智能壓力變送器原理
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(shè)備。
它能感受到壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)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)。 2、再做一次全程微調(diào)，使4-20毫安、數(shù)字讀數(shù)與實際施加的壓力信號相吻合，因此需要壓力信號源。
1、變送器要測量什么樣的壓力 二、應(yīng)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(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(yīng)變片壓力變送器原理與應(yīng)用
力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力變送器、半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)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(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的器件。它是壓阻式應(yīng)變變送器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)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(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)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)。??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。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設(shè)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。對于遠距離傳輸出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(biāo)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。（市場上壓力變送器主要有4...20mA,0...20mA,0...10V,0...5V等等，但是比較常用的是4...20mA和0...10V兩種，在我上面舉的這些輸出信號中，只有4...20mA為兩線制，我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均為三線制）
三、金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力變送器是一種比較常用的測量儀器，可以將測壓元件受到的氣體、液體等物理參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準的信號輸出，具有測量、性能穩(wěn)定、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點。所以用戶在使用時要保證壓力變送器的正常運行，一定要對產(chǎn)品進行準確的校驗。
是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)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(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)變片的工作原理
金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)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(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω?cm2/m）
S——導(dǎo)體的截面積（cm2）
L——導(dǎo)體的長度（m）
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)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(dāng)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(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情
五、陶瓷壓力變送器原理及應(yīng)用用上述的常規(guī)方法對智能變送器進行校準是不行的，因為這是由HART變送器結(jié)構(gòu)原理所決定了。因為智能變送器在輸入壓力源和產(chǎn)生的4-20毫安電流信號之間，除機械、電路外，還有微處理芯片對輸入數(shù)據(jù)的運算工作。因此調(diào)校與常規(guī)方法有所區(qū)別。??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。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設(shè)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。對于遠距離傳輸出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(biāo)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。（市場上壓力變送器主要有4...20mA,0...20mA,0...10V,0...5V等等，但是比較常用的是4...20mA和0...10V兩種，在我上面舉的這些輸出信號中，只有4...20mA為兩線制，我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均為三線制）
抗腐蝕的壓力變送器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。
陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力變送器的發(fā)展方向，在歐美有替代1、先做一次4-20毫安微調(diào)，用以校正變送器內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器，由于其不涉及傳感部件，無需外部壓力信號源。其它類型傳感器的趨勢，在也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力變送器。
六、擴散硅壓力變送器原理及應(yīng)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(yīng)于這一壓力的標(biāo)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(biāo)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(yīng)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(fù)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(fù)性，精度越高，價格也就越高。實際上廠家對智能變送器的校準也是有說明的，如ABB的變送器，對校準就有：“設(shè)定量程”、“重定量程”、“微調(diào)”之分。其中“設(shè)定量程”操作主要是通過LRV.URV的數(shù)字設(shè)定來完成配置工作，而“重定量程”操作則要求將變送器連接到標(biāo)準壓力源上，通過一系列指令引導(dǎo)，由變送器直接感應(yīng)實際壓力并對數(shù)值進行設(shè)置。而量程的初始、終設(shè)置直接取決于真實的壓力輸入值。但要看到盡管變送器的模擬輸出與所用的輸入值關(guān)系正確，但過程值的數(shù)字讀數(shù)顯示的數(shù)值會略有不同，這可通過微調(diào)項來進行校準。由于各部分既要單獨調(diào)校又必需要聯(lián)調(diào)，因此實際校準時可按以下步驟進行：
4、變送器的溫度范圍
通常一個變送器會標(biāo)定兩個溫確段，其中一個溫??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。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設(shè)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。對于遠距離傳輸出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(biāo)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。（市場上壓力變送器主要有4...20mA,0...20mA,0...10V,0...5V等等，但是比較常用的是4...20mA和0...10V兩種，在我上面舉的這些輸出信號中，只有4...20mA為兩線制，我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均為三線制）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(yīng)用的性能指標(biāo)。
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(yīng)有的性能指標(biāo)。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(dǎo)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(fù)雜的一部分。
5、需要得到怎樣的輸出信號用上述的常規(guī)方法對智能變送器進行校準是不行的，因為這是由HART變送器結(jié)構(gòu)原理所決定了。因為智能變送器在輸入壓力源和產(chǎn)生的4-20毫安電流信號之間，除機械、電路外，還有微處理芯片對輸入數(shù)據(jù)的運算工作。因此調(diào)校與常規(guī)方法有所區(qū)別。??3、需要得到怎樣的輸出信號
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??2、變送器的溫度范圍許多變送器和控制器間距離較短的OEM設(shè)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(biāo)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。
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