壓力變送器知識介紹
許家淦
壓力變送器是一種重要的工業傳感器，它的主要功能是將感受到的壓力信號（來自氣體、液體等）轉換成可測量、指示和過程調節的電信號。這些電信號通常是標準的，如4～20mA DC或1～5V，便於與自動化控製係統連接。
為什麼選擇4～20mA DC，因為工業上廣泛采用的是用4～20mA電dian流liu來lai傳chuan輸shu模mo擬ni量liang。采cai用yong電dian流liu信xin號hao的de原yuan因yin是shi不bu容rong易yi受shou幹gan擾rao。並bing且qie電dian流liu源yuan內nei阻zu無wu窮qiong大da，導dao線xian電dian阻zu串chuan聯lian在zai回hui路lu中zhong不bu影ying響xiang精jing度du，在zai普pu通tong雙shuang絞jiao線xian上shang可ke以yi傳chuan輸shu數shu百bai米mi。
信號起點電流選擇4mA的原因：4～20MA壓力變送器兩線製的居多，兩線製即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控製室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線。為什麼起點信號不是0MA?這是基於兩點:
1．變送器電路沒有靜態工作電流將無法工作，信號起點電流4mA，DC就是變送器的靜態工作電流；
2．同時儀表電氣零點為4mA DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利於識別斷電和斷線等故障。
一般儀器儀表的信號電流都為4～20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA。傳輸信號的時候，要考慮到導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線產生一定的壓降，那接收端的信號就會產生一定的誤差。所以，使用電流信號作為變送器的標準傳輸。雙絞線特性阻抗是50歐姆左右，相隔1CM寬的0.2平方毫米的導線特性阻抗300歐姆左右。因此，負載電阻選擇50～300歐姆較為理想。為了AD轉換方便，負載電阻上的信號最大量程值一般5～10V比較合適，那麼權衡所有，負載電阻250歐姆，電流20mA，負載壓降5V比較合適。那麼為什麼選擇4～20maA而不是0～20mA呢？為了減少接線的複雜性，傳感器選擇2線要比多線簡單的多，2線既要傳輸信號，又要給傳感器供電，所以設計者從中4mA電流給傳感器放大電路供電，這樣4～20mA的標準就確定了。
壓力變送器的工作原理是基於壓力傳感器感應到的壓力信號，然後將這個壓力信號轉換為電信號。這個轉換可以通過不同的技術實現，如：電阻變化（壓阻式）、電dian容rong變bian化hua或huo其qi他ta半ban導dao體ti效xiao應ying。轉zhuan換huan後hou的de電dian信xin號hao需xu要yao經jing過guo放fang大da和he校xiao正zheng，以yi確que保bao其qi準zhun確que性xing，然ran後hou輸shu出chu供gong自zi動dong控kong製zhi係xi統tong使shi用yong。壓ya力li變bian送song器qi廣guang泛fan應ying用yong於yu各ge種zhong工gong業ye自zi控kong環huan境jing，如ru：水利水電、鐵路交通、智能建築、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。它們通常由壓力測量元件傳感器、測量電路和連接件等組成。
壓力變送器可以分為幾種類型，包括：力（力矩）平衡式、電容式、電感式、應變式和頻率式等。此外，還有智能壓力變送器，它們不僅具有數字信號和模擬信號的混合式智能功能，還可以通過HART手操器進行通訊和遠程設定。智能壓力變送器通常具有寬廣的量程範圍和大的量程比，使得它們在應用中非常靈活和方便。
目前就市場主流的兩款壓力傳感器在此展開說明。
1. 擴散矽傳感器：擴散矽壓力傳感器是利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經過摻雜、擴kuo散san，沿yan單dan晶jing矽gui片pian上shang的de特te點dian晶jing向xiang，製zhi成cheng應ying變bian電dian阻zu，構gou成cheng惠hui斯si登deng電dian橋qiao。利li用yong矽gui材cai料liao的de彈dan性xing力li學xue特te性xing，在zai同tong一yi切qie矽gui材cai料liao上shang進jin行xing各ge向xiang異yi性xing微wei加jia工gong，就jiu製zhi成cheng了le一yi個ge集ji力li敏min與yu力li電dian轉zhuan換huan檢jian測ce於yu一yi體ti的de擴kuo散san矽gui傳chuan感gan器qi。擴kuo散san矽gui壓ya力li傳chuan感gan器qi的de壓ya力li直zhi接jie作zuo用yong於yu傳chuan感gan器qi的de膜mo片pian上shang（不鏽鋼或陶瓷），使shi膜mo片pian產chan生sheng與yu介jie質zhi壓ya力li成cheng正zheng比bi的de微wei位wei移yi，傳chuan感gan器qi的de電dian阻zu值zhi發fa生sheng變bian化hua，用yong電dian子zi線xian路lu檢jian測ce這zhe一yi變bian化hua，並bing轉zhuan換huan輸shu出chu一yi個ge對dui應ying於yu這zhe一yi壓ya力li的de標biao準zhun測ce量liang信xin號hao。
