壓力變送器現狀與未來發展趨勢
一、引言
壓力變送器是直接與被測介質相接觸的現場儀表，常在高溫、低溫、腐蝕振動沖擊等環境中工作。在石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業的壓力測量及現場控制中應用非常廣泛。
壓力變送器的發展大體經歷了四個階段：
(1)早期壓力變送器采用大位移式工作原理，如曾大量生產的水銀浮子式差壓計及膜盒式差壓變送器，這些變送器精度低且笨重。
(2)20世紀50年代有了精度稍高的力平衡式差壓變送器，但反饋力小，結構復雜，可靠性、穩定性和抗振性均較差。
(3)70年代中期，隨著新工藝、新材料、新技術的出現，尤其是電子技術的迅猛發展出現體積小巧、結構簡單的位移式變送器。
(4)90年代科學技術迅猛發展，這些變送器測量精度比較高而且逐漸向智能化發展數字信號傳輸更有利于數據采集，壓力變送器發展至今已有電容式變送器、擴散硅壓阻式變送器、差動電感式變送器和陶瓷電容式變送器等不同類型。
二、幾種壓力變送器
1.擴散硅壓力變送器
20世紀90年代中期，美國Icsensors公司、Nova公司應用硅精蝕和硅晶片疊合生產了新型擴散硅壓力傳感器并開發出具有精度高,重復性小,抗腐蝕的擴散硅壓力變送器。1993年長沙礦山研究院開發了具有極高性價比的SBP800型擴散硅壓力變送器,在首鋼、長嶺煉油廠等數十家大中型企業推廣使用。
過程壓力通過隔離膜片、密封硅油傳輸到擴散硅膜片上、同時參考端的壓力大氣壓作用于膜片的另一端。這樣膜片兩邊的壓差產生一個壓力場,使膜片的一部分壓縮,另一部分拉伸,在壓縮區和拉伸區分別由兩個應變電阻片,以感受壓力引起的阻值的變化,從而將壓力信號轉換為電信號圖。此種壓力變送器可以測量316鋼承載的任何液、氣態介質。
2.電容薄膜式壓力變送器
電容薄膜式絕對壓力變送器自80年代誕生至今有20年歷史,由于它的精度較高,耐腐蝕,耐污染,穩定性好,是檢測低真空壓力的儀表。美國M.K.S的公司是全球生產電容薄膜式壓力變送器的主要生產廠家,至目前為止,它的年銷售額已達上億美元,涉及民用工業的各個領域,并在航天工業、核工業等軍事工業中發揮著獨特的作用。
這種壓力變送器是利用彈性薄膜在壓差作用下產生壓變引起電容變換的原理制成,它是由檢測部分和轉換電路組成檢測部分有真空腔及檢測腔兩個腔體。真空腔為全密封結構,經質譜檢漏儀檢漏合格后,通過長時間排氣,最后將排氣管密封形成的,并備有消氣劑,消除殘余氣體,長期保持高真空。固定極板位于真空腔中,由極板引出線至腔外。檢測膜片置于高真空的真空腔及連接低真空待測系統的檢測腔之間,檢測膜片為可動極板,其與固定極板形成一個平板電容器,有一定的電容值。被測的低真空壓力通過檢測孔進入檢測腔,檢測膜片產生撓曲,改變了其與固定極板的距離,電容值也隨之改變。不同的低真空壓力值決定不同的電容值。最后電容信號被輸送到電路轉換部分,電路轉換部分將電容信號通過變換、整理、放大等環節,輸出一個標準電壓或電流信號。這個標準電信號是從電容信號而來,它與真空壓力成正比。真空預冷試驗機采用CPCD100Z型電容薄膜式壓力送器作為真空室壓力的測量。通過微處理機把信號輸出在面板上。實驗證明,該類型變送器響應快,穩定可靠并可以連續使用,充分滿足了試驗中壓力測量的要求。
3.陶瓷厚膜壓力變送器
陶瓷厚膜式壓力變送器是利用了陶瓷厚膜電阻的力敏效應。利用陶瓷厚膜壓力芯片作為彈性元件,印刷和燒結在陶瓷膜片上的厚膜電阻為敏感電阻,并經過精密的補償技術、調阻技術、信號處理技術的處理,將壓力信號直接轉換成標準的電流信號,并接人工業儀表或計算機控制系統,實現生產過程的自動檢測和控制。
瓷厚膜壓力變送器主要是由陶瓷厚膜壓力傳感器和微處理器兩部分組成,傳感器用來測量壓力變化。當壓力作用于傳感器時,引起傳感器的電阻值變化,傳感器芯片上的電橋電路檢測出并由A/D轉器轉換成數字信號送至微處理器。微處理器是信號處理的核心部件,具有線性運算、校正、故障診斷和通信功能。傳感器數據存儲器能夠存儲修正系數,微處理器利用存儲器中的數據信息,經計算處理,產生一個高精度的特性優異的輸出。這種變送器在生產工藝過程中可將各種介質包括腐蝕性和非腐蝕性的氣體、液體直接引人到陶瓷膜片上,無需進行復雜的隔離技術,因此價格低廉。壓力變送器的彈性體為物化性能極為穩定的高鋁瓷兒制作,長期工作無蠕變和塑性變形,線性度、滯后性能明顯優于其他類型壓力變送器。
4.陶瓷電容壓力變送器
陶瓷電容壓力變送器采用無中介液的干式陶瓷電容傳感器,從而獲得很高的技術性能。市場上以德國E+H公司和美國Kavlico公司產品為主。年代中期,哈爾濱工業大學利用美國Kavlico公司的陶瓷電容式傳感器生產出PTM120壓力變送器,其性能穩定,測試數據準確,大量投人到石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業的壓力測量及現場控制。
陶瓷電容壓力變送器的工作原理與其他電容式的變送器不同,介質壓力直接作用于陶瓷膜片,使測量膜片產生偏移。膜片位移產生的電容變化量與輸人壓力成一定的線性關系,經電子部件檢測、放大并輸出。
三、智能型壓力變送器
20世紀90年代,現場總線技術迅速崛起,工業過程控制系統逐漸向具有雙向通信和智能儀表控制的現場總線控制系統方向發展。從而產生了新一代的智能壓力變送器。它們的主要特點如下。
