智能壓力變送器的原理及應用

智能壓力變送器的原理及應用
一、工作原理

壓力變送器是一種將氣體、液體等物理壓力轉(zhuǎn)換成氣動信號或電動信號進行控制和遠傳的設備。

它能感受到壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標準的電信號（如4~20mADC等），以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。   出現(xiàn)這種情況時應考慮：壓力源本身是否穩(wěn)定；儀表或壓力傳感器抗干擾能力得程度；傳感器接線是否正常；傳感器本身振動及故障原因；電源極性是否接反。

檢查壓力傳輸是否發(fā)生阻塞；檢查檢定設備及進行傳感器調(diào)整；檢車阻尼及電動勢干擾。 二、應用場所

壓力變送器是工業(yè)實踐中為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業(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、航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

壓力變送器有電動式和氣動式兩大類。電動式的統(tǒng)一輸出信號為0～10mA、4～20mA或1～5V等直流電信號。氣動式的統(tǒng)一輸出信號為20～100Pa的氣體壓力。1、應變片壓力變送器原理與應用
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力變送器、半導體應變片壓力變送器、壓阻式壓力變送器、電感式壓力變送器、電容式壓力變送器、諧振式壓力變送器及電容式加速度傳感器等。但應用為廣泛的是壓阻式壓力變送器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式壓力變送器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的器件。它是壓阻式應變變送器的主要組成部分之一。電阻應變片應用多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。  通常一個變送器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償?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，在超出溫度補范圍時，可能會達不到其應用的性能指標。溫度補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，變送器肯定會達到其應有的性能指標。溫度變從兩方面影響著其輸出，一是零點漂移；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%，在溫度補償范圍內(nèi)時讀數(shù)的+/-X%，如果沒有這些參數(shù)，會導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。溫度影響是了解如何使用變送器時復雜的一部分。
三、金屬電阻應變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)  出現(xiàn)這種情況時應考慮：壓力源本身是否穩(wěn)定；儀表或壓力傳感器抗干擾能力得程度；傳感器接線是否正常；傳感器本身振動及故障原因；電源極性是否接反。
是電阻應變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
四、電阻應變片的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω?cm2/m）
S——導體的截面積（cm2）
L——導體的長度（m）
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情

六、擴散硅壓力變送器原理及應用
工作原理
被測介質(zhì)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，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。

七、選型方法

1、變送器要測量什么樣的壓力
先確定系統(tǒng)中測量壓力的值，一般而言需要選擇一個具有比值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在許多系統(tǒng)中，尤其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。持續(xù)的高壓力值或稍微超出變送器的標定值會縮短傳感器的壽命，這樣做還會使精度下降。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)
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。以上這些因素將決定是否選擇直接的隔離膜及直接與介質(zhì)接觸的材料。
3、變送器需要多大的精度
決定精度的有，非線性，遲滯性，非重復性，溫度、零點偏置刻度，溫度的影響。但主要由非線性，遲滯性，非重復性，精度越高，價格也就越高。3、后做重定量程，通過調(diào)整使模擬輸出4-20毫安與外加的壓力信號源相吻合，其作用與變送器外殼上的調(diào)零（Z）、調(diào)量程（R）開關的作用完全相同。
4、變送器的溫度范圍
通常一個變送器會標定兩個溫確段，其中一個溫1、變送器要測量什么樣的壓力度段是正常工作溫度，另外一個是溫度補償范圍，正常工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，在超出溫度補償范圍時可能會達不到其應用的性能指標。
溫度補償范圍是一個比工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到其應有的性能指標。溫度變從兩方面影響著其輸出，一是零點漂移，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%，在溫度補償范圍內(nèi)時讀數(shù)的+/-X%，如果沒有這些參數(shù)，會導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。溫度影響是了解如何使用變送器時復雜的一部分。
5、需要得到怎樣的輸出信號  4、壓力變量度數(shù)偏低或者偏高  2、變送器的溫度范圍
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1、變送器要測量什么樣的壓力許多變送器和控制器間距離較短的OEM設備采用mA輸出的變送器為經(jīng)濟而有效的解決方法。
如果需要將輸出信號放大，采用具有內(nèi)置放大的變送器。對于遠距離傳輸或存在較強的電子干擾信號采用mA級輸出或頻率輸出。
如果在RFI或EMI指標很高的環(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或過濾器。