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      安徽國天儀表有限公司歡迎您!我公司主要生產和銷售壓力變送器、熱電偶、熱電阻等儀器儀表產品!為您提供優質的產品和專業的服務!
      壓力變送器技術應用及發展
      壓力變送器主要用于工業過程自動化控制中的壓力、流量、液位、真空度、密度等參數的測量,廣泛應用于冶金、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、醫藥、食品等各個行業。
      壓力變送器是一種將檢測到的壓力轉換為與壓力成正比的電信號,再經過放大、輸出標準信號,為控制系統、二次儀表提供顯示、記錄、調節、測量、通訊等信號的設備。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、電子技術的發展,壓力變送器在技術、功能、性能上得到了快速提升,也促進了工業自動化水平的發展與應用。
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      1 壓力變送器的技術現狀
      經過多年的建設與發展,我國儀器儀表已經初步形成產品門類品種比較齊全,具有一定生產規模和開發能力的產業體系,我國儀器儀表發展很快,形勢很好,很多三資企業和民營企業都得以迅速發展和崛起,如今已經成為儀器儀表產業的主體。另外國家支持,推動功能新材料的產業發展,產業布局由低級向高級階段發展的整體戰略布局也漸漸浮現。
      雖然我國儀器儀表產業有了較大的發展,但還遠遠不能滿足國民經濟、科學研究、國防建設以及社會發展等各個方面日益增長的迫切需求。我國儀器儀表產品大部分屬于中低端產品,高精度變送器幾乎全部依賴進Kou。我國儀器儀表落后于國際先井水平,差距是全方位的,包括產品技術方面的差距和企業綜合實力上的差距。主要體現在以下幾個方面:
      1)基礎材料研究,未列入國家層面的研究項目。
      2)標準化工作差距大。
      3)技術差距:見表1。
      4)產業水平差距:中小企業占多數,制造技術水平不高。
      表1-3 壓力變送器的技術現狀的內外對比
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      2 壓力儀表概述
      2.1 壓力表的分類
      既然自然界以及現代社會有壓力存在,我們就需要對壓力進行測量。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;絕壓表以絕對壓力零位為基準;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。
      壓力變送器是工業實踐中Zui為常用的一種壓力測量儀器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。
      2.2 壓力變送器的組成和測量原理
      作為一個轉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換為數字量,進行非線性及溫度的補償,然后再轉換為模擬量,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成,當傳感器感受壓力后,兩導電極板間距離發生變化,引起電容量發生變化。通過振蕩電路可以將這個電容變化轉換為電壓信號,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定性好,抗過載能力可達量程的百倍以上,沒有液體傳遞壓力,無任何填充液,不會產生工藝污染,因此在食品、醫藥等行業有著廣泛的應用,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對應傳感器測量的Zui小壓力,4.5V對應Zui大壓力,其余中間各點與測量壓力成線性關系。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,現在國內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:被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室,作用在敏感元件的兩側隔離膜片上,通過隔離片和元件內的填充的硅油傳送到測量膜片兩側。由測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側壓力不一致時,致使測量膜片產生位移,其位移量和壓力差成正比,故兩側電容量就不等,通過振蕩和解調環節,轉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點是結構簡單,靈敏度高,過載能力強,動態響應特性好,對高溫、輻射等惡劣條件的適應性強等。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。當壓力作用在敏感元件上時,電阻值發生變化并且產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傳感器使用激光調阻技術進行溫度及量程補償,改善了輸出信號的溫度特性。
      2.4 智能壓力變送器技術特點
      壓力變送器是工業自動化控制的關鍵設備,了解變送器行業的技術特點,也有利于工程設計的優化。隨著科學技術的發展,信息傳輸與處理技術已取得突破性進展,智能壓力變送器充分利用了微處理器的運算和存儲能力,對傳感器的數據進行處理,包括對測量信號的調理(如濾波、放大、A/D轉換等)、自動校正、自動補償和數據顯示等,使產品性能得到很大提升。雖然各個品牌的產品特點有所不同,但整個變送器行業總的技術特點如下:
      1)量程比寬,達到100:1(少數有200 :1、400 :1)??梢詼p少項目壓力變送器備件采購數量。
      2)精度高,Zui通用的是0.075%FS??蓾M足現有工業生產系統的控制需求。
      3)穩定性好。穩定性是變送器非常重要的指標,是生產系統穩定運行的關鍵參考之一?,F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20MPa,壓力Zui高達到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等多種協議可選。
      6)耐溫能力強。變送器本體適用于-40℃~80℃的環境溫度;普通變送器可直接接觸-40℃~120℃介質;法蘭變送器可承受-90℃~400℃的介質,解決了煤化工、化工、石化行業中的超高、超低溫介質的測量難題。
      7)防腐材質多樣化。隨著電子束、激光焊接技術的應用,可以制造多種特殊材質的變送器??蛇x擇的防腐材質有: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的測量,減少氫離子的滲透,延長產品壽命。
