝難題。
如：在煤制油、煤制氣工藝中，需解決高溫、高壓、氫滲透、固體雜質(zhì)沖刷與堵塞難題的專用法蘭變送器。在大化肥尿素合成、精細(xì)化工中，需解決高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶，以及高溫真空測量的專用變送器。在深海油田中，需研發(fā)耐海水腐蝕、海底高壓力防護(hù)等級和高可靠性的專用壓力變送器，確保變送器在海底石油開采中長期穩(wěn)定的工作。在液體、氣體計(jì)量中，需要專用的多參量智能壓力變送器，提高微小流量計(jì)量的精度與可靠性等。
標(biāo)準(zhǔn)化變送器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是我國的儀器儀表行業(yè)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。只有提高國產(chǎn)品牌的性能，才能在與洋品牌的競爭中有一席之地。
針對我國傳感器與儀表元器件產(chǎn)品的使用壽命、穩(wěn)定性、可靠性與國外先井技術(shù)與產(chǎn)品存在較大差距，建立元器件可靠性服務(wù)平臺，傳感器、儀器儀表元器件可靠性設(shè)計(jì)與分析；可靠性試驗(yàn)與評估；環(huán)境適應(yīng)性測試技術(shù)與仿真；可靠性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；可靠性篩選試驗(yàn)和可靠性管理。一點(diǎn)點(diǎn)的積累，一步步的前進(jìn)，才能造就將來的行業(yè)良好發(fā)展。
