常用壓力變送器的原理及其應用

1、工業(yè)上普遍需要測量各類電量與非電物理量，例如電流 (AD) 、電壓 (VD) 、功率 (WD) 、頻率 (FD)、溫度(TT)、重量(LD )、位置(PT)、壓力、轉速(RT)、角度等，都需要轉換成可接收 的直流模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。 這種將被測物理量轉換成 可傳輸直流電信號的設備稱為變送器。 工業(yè)上通常分為電量變送器 (常見型號如： GP/FP 系 列、 S3/N3 系列、 STM3 系列等)和非電量變送器。 變送器的傳統(tǒng)輸出直流電信號有 0-5V、 0-10V 、 1-5V、 0-20mA 、 4-20mA 等，目前最廣泛采用的是用 420mA 電流來傳輸模

2、擬量。工業(yè)上最廣泛采用的是用 420mA 電流來傳輸模擬量。采用電流信號的原因是不容易受干擾。 并且電流源內阻無窮大， 導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度， 在普通雙絞線 上可以傳輸數(shù)百米。上限取 20mA 是因為防爆的要求： 20mA 的電流通斷引起的火花能量不 足以引燃瓦斯。下限沒有取 0mA 的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于 4mA ，當 傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取 2mA 作為斷線報警值。 電流型變送器將物理量轉換成 420mA 電流輸出， 必然要有外電源為其供電。 最典型的是變送器需要兩根電源 線，加上兩根電流輸出線，總共要接 4 根線，稱之為四線制變送器。當然，電

3、流輸出可以與 電源公用一根線(公用 VCC 或者 GND )，可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。其實大家可能注意到， 4-20mA 電流本身就可以為變送器供電，如圖 1C 所示。變送器在電路中 相當于一個特殊的負載， 特殊之處在于變送器的耗電電流在 420mA 之間根據(jù)傳感器輸出而 變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。 這種變送器只需外接 2 根線， 因而被稱為兩線制變 送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為 4mA ，因此只要在量程范圍內，變送器至少有 4mA 供電。這 使得兩線制傳感器的設計成為可能。在工業(yè)應用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。 兩者之間距離可能數(shù)十

4、至數(shù)百米。 按一百米距離 計算，省去 2 根導線意味著成本降低近百元！ 因此在實際使用中兩線制傳感器得到越來越多 的應用。編輯本段辨別真?zhèn)巫兯推魃a資料市場化以后，加劇激烈的競爭， 真假優(yōu)劣難辨， 又因變送器是邊緣學科， 很多 工程設計人員對此較陌生， 有些廠家產品工業(yè)級別和民用商用級別指標混淆 (工業(yè)級的價格 是民用商用級的 2-3倍)有些廠家產品用幾角錢的 LM324 和 LM431 就可以做出一只變送器， 不信的話您打開看看，你幾百元買來的是不是用的 LM324 和 LM431 ，這樣的變送器送您， 您敢不敢用呵！筆者試以常用的 0.5 級精度的電流電壓變送器為例，從以下方法著手來辨別真

5、假優(yōu)劣。(1)基準要穩(wěn)，4 mA是對應的輸入零位基準，基準不穩(wěn)，談何精度線性度，冷開機3分鍾內4 mA的零位漂移變化不超過 4.000mA0.5%以內；(即3.98-4.02mA),負 載250 Q上的壓降為0.995-1.005V，國外IC心片多用昂貴的能隙基準，溫漂系數(shù)每度變化 10ppm；(2)內電路總計消耗電流4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流濾波放大恒流電路不因原邊輸入變化而消耗電流也隨之變化，國外IC 心片采用恒流供電；(3)當工作電壓24.000V時,滿量程20.000mA時,滿量程20.000mA的讀數(shù)不會因負載 0-700 Q變 化而變化；變化不超過20.000

6、mA0.5%以內；(4)當滿量程20.000mA時,負載250 Q時,滿量程 20.000mA 的讀數(shù)不會因工作電壓 15.000V-30.000V 變化而變化；變化不超過 20.000mA0.5% 以內；(5)當原邊過載時，輸出電流不超過 25.000mA+10% 以內，否則PLC/DCS內供變送器用的24V工作電源和A/D輸入箝位電路因功耗過大而損壞，另外變送器內的射隨輸出亦因功耗過大而損壞， 無 A/D 輸入箝位電路的更遭殃；(6)當工作電壓24V 接反時不得損壞變送器 ,必須有極性保護 ；(7)當兩線之間因感應雷及感應浪涌電壓超過24V時要箝位，不得損壞變送器；一般在兩線之間并聯(lián)1-2

