智能式壓力變送器的應(yīng)用

宋玉力　王圣民

【摘 要】隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及與傳感器的密切結(jié)合，使傳感器不僅具有傳統(tǒng)的檢測(cè)概念，而且具有存儲(chǔ)、判斷和信息處理的功能的傳感器。智能傳感器具有多功能、一體化、集成度高、體積小、適宜大批量輸出、使用方便、性價(jià)比高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，它是傳感器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】智能式；壓力檢測(cè)；創(chuàng)新應(yīng)用

0.簡(jiǎn)介

智能式變送器是由傳感器和微處理器（微機(jī)）相結(jié)構(gòu)而成的。它充分利用了微處理器的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，可對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)測(cè)量信號(hào)的調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)取?/p>

微處理器是智能式變送器的核心。它不但可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使采集數(shù)據(jù)達(dá)到最佳。由于微處理器具有各種軟件和硬件功能，因而它可以完成傳統(tǒng)變送器難以完成的任務(wù)。所以智能式變送器降低了傳感器的制造難度，并在很大程主上提高了傳感器的性能。

壓力傳感器是指能夠檢測(cè)壓力并提供遠(yuǎn)傳信號(hào)的裝置，能夠滿足自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)顯示、記錄和控制的要求。當(dāng)壓力傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信號(hào)時(shí)，又將它稱為壓力變送器。借助于半導(dǎo)體技術(shù)將傳感器部分與信號(hào)放大調(diào)理和轉(zhuǎn)換后電路、接口電路和微處理器等制作在同一塊芯片上，即形成大規(guī)模接觸電路的智能傳感器。智能傳感器具有多功能、一體化、集成度高、體積小、適宜大批量輸出、使用方便、性價(jià)比高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1.智能式變送器的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)今世界各國(guó)變送器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各個(gè)行業(yè)，但歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)趨勢(shì)：①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(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。②集成化變送器已經(jīng)越來(lái)越多的與其它測(cè)量用變送器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化中可提高操作速度和效率。③小型化目前市場(chǎng)對(duì)小型變送器的需求越來(lái)越大，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(duì)周圍的環(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個(gè)重要器官中收集資料，不影響人的正常生活。如美國(guó)Entran 公司生產(chǎn)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(huì)對(duì)血液的流通產(chǎn)生大的影響。④標(biāo)準(zhǔn)化變送器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO國(guó)際質(zhì)量體系；美國(guó)的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯的ГOCT、日本的JIS 標(biāo)準(zhǔn)。⑤廣泛化變送器的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展，例如：汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。

2.差壓變送器的工作原理

壓力和差壓變送器作為過(guò)程控制系統(tǒng)的檢測(cè)變換部分，將液體、氣體或蒸汽的差壓（壓力）、流量、液位等工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如DC4mA～20mA 電流），作為顯示儀表、運(yùn)算器和調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)檢測(cè)和自動(dòng)控制。

差動(dòng)電容式壓力變送器由測(cè)量部分和轉(zhuǎn)換放大電路組成，如圖1所示。

差動(dòng)電容式壓力變送器的測(cè)量部分常采用差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)，如圖2所示。中心可動(dòng)極板與兩側(cè)固定極板構(gòu)成兩個(gè)平面型電容HC和LC?？蓜?dòng)極板與兩側(cè)固定極板形成兩個(gè)感壓腔室，介質(zhì)壓力是通過(guò)兩個(gè)腔室中的填充液作用到中心可動(dòng)極板。一般采用硅油等理想液體作為填充液，被測(cè)介質(zhì)大多為氣體或液體。隔離膜片的作用既傳遞壓力，又避免電容極板受損。

當(dāng)正負(fù)壓力（差壓）由正負(fù)壓導(dǎo)壓口加到膜盒兩邊的隔離膜片上時(shí)，通過(guò)腔室內(nèi)硅油液體傳遞到中心測(cè)量膜片上，中心感壓膜片產(chǎn)生位移，使可動(dòng)極板和左右兩個(gè)極板之間的間距不相對(duì)，形成差動(dòng)電容，若不考慮邊緣電場(chǎng)影響，該差動(dòng)電容可看作平板電容。差動(dòng)電容的相對(duì)變化值與被測(cè)壓力成正比，與填充液的介電常數(shù)無(wú)關(guān)，從原理上消除了介電常數(shù)的變化給測(cè)量帶來(lái)的誤差。