(1)自補償功能如非線性、溫度誤差、響應時間、噪聲和交叉感應等。
(2)自診斷功能如在接通電源時進行自檢,在工作中實現運行檢查。
(3)微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信的功能構成閉環工作系統。
(4)信息存儲和記憶功能。
(5)數字量輸出。
基于上述功能,智能壓力變送器的精度、穩定性、重復性和可靠性都得到提高和改善。其雙向通信能力實現了計算機軟件控制及遠程設定量程等狀態。
智能型壓力變送器主要分為帶協HART協議的和帶482或RS232接口的兩種類型。帶HART協議的智能壓力變送器是在模擬信號上迭加一個專用頻率信號,實現模擬和數字同時進行通信。帶RS232或485口的智能壓力變送器內部將模擬信號A/D轉換通過微處理器計算由D/A輸出。RS232接口是異步通信協議接口,可與許多通信協議兼容。因此,后者應用非常廣泛。
四、壓力變送器代表性產品
(1)EJA變送器
產品規格
應用類型型號膜盒量程(KPa)最大工作壓力(MPa)
差壓和液位常規安裝EJA110AL0.5-103.5
L(接液材質代碼為“S”)0.5-1016
M1-10016
H5-50016
V0.14-14MPa16
特點：
靜壓影響忽略不計
當加有靜壓(工作壓力)時，兩形狀、尺寸、材質完全一致的諧振梁形變相同，故頻率變化也一致，故偏差自動清除(公式和圖類似溫度影響)。
單向過壓特性優異
接液膜片與膜盒本體采用獨創的波紋加工技術，使外部壓力增大到某一數值時，接液膜片能與本體完全接觸，硅油傳遞給傳感器的壓力不再隨外力的增加而增加，從而達到對傳感器的保護作用。
安裝靈活
可無需支架，直接安裝;
常規使用，無需三閥組。
綜合評價：
采用微電子加工技術(MEMS)在一個單晶硅芯片表面的中心和邊緣制作兩個形狀、尺寸、材質完全一致的H形狀的諧振梁，諧振梁在自激振蕩回路中作高頻振蕩(如圖1)。單晶硅片的上下表面受到的壓力不等時，將產生形變，導致中心諧振梁因壓縮力而頻率減小，邊緣諧振因受拉伸力而頻率增加(如圖2)。
兩頻率之差信號直接送到CPU進行數據處理，然后(1)經D/A轉換成4-20mA輸出信號，通訊時疊加Brain或Hart數字信號;(2)直接輸出符合現場總線(FieldbusFoundationTM)標準的數字信號。
(2)羅斯蒙特壓力變送器
一、產品概述：
羅斯蒙特的3051C型壓力變送器為壓力測量技術創建了一個新的標準。它具有可靠的操作性能、靈活的CoPlanarTM平臺，而且可以升級。新型3051C壓力變送器的性能指標保證了在不同工況下的精度和穩定性。
工作原理：工作時，高、低壓側的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化(對于GP表壓變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片的低壓側一樣)。AP絕壓變送器，低壓側始終保持一個參考壓力。傳感膜片的最大位移量為0.004英寸(0.1毫米)，且位移量與壓力成正比。兩側的電容極板檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉換為相應的電流，電壓或數字HART(高速可尋址遠程發送器數據公路)輸出信號。
3051變送器的應用
新型3051C的性能指標保證在不同工況下的精度和穩定性。靈活可變的CoPlanarTM平臺設計不但為您目前的應用需求提供方案，同時通過PlantWeb工廠管控網和現場總線技術也完全能滿足您將來的技術要求。
二、技術參數：
總體性能：±0.15%
精度：±0.075%
差壓：校驗量程從0.5inH2O至2000psi
表壓：校驗量程從2.5inH2O至2000psi
絕對壓力：校驗量程從0.167psia至4000psia
過程隔離膜片：不銹鋼，哈氏合金CR，蒙乃爾R，鉭(僅限CD，CG)及鍍金蒙乃爾
設計小巧、堅固而質輕，易于安裝。
五、壓力變送器的趨勢
當今世界各國壓力變送器的研究領域十分廣泛,幾乎滲透到了各個行業,但歸納起來主要有以下幾個趨勢:
(1)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。
(2)集成化壓力變送器已經越來越多的與其它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中可提高操作速度和效率。
(3)小型化目前市場對小型壓力變送器的需求越來越大,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,可以放置在人體的各個重要器官中收集資料,不影響人的正常生活。如美國Entran公司生產的量程為2～500PSI的變送器,直徑僅為1.27mm,可以放置在人體的血管中而不會對血液的流通產生大的影響。
(4)標準化變送器的設計與制造已經形成了一定的行業標準。如ISO國際質量體系;美國的ANSI、ASTM標準、俄羅斯的ГOCT、日本的JIS標準。
(5)廣泛化壓力變送器的另一個發展趨勢是正從機械行業向其它領域擴展,例如:汽車元件、醫療儀器和能源環境控制系統。
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