压力变送器文献综述

压力变送器文献综述

前言

变送器是工业现场重要的底层自动化设备之一, 可实现物理信号的测量和变换处理。传统的变送器是4~ 20 mA 模拟信号的二线制变送器, 接收传感器敏感元件获取的被测量, 并将其转化为国际标准信号传送出去。智能变送器是在变送器内部直接使用微处理器芯片, 对被测物理量进行数字化处理, 并增加数字通信接口, 可直接与计算机进行数字通信, 与传统变送器相比, 更加符合现场总线控制系统对变送器的要求。[1]本文通过对几种国内外智能压力变送器参数的比较及其评价，概述压力变送器目前的国内外发展情况并对未来的发展做一展望。

几种压力变送器

一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

1）Rosemount 3051系列

（1）技术指标

3051C型差压，表压与绝压变送器

精度0.04%，量程比100：1

差压：校验量程从0.1inH2O至2000psi

表压：校验量程从2.5inH2O至2000psi

绝压：校验量程从0.167psia至4000psia

稳定性：+-0.125%URL，5年，在温度变化+-50℉

（28℃），静压最大为1000psi(6.9MPa)条件下

过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金C，蒙乃尔,钽（仅

限CD,CG）及镀金蒙乃尔，镀金不锈钢

3051T型表压与绝压变送器

精度：0.04%

绝压：校验量程从0.3至10000psia

表压：校验量程从0.3至10000psia

稳定性：+-0.125%URL，5年，在温度变化+-50℉

（28℃），静压最大为1000psi(6.9MPa)条件下

过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金C

灌充液：硅油与惰性液[2]

（2）测量原理

在工作时, 被测介质的2种压力通入高、低2压力室, 作用在δ元件(即敏感元件)的2侧隔离膜片上, 通过隔离片和δ元件内的填充液, 将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件, 其位移随所受压力而变化, 传感膜片的最大位移量为0. 1 mm, 且位移量与压力成正比。2侧的电容极板检测传感膜片的位置,传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流, 传感器的检测信号经模数转换后周期地读入微处理器, 经综合运算处理, 完成精确的对应压力, 差压, 静压计算, 经数模转换产生4 ~20 mA信号。变送器信号转换原理见图1。

图1 变送器信号转换原理图

压力变送器的工作原理和差压变送器相同,所不同的是差压变送器的高、低2 压力室是被测介质作用产生的压力, 压力变送器的低压侧始终保持一个参考压力(一般为大气压)。[3] （3）产品特点

新型罗斯蒙特3051CD差压变送器的性能指标保证在不同工况下的精度和稳定性。灵活可变的CoPlanarTM平台设计不但为您目前的应用需求提供最佳方案，同时通过PlantWeb工厂管控网和现场总线技术也完全能满足您将来的技术要求。罗斯蒙特3051CD差压变送器小巧而质轻的共面设计，具有最佳性能，对现场的库存要求最低，是进口压力变送器中的典范。3051差压变送器采用301/305/306阀组,可节约安装费用20%以上。因为罗斯蒙特公司可将Rosemount变送器/阀组在工厂一体化安装。[4]

2）横河EJA430A

（1）技术指标

参考精度：+-0.065%

量程：M：4~400inH2O

A：4.3~430 inH2O

B：20~2000 inH2O

稳定性：+-0.1%量程上限/60个月

环境温度影响：总影响量/28℃（50℉）

+-[0.084%量程+0.017%量程上限]

电源影响：+-0.005%/V（21.6V~32V DC，350Ω）[5]

（2）测量原理

利用硅谐振传感器。硅谐振传感器是对单晶

硅采用技术完善的3-D半导体微机械加工技术

制作而成。在传感器上微加工两个H型振子，

均具有高频输出。施加压力时，H型振子同时受

力，一个受到压力，另一个受到拉力。谐振频率

发生相应的变化，从而产生与作用压力直接成比

例的高差压输出(kHz)。这一简单的时间函数由微处理器管理。[6]