優點：適合製作小量程的變送器， 輸出靈敏度高、精度高、壽命長，性能穩定、抗腐蝕能力強，體積小，重量輕，價格便宜。
缺點：耐高溫能力有限、抗惡劣環境能力有限、不適合大量程壓力測量、對介質要求嚴格、容易泄漏測量介質、電阻溫度係數極差、不能抗高強度震動和衝擊、溫度穩定性降低、膜片較易損傷、輸出信號小。
2. 單晶矽傳感器：單晶矽，作為一種半導體材料，具有許多物理特性，如：高硬度、高熱導率、高電阻率等。這些特性使得單晶矽成為製造壓力敏感元件的理想選擇，即利用單晶矽製作的壓力敏感元件來檢測和傳遞壓力信號。工作原理上，它主要依賴於壓阻效應，當單晶矽受到壓力作用時，其電阻值會發生相應的變化，zhegebianhuayushijiadeyalichengyidingdebiliguanxi，keyibeizhuanhuanchengkedudedianxinhao。zhegedianxinhaosuihoubeijinyibuchulihezhuanhuan，yimonihuoshuzixinhaodexingshishuchu，gongyonghuduquheyingyong。
優點：
1.高純度單晶矽材質，有效提高產品壽命及長期穩定性；
2.電阻溫度特性互補，提高芯片抗幹擾能力；
3.精度高於0.1%，使您采集到的試驗數據更加精準；
4.信號轉換、信號采集與處理及電流輸出控製采用了一體化專用集成電路，使智能變送器具有高穩定、高可靠、高抗震等特點，且具有良好的互換性；
5.專用集成電路與表麵封裝技術的信號變送模塊，性能強大的24位ADC實現高精度與快速應答；
6.耐瞬變電壓保護端子模塊，特殊氣候依然保持穩定工作；
7.全密封、全隔離單晶矽壓力傳感器，精準充液量技術，消除溫度、靜壓的影響，雙膜片過載結構，從容應對高過載考驗；
8.高強度的金屬電氣保護殼體，厚實堅固，滿足較苛刻的環境運用。
缺點：
1.成本高；
2.整機成本更高；
3.微壓工況測量效果差。
智能變送器結構及工作原理：
由於智能變送器目前還沒有統一的標準。所以，人們所說的智能變送器是指信號製式是模擬、數字兼容的，且模擬信號與數字信號共用一條通道，並用HART協議通信的變送器，常見的有HART智能溫度變送器、智能壓力變送器和智能差壓變送器等。智能變送器與全數字化的總線變送器相比，是有很大差別的。
各智能變送器廠商大多采用自行定製的專用集成電路，因此物理結構上的差別也是很大的，智能變送器基本結構原理圖，如下圖所示：
智能變送器基本結構原理圖
這樣的智能變送器雖然使用了微處理器，且有數字信號，但它仍要與過程控製中的模擬
信號(4～20mA)兼容，並作為主要信號。因此，在硬件使用中隻能采用低功耗器件，並采用通用的集成電路設計，數字電路間的連接一般采用串行接口，以減少連線及降低功耗。
智能變送器使用微處理器，對被測的過程數據進行計算及操作，由於整台變送器由硬
件和軟件構成，與常規變送器相比是大不同了。為便於理解，可把智能變送器的邏輯結構看成是由數字儀表和模擬儀表組成（如下圖所示）。圖中數字儀表由模擬信號調理和數字信號處理兩部分組成，而er模mo擬ni儀yi表biao則ze是shi數shu字zi儀yi表biao的de模mo擬ni形xing式shi表biao現xian。按an運yun算suan關guan係xi來lai看kan，則ze有you三san部bu分fen運yun算suan電dian路lu，且qie每mei一yi部bu分fen都dou是shi可ke以yi單dan獨du進jin行xing測ce量liang和he調tiao試shi的de。分fen述shu如ru下xia：
智能變送器邏輯結構圖
首先看數字儀表的輸入部分，在微處理器進行運算前，先要進行A/D轉換，把傳感元件
的測量模擬值轉換為數字值。微處理器是依據相應的方程式及數據表、傳遞函數來進行計算，這過程就是模擬信號調理，又稱為傳感元件調整；這時的輸出是被測過程變量的數字表示，也就是手操通信器上讀得的數字值PV。這個數字值隻與傳感元件的極限範圍有關，而與所設定的量程及輸出電流沒有關係。
數(shu)字(zi)儀(yi)表(biao)的(de)變(bian)換(huan)部(bu)分(fen)是(shi)把(ba)被(bei)測(ce)參(can)數(shu)的(de)數(shu)字(zi)值(zhi)變(bian)成(cheng)等(deng)效(xiao)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)，依(yi)據(ju)儀(yi)表(biao)的(de)零(ling)點(dian)和(he)滿(man)量(liang)程(cheng)值(zhi)和(he)有(you)關(guan)函(han)數(shu)來(lai)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)，計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)就(jiu)是(shi)儀(yi)表(biao)輸(shu)出(chu)的(de)數(shu)字(zi)表(biao)示(shi)。