      8)功能更加強大。本地組態和遠程組態(上位機軟件或手操器)功能相結合,提高了設備的管理、調試與維護效率和方便性。仿真、故障自診斷、模塊化設計功能增加了變送器使用的方便性和實用性。
      9)產品種類齊全,針對不同的工藝條件、參數,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、衛生型變送器、遠傳壓力變送器、遠傳差壓變送器、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和指標
      每一臺壓力變送器,都有其性能指標、使用功能、適用范圍等參數,下面列舉一些主要的性能指標和必要的工作參數:
      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)
      當使用變送器測量壓力時,壓力變化從小到大和從大到小,經過同一個壓力點時,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。實際變送器的設定量程有時候不一定需要其Zui大量程,這就需要進行量程遷移。
      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
      阻尼時間是指當有階越輸入時,輸出達到階越值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速度。例如在測量介質波動比較厲害時,儀表輸出就會隨之波動,不利于人員觀察和操作,后續設備如調節閥電機等也會頻繁劇烈動作,易損壞設備。把阻尼調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4mA,上限對應20mA,上下限之間的壓力與電流呈線性關系。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系,因此,差壓變送器有開方輸出模式,對于上面例子來說,當測量壓力為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 壓力變送器的應用
      壓力變送器工作時,必須直接與被測介質相接觸,常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環境中運行,在工程現場能否正常、可靠運行,不僅取決于產品質量,還取決于優化的工程設計、合理的型號配置、正確的現場維護3個方面。
      壓力變送器產品廣泛應用于鋼鐵、化工、造紙、污水處理、自來水、熱力、電力、食品、有色等行業。
      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流元件(如孔板)來測量介質流體的流量。
      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ρ,g為常數,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。
      在敞開容器內測量液位時,需要一臺壓力變送器即可。當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。
      在容器內液位與壓力值不變的情況下,它還可以用來測量介質的密度。
      4 壓力變送器的發展趨勢
      為適應工業及自動化控制的發展,未來壓力變送器的在技術層面的發展趨勢將是實現產品低功耗、數字化、智能化、 網絡化、專業化、高精度、高適應性和高安全性。
      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,設計低功耗、快速響應、高分辨率的處理和控制電路,以降低系統硬件所產生的誤差,提升系統的可靠性和穩定性。對放大、濾波、線性與溫度復合補償算法進行深入的研究,提高算法的準確性,以減小系統的綜合誤差。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
      隨著無線通訊技術在行業應用的逐漸推廣,無線壓力變送器也受各大廠商和各行業用戶的關注,成為繼現場總線和工業以太網又一熱點技術。在現場使用硬線連接成本過高的工業現場,無線壓力變送器將發揮明顯優勢,消除變送器和控制電路之間的連接,從而節約能源,減少配線和維護費用。隨著工業信息化、智能化建設的大力推進,無線壓力變送器產品優勢在中國市場逐漸被用戶認可,市場進入快速成長時期。特別是在油氣、化工、市政等行業,無線智能壓力變送器應用較為廣泛。智能化由于集成化的出現,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 集成化成為行業應用新趨勢
      壓力變送器已經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。集成系統在過程控制和工廠自動化系統中可提高操作速度和效率。
      4.4 小型化市場需求進一步擴大
      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。集成技術在一定程度上支持了變送器產品小型化的發展。并且這種小型變送器可以工作在極端惡劣的環境下,并且只需要很少的保養和維護,對周圍的環境影響也很小。
      5 專業化(個性化)需求更加突出,應用領域更加寬廣
      隨著工業自動控制水平的提高,各行業尤其是精細化工、石油石化、煤化工的大力發展,對變送器的要求也越來越高,針對不同工藝條件,需研發專用的智能變送器,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、精細化工中,需解決高溫、高壓、強腐蝕、易結晶,以及高溫真空測量的專用變送器。在深海油田中,需研發耐海水腐蝕、海底高壓力防護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。
      標準化變送器的設計與制造已經形成了一定的行業標準,但是我國的儀器儀表行業正面臨著巨大的挑戰。只有提高國產品牌的性能,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品的使用壽命、穩定性、可靠性與國外先井技術與產品存在較大差距,建立元器件可靠性服務平臺,傳感器、儀器儀表元器件可靠性設計與分析;可靠性試驗與評估;環境適應性測試技術與仿真;可靠性數據庫構建技術,建設統一的可靠性數據庫,實現數據共享;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,才能造就將來的行業良好發展。
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