3.變送器技術(shù)特性

3.1測(cè)量范圍、上下限及量程

每個(gè)用于測(cè)量的變送器都有測(cè)量范圍，它是該儀表按規(guī)定的精度進(jìn)行測(cè)量的被測(cè)變量的范圍。測(cè)量范圍的最小值和最大值分別稱為測(cè)量下限（LRV）和測(cè)量上限（URV），簡(jiǎn)稱下限和上限。

變送器的量程可以用來(lái)表示其測(cè)量范圍的大小，是其測(cè)量上限值與下限值的代數(shù)差即：量程=測(cè)量上限值-測(cè)量下限值。

3.2零點(diǎn)遷移和量程調(diào)整

在實(shí)際使用中，由于測(cè)量要求或測(cè)量條件的變化，需要改變變送器的零點(diǎn)或量程，為此可以對(duì)變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移和量程調(diào)整。量程調(diào)整的目的是使變送器的輸出信號(hào)的上限值ymax□與測(cè)量范圍的上限值xmax□相對(duì)應(yīng)。圖3為變送器量程調(diào)整前后的輸入輸出特性。

由圖可見(jiàn)，量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器輸入輸出特性的斜率，由特性1到特性2的調(diào)整為量程增大調(diào)整。反之，由特性2到特性1的調(diào)整為量程減小調(diào)整。

3.3量程比

量程比是指變送器的最大測(cè)量范圍和最小測(cè)量范圍之比，這也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。變送器所使用的測(cè)量范圍和操作條件是經(jīng)常變化的，如果變送器的量程比大，則它的調(diào)節(jié)余地就大?？梢愿鶕?jù)工藝需要，隨時(shí)更改使用范圍，顯然這會(huì)給使用者帶來(lái)很多方便。他們可以不需更換儀表，不需拆卸和重新安裝.只要把量程改變一下就可以了。對(duì)智能儀表來(lái)說(shuō)，只要在手持終端上再設(shè)定一下。這樣，庫(kù)里的備品數(shù)量可以大為減少，計(jì)劃管理等工作也會(huì)簡(jiǎn)單得多。

3.4阻尼特性

差壓變送器常用來(lái)和節(jié)流裝置配合測(cè)量流體流量，也可根據(jù)靜壓原理測(cè)量容器內(nèi)的介質(zhì)液位，流量、液位這兩種物理參數(shù)有時(shí)很容易波動(dòng)，致使記錄曲線很粗很大，看不清楚，為此變送器內(nèi)一般都有阻尼（濾波）裝置。

阻尼特性以變送器傳送時(shí)間常數(shù)來(lái)表示，傳送時(shí)間常數(shù)是指輸出由0升到最大值的63.2%時(shí)的時(shí)間常數(shù)。阻尼越大，則時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)。

變送器的傳送時(shí)間分兩部分，一部分是組成儀表的各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，這一部分是不能調(diào)的，電動(dòng)變送器大概為零點(diǎn)幾秒；另一部分是阻尼電路的時(shí)間常數(shù)，這一部分是可以調(diào)的，從幾秒到十幾秒。

3.5穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是變送器的又一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，從某種意義上講，它比變送器的精度還重要。穩(wěn)定性誤差是指在規(guī)定工作條件下，輸入保持恒定時(shí)，輸出在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持不變的能力。穩(wěn)定性±0.1%URV/6個(gè)月表示：在6個(gè)月內(nèi)，儀表的零點(diǎn)變化不超過(guò)測(cè)量范圍上限的±0.1%。注意這里說(shuō)的是測(cè)量范圍上限，不是使用范圍。例如某變送器的測(cè)量范圍為0～2kPa至0～100kPa，如果使用在0～10kPa，那么它的穩(wěn)定性就不是±0.1%，而是±1%；所以在看儀表的誤差時(shí)，一定要看它對(duì)哪個(gè)范圍而言。

4.結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化儀表尤其是工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、總線化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展進(jìn)程，不難看出計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)化儀表（下轉(zhuǎn)第120頁(yè)）（上接第80頁(yè)）技術(shù)的發(fā)展起到了十分積極的促進(jìn)作用，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)局域網(wǎng)的融合又大大豐富和發(fā)展了現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)。因此，現(xiàn)代自動(dòng)化儀表的智能化技術(shù)不但改善了儀表本身的性能，還影響到了控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，它不再是功能單一的固定結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)性越來(lái)越強(qiáng)，功能也越來(lái)越豐富。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化儀表行業(yè)發(fā)展所遇到的一些問(wèn)題，相信在行業(yè)逐漸成熟的背景下，這些問(wèn)題能逐一解決。新一代的智能化儀器儀表將在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，在各行各業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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