压力变送器的组成和测量原理图

作为一个转换为电信号的测量仪表，图1-2-1是压力变送器有一个基本的工作框图：压力传感器检测到压力后，输出一个电信号，这个信号可以是电压，也可以是频率或脉冲。信号处理电路会把这个信号放大或者整形，若是智能变送器会把这个信号转换为数字量，进行非线性及温度的补偿，然后再转换为模拟量，送给变送输出部分，变成4～20mA电流信号。若是非智能变送器，则直接把模拟的电信号送变送输出。一般的变送器均为2线制仪表，即供电和测量信号的输出使用相同的2根导线。

图1-2-1 压力变送器基本工作框图
2.3 压力传感器
压力传感器的作用是将压力的物理信号转换为电信号。通常使用的压力传感器主要有3类。
2.3.1 陶瓷电容传感器
以三氧化二铝陶瓷构成，当传感器感受压力后，两导电极板间距离发生变化，引起电容量发生变化。通过振荡电路可以将这个电容变化转换为电压信号，就可以测量出电容量也就是压力大小。
陶瓷电容压力传感器的特点是热稳定性好，抗过载能力可达量程的百倍以上，没有液体传递压力，无任何填充液，不会产生工艺污染，因此在食品、医药等行业有着广泛的应用，加之是干式陶瓷膜片，也没有安装位置影响。有的陶瓷压力传感器带有专用调理电路，可直接输出0.5~4.5V的电压信号。虽然压力传感器的量程范围不同，但是输出信号的幅值都相同。即0.5V对应传感器测量的最小压力，4.5V对应最大压力，其余中间各点与测量压力成线性关系。例如，-0.1～１MPa的压力传感器，在压力为0时的理论输出为0.86V。
2.3.2 金属电容差压传感器

图1-2-2 金属电容差压传感器
罗斯蒙特公司使用金属电容传感器制成了1151差压变送器，现在国内很多厂家的差压变送器都是参考1151制造的。金属电容差压传感器的原理是：被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充的硅油传送到测量膜片两侧。由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。这个信号可以是电压，或者频率及脉冲。
金属电容传感器的优点是结构简单，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好，对高温、辐射等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，有压力迟滞，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，很难做高精度。