（3）产品特点

横河川仪智能变送器率先采用真正的数字化传感器——单晶硅谐振式传感器，开创了变送器的新时代。产品具有更高精确度、稳定性、可靠性。为迎接现场总线时代的来临，横河川仪已推出经基金会测试认证的符合FF标准的现场总线变送器。[7]

微机械处理单晶硅，可以提高稳定性和再现性，消除滞后现象。其温度的影响是其他硅技术(10ppm/℃)的十分之一弱，因此即使是条件最苛刻的过程应用中都可以确保出色的稳定性。相比模拟传感器，硅谐振传感器输出可以产生更高的信噪比。硅谐振传感器的输出至少是其前任产品压阻式硅传感器的四倍。温度和静压产生的误差在整体输出中可忽略不计。[8] 3）西仪3151系列

（1）技术指标

精度：0.075%，量程比100：1

差压：校验量程从0.125kPa至6890kPa

表压：校验量程从0.125kPa至41370kPa

绝压：校验量程从0.374kPa至6890kPa

过程隔离膜片：不锈钢，哈氏C-276，蒙乃尔，钽

可测量负压

（2）工作原理

测量压力由电容式敏感元件转化为电容变量，经A/D电路直接转化为数字信号，转换后送往微处理器，通过运算修正的数字信号再经D/A转换成4～20mADC输出信号送往显示/调节仪表或DCS等装置。通信线路将来自微处理器的测量压力数字信号转化成频率信号并叠加于4～20mADC模拟信号上，由相应的HART终端设备接收。

（3）产品特点

高灵敏度的压力敏感元件为全密封设计，应力隔离结构和过压自保护确保敏感元件的稳定性和可靠性。EEPROM存贮的压力和温度特性修正系数，供主控单元微处理器进行线性和温度自动补偿，使3151智能变送器精度高，温度影响小。HART手操器通信，可实现远程设定、监测及诊断。并且设定好的组态数据存贮于电路板的非易失性EEPROM中，断电后这些数据不会丢失。重新通电变送器可立即恢复工作。五位数字LCD指示表可显示测量压力的数字读数（含工程单位，如：kPa、kgf/cm、mbar、mmH2O等）、对量程的百分比（%）及输出电流（mA）。为了避免变送器的组态数据被随意改动，可通过保护开关锁定存定的数据。主控单元的S、Z按钮供用户在无组态装置的情况下调整变送器的零点和量程。本仪表的防爆型有本安型（Ex ia ⅡC T5）和隔爆型（Ex d ⅡC T5），均以通过国家防爆标准认证。不管量程及输出形式如何，法兰、接头、电气壳体、显示表头、端盖和安装支架都可以互换，智能电路板也可以互换，传感器也可以互换，也可通过更换传感器改变测量范围，但更换后也需要重新校准。[9]

压力变送器国内外现状与展望

压力变送器的发展大体经历了四个阶段

1）早期压力变送器采用大位移式工作原理, 如曾大量生产的水银浮子式差压计及膜盒式差压变送器, 这些变送器精度低且笨重。

2）20世纪50年代有了精度稍高的力平衡式差压变送器, 但反馈力小, 结构复杂, 可靠性、稳定性和抗振性均较差。

3）70年代中期, 随着新工艺、新材料、新技术的出现, 尤其是电子技术的迅猛发展, 出现体积小巧, 结构简单的位移式变送器。

4）90年代科学技术迅猛发展, 这些变送器测量精度高而且逐渐向智能化发展, 数字信号传输更有利于数据采集。

压力变送器发展至今已有电容式变送器、扩散硅压阻式变送器、差动电感式变送器和陶瓷电容式变送器等不同类型。

20世纪90年代, 现场总线技术迅速崛起, 工业过程控制系统逐渐向具有双向通信和智能仪表控制的现场总线控制系统方向发展。整个系统的通信建立在Ethernet、TCP/IP和现场总线的混合通信协议之上, 通过各种新型的现场总线技术实现高速Ethernet与相对低速的现场总线的互连, 以实现上层监控单元和现场智能设备的互连和互操作。当用户需要扩充系统规模时,可以采用任一种类的现场总线, 实现多种现场总线的系统集成。由于Ethernet 便于实现与Internet的无缝连接,该系统还支持通过Internet进行远程访问。