壓力變送器現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

一、引言 

　　壓力變送器是直接與被測(cè)介質(zhì)相接觸的現(xiàn)場(chǎng)儀表，常常在高溫低溫腐蝕振動(dòng)沖擊等環(huán)境中工作。在石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)控制中應(yīng)用非常廣泛。

　　壓力變送器的發(fā)展大體經(jīng)歷了四個(gè)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(chǎn)的水銀浮子式差壓計(jì)及膜盒式差壓變送器，這些變送器精度低且笨重。

　　(2)20世紀(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性、穩(wěn)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(shù)的出現(xiàn)，尤其是電子技術(shù)的迅猛發(fā)展出現(xiàn)體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的位移式變送器。

　　(4)90年代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，這些變送器測(cè)量精度高而且逐漸向智能化發(fā)展數(shù)字信號(hào)傳輸更有利于數(shù)據(jù)采集

　　壓力變送器發(fā)展至今已有電容式變送器、擴(kuò)散硅壓阻式變送器、差動(dòng)電感式變送器和陶瓷電容式變送器等不同類(lèi)型。

　　二、幾種壓力變送器

　　1.擴(kuò)散硅壓力變送器

　　20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)Icsensors公司、Nova公司應(yīng)用硅精蝕和硅晶片疊合兩項(xiàng)尖端科技生產(chǎn)了新型擴(kuò)散硅壓力傳感器并開(kāi)發(fā)出具有精度高,重復(fù)性小,抗腐蝕的擴(kuò)散硅壓力變送器。1993年長(zhǎng)沙礦山研究院開(kāi)發(fā)了具有極高性價(jià)比的SBP800型擴(kuò)散硅壓力變送器,在首鋼、長(zhǎng)嶺煉油廠等數(shù)十家大中型企業(yè)推廣使用。

　　過(guò)程壓力通過(guò)隔離膜片、密封硅油傳輸?shù)綌U(kuò)散硅膜片上、同時(shí)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(chǎn)生一個(gè)壓力場(chǎng),使膜片的一部分壓縮,另一部分拉伸,在壓縮區(qū)和拉伸區(qū)分別由兩個(gè)應(yīng)變電阻片,以感受壓力引起的阻值的變化,從而將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)圖。此種SBP800型壓力變送器可以測(cè)量316鋼承載的任何液、氣態(tài)介質(zhì)。