許(xu)多(duo)智(zhi)能(neng)變(bian)送(song)器(qi)都(dou)支(zhi)持(chi)用(yong)命(ming)令(ling)使(shi)儀(yi)表(biao)進(jin)入(ru)一(yi)種(zhong)固(gu)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)測(ce)試(shi)模(mo)式(shi)，即(ji)用(yong)某(mou)一(yi)特(te)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)值(zhi)來(lai)取(qu)代(dai)被(bei)測(ce)參(can)數(shu)的(de)正(zheng)常(chang)輸(shu)出(chu)值(zhi)，供(gong)維(wei)修(xiu)中(zhong)檢(jian)查(zha)使(shi)用(yong)。在(zai)這(zhe)部(bu)分(fen)改(gai)變(bian)量(liang)程(cheng)會(hui)影(ying)響(xiang)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)，但(dan)對(dui)於(yu)手(shou)操(cao)通(tong)信(xin)器(qi)讀(du)取(qu)的(de)數(shu)字(zi)過(guo)程(cheng)變(bian)量(liang)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)。
模擬儀表主要是進行4～20mAshuchudianliudetiaozheng。qijieshoushuziyibiaochuanlaideshuzixinhao，bingjianggaishuzixinhaozhuanhuanchengdianliu，jiuchanshengleshijidemonidianliuxinhao，gaidianliuzhuanhuanshifouzhunque，shiyaojinxingxiaozhunde，suoyixiaozhunmonidianliushuchushizhinengbiansongqiteyoude。
壓力變送器安裝規範及注意事項
壓力變送器在安裝時需要注意的八個方麵：
1.安裝壓力變送器時要按照正確的連接線圖來正確連接；
2.在安裝使用壓力變送器時需要對壓力變送器進行檢測，進行計量檢定，以防止壓力變送器在運輸途中損壞或震動，以破壞測量的準確度；
3.壓力變送器應垂直於水平麵安裝；
4.壓力變送器測定點與壓力變送器安裝處在同一水平位置；
5.為保證壓力變送器不受震動的影響應加裝減振裝置及固定裝置；
6.為保證壓力變送器不受被測介質高溫的影響，應加裝充滿液體的彎管裝置；
7.保證密封性，不應有泄漏現象出現，尤其是易燃易爆氣體介質和有毒有害介質；
8.注意保護變送器引出電纜，在工業現場使用時，建議使用金屬管保護或者架空。
壓力變送器的保養：
1.保持幹燥
盡管傳感器的電路設計能夠經受苛刻的擠出加工環境，但是多數變送器也不能絕對防水，
在潮濕的環境下也不利於正常運行。如果不得不暴露在水中或潮濕的環境下，就要選擇具有極強防水性的變送器。
2.選擇恰當的位置
當安裝位置太靠近生產線的上遊時，未熔融的物料可能會磨損傳感器的頂部；如果被安
裝在太靠後的位置，在傳感器和螺杆行程之間可能會產生熔融物料的停滯區，熔料在那裏有可能產生降解，壓力信號也可能傳遞失真；如果傳感器過於深入機筒，螺杆有可能在旋轉過程中觸碰到傳感器的頂部而造成其損壞。一般來說，傳感器可以位於濾網前麵的機筒上、熔體泵的前後或者模具中。
3.保持安裝孔的清潔
保持安裝孔的清潔並防止熔料堵塞，對保證設備的正常運行來說十分重要，所suo有you的de變bian送song器qi都dou應ying該gai從cong機ji筒tong上shang拆chai除chu以yi避bi免mian損sun壞huai。在zai拆chai除chu時shi，熔rong料liao有you可ke能neng流liu入ru到dao安an裝zhuang孔kong中zhong並bing硬ying化hua，如ru果guo這zhe些xie殘can餘yu的de熔rong料liao沒mei有you被bei去qu除chu，當dang再zai次ci安an裝zhuang傳chuan感gan器qi時shi就jiu可ke能neng造zao成cheng其qi頂ding部bu受shou損sun。清qing潔jie工gong具ju包bao能neng夠gou將jiang這zhe些xie熔rong料liao殘can餘yu物wu去qu除chu。然ran而er，重zhong複fu的de清qing潔jie過guo程cheng有you可ke能neng加jia深shen安an裝zhuang孔kong對dui其qi造zao成cheng的de損sun壞huai。如ru果guo這zhe種zhong情qing況kuang發fa生sheng，就jiu應ying當dang采cai取qu措cuo施shi來lai升sheng高gao安an裝zhuang孔kong中zhong的de位wei置zhi。
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