图1-2-3 已焊接连接部件的金属电容传感器
2.3.3 扩散硅传感器
扩散硅传感器的核心测量元件是采用扩散工艺形成电阻并连接成惠斯通电桥，并施加一个供电给电桥。当压力作用在敏感元件上时，电阻值发生变化并且产生一个与作用压力成正比的线性输出信号。有的厂家传感器使用硅油传递压力。当外界压力作用在不锈钢隔离膜片上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变化。
扩散硅压力传感器的优点是非线性误差小，压力迟滞小，缺点是对温度变化敏感，为此，154N传感器使用激光调阻技术进行温度及量程补偿，改善了输出信号的温度特性。
2.4 智能压力变送器技术特点
压力变送器是工业自动化控制的关键设备，了解变送器行业的技术特点，也有利于工程设计的优化。随着科学技术的发展，信息传输与处理技术已取得突破性进展，智能压力变送器充分利用了微处理器的运算和存储能力，对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、自动校正、自动补偿和数据显示等，使产品性能得到很大提升。虽然各个品牌的产品特点有所不同，但整个变送器行业总的技术特点如下：
1）量程比宽，达到100：1（少数有200 ：1、400 ：1）。可以减少项目压力变送器备件采购数量。
2）精度高，最通用的是0.075%FS。可满足现有工业生产系统的控制需求。
3）稳定性好。稳定性是变送器非常重要的指标，是生产系统稳定运行的关键参考之一。现阶段，高端压力变送器的长期漂移量一般小于0.1%FS/5年。
4）测量范围大，差压最高可达20MPa，压力最高达到70MPa。解决了高差压、高压力的测量问题。
5 ） 输出信号有4 ～ 2 0 m A 叠加H A R T 6 . 0 、PROFIBUS-PA、FF等多种协议可选。
6）耐温能力强。变送器本体适用于-40℃～80℃的环境温度；普通变送器可直接接触-40℃～120℃介质；法兰变送器可承受-90℃～400℃的介质，解决了煤化工、化工、石化行业中的超高、超低温介质的测量难题。
7）防腐材质多样化。随着电子束、激光焊接技术的应用，可以制造多种特殊材质的变送器。可选择的防腐材质有：316L、哈氏C、哈氏B、蒙乃尔、钽材、镀金、钛材、双相钢（MOD）、尿素级316L、特氟龙膜片（PTFE、PFA），可解决不同腐蚀介质及混合物腐蚀的测量难题。镀金膜片主要用于高温高压氢气或含氢介质的测量，减少氢离子的渗透，延长产品寿命。
8）功能更加强大。本地组态和远程组态（上位机软件或手操器）功能相结合，提高了设备的管理、调试与维护效率和方便性。仿真、故障自诊断、模块化设计功能增加了变送器使用的方便性和实用性。
9）产品种类齐全，针对不同的工艺条件、参数，可选择不同类型的压力变送器，如压力型变送器、绝对压力变送器、微差压力变送器、差压变送器、液位变送器、造纸型变送器、卫生型变送器、远传压力变送器、远传差压变送器、真空专用法兰变送器等等。
2.5 压力变送器的一些基本参数和指标
每一台压力变送器，都有其性能指标、使用功能、适用范围等参数，下面列举一些主要的性能指标和必要的工作参数：
2.5.1 测量精度
压力变送器的输出值随压力的变化，理论上是线性的（开方输出除外），而实际上的输出与理论值之间是有误差的，测量精度就是表示变送器的最大测量误差，精度=（实际输出值-理论输出值）/量程×100%，取3次测量行程的最大值，是一个相对量。目前各公司生产的智能变送器基本上测量精度为±0.1%，非智能变送器为±0.5%。
2.5.2 回差（迟滞）
当使用变送器测量压力时，压力变化从小到大和从大到小，经过同一个压力点时，按理论讲，变送器所测量出的压力值是一样的，但实际情况是，变送器所测量出的压力值是不同的，为说明这个问题，我们定义变送器上升行程与下降行程经过同一个压力点时，测量压力的差值为压力回差。若与量程比，就用相对值表示。一般金属电容变送器的回差相对大些，扩散硅及陶瓷电容变送器的回差相对小些。
2.5.3 测量范围（量程）
测量范围是指一台变送器所能测量的最大压力范围。这实际上是变送器所使用的压力传感器的测量范围。本公司压力变送器的测量范围一般最大约0～60MPa，即量程=60-0=60MPa，最小约0～1kPa，即量程=1kPa。量程并不是越大越好，量程大说明其检测压力范围宽，量程小说明其检测微小压力的能力强。实际变送器的设定量程有时候不一定需要其最大量程，这就需要进行量程迁移。
2.5.4 量程迁移比
假如实际工况需要测量的压力范围为0～3kPa，但是我们压力传感器没有这个档，这就需要我们使用0～10kPa的传感器来制作变送器，然后，通过量程迁移，使得变送器可以在测量0～3kPa的压力时，输出4～20mA电流,并且精度等指标满足使用要求。量程迁移比=传感器量程/实际需要量程，在上面例子中，量程迁移比为10/3=3.3，表示为 3.3:1。变送器的迁移实际是改变信号放大电路的增益，非智能表一般通过改变电阻值来改变增益，智能表可以通过按键或HART通信直接改变其量程。量程迁移比对每种变送器来说，其允许的最大迁移量是有限定的，超过最大迁移比，变送器的性能变差，不能正常工作。
2.5.5 阻尼时间
阻尼时间是指当有阶越输入时，输出达到阶越值63.2%时的时间。它表示了变送器的输出随被测压力变化的响应速度。例如在测量介质波动比较厉害时，仪表输出就会随之波动，不利于人员观察和操作，后续设备如调节阀电机等也会频繁剧烈动作，易损坏设备。把阻尼调大就可使输出信号尽量平缓柔和。一般智能变送器出厂时阻尼时间设定为0秒，即无阻尼。
2.5.6 输出特性
对于二线制的压力变送器来说，其输出通常就是4～20mA电流，即压力量程下限对应4mA，上限对应20mA，上下限之间的压力与电流呈线性关系。例如一个量程0～100kPa的变送器，其零点输出为4.001mA，满量程输出为20.005mA，当测量压力为50kPa时，理论输出电流=零点电流+测量压力值/量程×电流最大变化量=4.001+50/100×（20.005-4.001）=12.003mA对于差压变送器来说，在其用于测量流量时，由于流量与压力的开方成线性关系，因此，差压变送器有开方输出模式，对于上面例子来说，当测量压力为50kPa时，理论输出电流=零点电流+（测量压力值/量程）1/2×电流最大变化量= 4 . 0 0 1 + （ 5 0 / 1 0 0 ） 1 / 2 × （ 2 0 . 0 0 5 - 4 . 0 0 1 ）=15.317mA