　　2.電容薄膜式壓力變送器

　　電容薄膜式絕對(duì)壓力變送器自80年代誕生至今有20年歷史,由于它的精度高,耐腐蝕,耐污染,穩(wěn)定性好,是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的檢測(cè)低真空壓力的理想儀表。美國(guó)M.K.S的公司是全球生產(chǎn)電容薄膜式壓力變送器的主要生產(chǎn)廠家,至目前為止,它的年銷(xiāo)售額已達(dá)上億美元,涉及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,并在航天工業(yè)、核工業(yè)等軍事工業(yè)中發(fā)揮著獨(dú)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(chǎn)生壓變引起電容變換的原理制成,它是由檢測(cè)部分和轉(zhuǎn)換電路組成檢測(cè)部分有真空腔及檢測(cè)腔兩個(gè)腔體。真空腔為全密封結(jié)構(gòu),經(jīng)質(zhì)譜檢漏儀檢漏合格后,通過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(cè)膜片置于高真空的真空腔及連接低真空待測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)腔之間,檢測(cè)膜片為可動(dòng)極板,其與固定極板形成一個(gè)平板電容器,有一定的電容值。被測(cè)的低真空壓力通過(guò)檢測(cè)孔進(jìn)入檢測(cè)腔,檢測(cè)膜片產(chǎn)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(hào)被輸送到電路轉(zhuǎn)換部分,電路轉(zhuǎn)換部分將電容信號(hào)通過(guò)變換、整理、放大等環(huán)節(jié),輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是從電容信號(hào)而來(lái),它與真空壓力成正比。真空預(yù)冷試驗(yàn)機(jī)采用CPCD100Z型電容薄膜式壓力送器作為真空室壓力的測(cè)量。通過(guò)微處理機(jī)把信號(hào)輸出在面板上。實(shí)驗(yàn)證明,該類(lèi)型變送器響應(yīng)快,穩(wěn)定可靠并可以連續(xù)使用,充分滿足了試驗(yàn)中壓力測(cè)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(yīng)。利用陶瓷厚膜壓力芯片作為彈性元件,印刷和燒結(jié)在陶瓷膜片上的厚膜電阻為敏感電阻,并經(jīng)過(guò)精密的補(bǔ)償技術(shù)、調(diào)阻技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的處理,將壓力信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào),并接人工業(yè)儀表或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)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(lái)測(cè)量壓力變化。當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí),引起傳感器的電阻值變化,傳感器芯片上的電橋電路檢測(cè)出并由A/D轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至微處理器。微處理器是信號(hào)處理的核心部件,具有線性運(yùn)算、校正、故障診斷和通信功能。傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)修正系數(shù),微處理器利用存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)信息,經(jīng)計(jì)算處理,產(chǎn)生一個(gè)高精度的特性優(yōu)異的輸出。這種變送器在生產(chǎn)工藝過(guò)程中可將各種介質(zhì)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(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的隔離技術(shù),因此價(jià)格低廉。壓力變送器的彈性體為物化性能極為穩(wěn)定的高鋁瓷兒制作,長(zhǎng)期工作無(wú)蠕變和塑性變形,線性度、滯后性能明顯優(yōu)于其他類(lèi)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(wú)中介液的干式陶瓷電容傳感器,從而獲得很高的技術(shù)性能。市場(chǎng)上以德國(guó)E+H公司和美國(guó)Kavlico公司產(chǎn)品為主。年代中期,哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用美國(guó)Kavlico公司的陶瓷電容式傳感器生產(chǎn)出PTM120壓力變送器,其性能穩(wěn)定,測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,大量投人到石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)壓力直接作用于陶瓷膜片,使測(cè)量膜片產(chǎn)生偏移。膜片位移產(chǎn)生的電容變化量與輸人壓力成一定的線性關(guān)系,經(jīng)電子部件檢測(cè)、放大并輸出。

　　三、智能型壓力變送器

　　20世紀(jì)90年代,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)迅速崛起,工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)逐漸向具有雙向通信和智能儀表控制的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展。從而產(chǎn)生了新一代的智能壓力變送器。它們的主要特點(diǎn)如下。

　　(1)自補(bǔ)償功能如非線性、溫度誤差、響應(yīng)時(shí)間、噪聲和交叉感應(yīng)等。

　　(2)自診斷功能如在接通電源時(shí)進(jìn)行自檢,在工作中實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(gòu)成閉環(huán)工作系統(tǒng)。

　　(4)信息存儲(chǔ)和記憶功能。

　　(5)數(shù)字量輸出。

　　基于上述功能,智能壓力變送器的精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性都得到提高和改善。其雙向通信能力實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)軟件控制及遠(yuǎn)程設(shè)定量程等狀態(tài)。

　　智能型壓力變送器主要分為帶協(xié)HART協(xié)議的和帶482或RS232接口的兩種類(lèi)型。帶HART協(xié)議的智能壓力變送器是在模擬信號(hào)上迭加一個(gè)專用頻率信號(hào),實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字同時(shí)進(jìn)行通信。帶RS232或485口的智能壓力變送器內(nèi)部將模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)微處理器計(jì)算由D/A輸出。RS232接口是異步通信協(xié)議接口,可與許多通信協(xié)議兼容。因此,后者應(yīng)用非常廣泛。

　　四、壓力變送器的趨勢(shì)

　　當(dāng)今世界各國(guó)壓力變送器的研究領(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)集成化壓力變送器已經(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)小型壓力變送器的需求越來(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?chē)沫h(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)廣泛化壓力傳感器的另一個(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(chē)元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。