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。
隨著計算機、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)點是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射等惡劣條件的適應(yīng)性強等。缺點是輸出有非線性，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 擴散硅傳感器
擴散硅傳感器的核心測量元件是采用擴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散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化。
擴散硅壓力傳感器的優(yōu)點是非線性誤差小，壓力遲滯小，缺點是對溫度變化敏感，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
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，也有利于工程設(shè)計的優(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)品特點有所不同，但整個變送器行業(yè)總的技術(shù)特點如下：
1）量程比寬，達(dá)到100：1（少數(shù)有200 ：1、400 ：1）。可以減少項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。可滿足現(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)定運行的關(guān)鍵參考之一。現(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。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。可選擇的防腐材質(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）功能更加強大。本地組態(tài)和遠(yuǎn)程組態(tài)（上位機軟件或手操器）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)計功能增加了變送器使用的方便性和實用性。
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)過同一個壓力點時，按理論講，變送器所測量出的壓力值是一樣的，但實際情況是，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。實際變送器的設(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)境中運行，在工程現(xiàn)場能否正常、可靠運行，不僅取決于產(chǎn)品質(zhì)量，還取決于優(yōu)化的工程設(shè)計、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）。
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：液體中某一點的靜壓力與該點到液面的距離成正比，即：P=ρgh。其中：P-被測點的壓力（壓強）、ρ-介質(zhì)密度、g-重力加速度、h-被測點到液面的高度。對已確定的被測介質(zhì)ρ，g為常數(shù)，故被測點到液面的位置的變化只與被測的P壓力（壓強）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
采用先井的微型計算機技術(shù)，設(shè)計低功耗、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、氣體計量中，需要專用的多參量智能壓力變送器，提高微小流量計量的精度與可靠性等。
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)，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)計與分析；可靠性試驗與評估；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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；可靠性篩選試驗和可靠性管理。一點點的積累，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。
隨著計算機、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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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。
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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)點是結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射等惡劣條件的適應(yīng)性強等。缺點是輸出有非線性，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 擴散硅傳感器
擴散硅傳感器的核心測量元件是采用擴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散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化。
擴散硅壓力傳感器的優(yōu)點是非線性誤差小，壓力遲滯小，缺點是對溫度變化敏感，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
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，也有利于工程設(shè)計的優(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)品特點有所不同，但整個變送器行業(yè)總的技術(shù)特點如下：
1）量程比寬，達(dá)到100：1（少數(shù)有200 ：1、400 ：1）。可以減少項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。可滿足現(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)定運行的關(guān)鍵參考之一。現(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。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。可選擇的防腐材質(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）功能更加強大。本地組態(tài)和遠(yuǎn)程組態(tài)（上位機軟件或手操器）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)計功能增加了變送器使用的方便性和實用性。
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)過同一個壓力點時，按理論講，變送器所測量出的壓力值是一樣的，但實際情況是，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。實際變送器的設(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)境中運行，在工程現(xiàn)場能否正常、可靠運行，不僅取決于產(chǎn)品質(zhì)量，還取決于優(yōu)化的工程設(shè)計、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）。
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：液體中某一點的靜壓力與該點到液面的距離成正比，即：P=ρgh。其中：P-被測點的壓力（壓強）、ρ-介質(zhì)密度、g-重力加速度、h-被測點到液面的高度。對已確定的被測介質(zhì)ρ，g為常數(shù)，故被測點到液面的位置的變化只與被測的P壓力（壓強）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
采用先井的微型計算機技術(shù)，設(shè)計低功耗、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、氣體計量中，需要專用的多參量智能壓力變送器，提高微小流量計量的精度與可靠性等。
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)，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)計與分析；可靠性試驗與評估；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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；可靠性篩選試驗和可靠性管理。一點點的積累，一步步的前進(jìn)，才能造就將來的行業(yè)良好發(fā)展。