7、只TVS瞬態(tài)保護二極管 1.5KE 可抑制每 20 秒間隔一次的 20 毫秒脈寬的正反脈沖的沖擊 ,瞬態(tài)承受沖擊功率 1.5KW-3KW； (8)產品標示的線性度 0.5是絕對誤差還是相對誤差 ,可以按以下方法來辨別方可一目了然:符合下述指標是真的線性度 0.5% .原邊輸入為零時輸出4 mA正負0.5%(3.98-4.02mA),負載 250 Q上的壓降為 0.995-1.005V原邊輸入10 %時輸出 5.6m A正負0.5%(5.572-5.628mA) 負載 250 歐姆上的壓降為 1.393-1.407V 原邊輸入 25時輸出 8mA正負 0.5%(7.96-8.04mA)負載250

8、 Q上的壓降為 1.990-2.010V 原邊輸入 50%時輸出12mA正負0.5%(11.94-12.06mA)負載250 Q上的壓降為 2.985-3.015V原邊輸入 75%時輸出 16m A正負 0.5%(15.92-16.08mA)負載 250 Q 上的壓降為 3.980-4.020V 原邊輸 100% 時輸出 20m A正負 0.5%(19.90-20.10mA)負載 250 Q 上的壓降為 4.975-5.025V(9)原邊輸入過載時必須限流：原邊輸入過載大于 125%時輸出過流限制 25m A +10%(25.00-27.50mA)負 載250Q 上的壓降為6.250-6.87

9、5V ;(10)感應浪涌電壓超過 24V時有無箝位的辨別：在兩線輸出端口并一個交流 50V指針式表頭，用交流50V接兩根線去瞬間碰一下兩線輸出端口，看有無箝位，箝位多少伏可一目了然啦；(11)有無極性保護的辨別：用指針式萬用表 Q乘10K檔正反測量兩線輸出端口 ，總有一次Q阻值無限大，就有極性保護；(12)有無極輸出電流長時間短路保護：原邊輸入100%時或過載大于125%-200%時，將負載250 Q短路，測量短路保護限制是否在 25mA+10%；(13)工業(yè)級別和民用商用級別的辨別：工業(yè)級別工作溫度范圍是-25度到+70度，溫漂系數(shù)是每度變化100ppm,即溫度每度變化1度，精度變化為萬分之

10、一；民用商用級別工作溫度范圍是0度(或 -10度)到+70度(或+50度)， 溫漂系數(shù)是每度變化 25 0 ppm,即溫度每度變化1度，精度變化為萬分之二點五；電流電壓變 送器的溫漂系數(shù)可以用恒溫箱或高低溫箱來試驗驗證較繁瑣。上述 1 3種方法同樣可用與其它變送器真假優(yōu)劣的辨別。編輯本段技術原理1. 精度：優(yōu)于 0.5% ；2.非線性失真：優(yōu)于 0.5%；3.額定工作電壓：+24V± 20%，極限工作電壓：w 35V ;4電源功耗：靜態(tài)4mA，動態(tài)時相等與環(huán)路電流，內部限制 25mA+10% ；5.額定輸入： 5A 1KA ( 38 個規(guī)格)；6.穿孔穿芯圓孔直徑：8、9、12、2

11、0、2 5、3 0 mm;7輸出形式：兩線制 DC420mA ;8輸出電流溫漂系數(shù)：w 50ppm/C；9響應時間：w 100mS;10輸入/輸出絕緣隔離強度：AC3000V、1min、1mA ；11.輸出負載電阻：RL = V+ 10V/0.02 ( Q )；注:(1)標準V+24V時負載阻抗為 700Q ；(2)RL = 250Q 轉換15V的電阻 +兩根傳輸線路總銅阻。12.輸入過載保護:30倍1min ；13.輸出過流限制保護：內部限制 25mA+10% ；注：(1)國際標準輸出過流限制保護：內部限制 25mA+10%；(2)可按客戶要求定制：內部限制 22mA+10%， 24mA+1

12、0% 。14.兩線端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流 TVS 抑制保護能力： TVS 抑制沖擊電流 35A/20ms/1.5KW ；15.兩線端口設置有+2 4V電源反接保護；16.輸出電流設置有長時間短路保護限制；內部限制25mA+10% ；85C； 產品外形，產品照片，安全注意事項。電流變送器主要特點有哪些嗎？的真有效值兩線制變送器； 兩部分組合為一體化設計；(2)、輸出過流限制保護；17.工作環(huán)境：-40 C 80C, 10% 90%RH ；18.貯存溫度：-50 C19.執(zhí)行標準： GB/T13850 1998；20.系列型號，規(guī)格，接線示意圖，八.能舉例說明某品牌工業(yè)級別的0.5 級精度的1.

13、 專為電力自動化5 0 / 6 0Hz交流電流測量而設計2. 采用單匝穿孔穿芯式結構，將電流互感器和電流變送器3. 具有 6 大全面保護功能：(1)、輸入過載保護；(3)、輸出電流長時間短路保護；(4)、兩線制端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流 TVS抑制保護；(5)、工作電源過壓極限保護w作電源反接保護。4.兩線制輸出接線是當前模擬量串口中最先進的輸出方式，具有35V；(6)、工6大優(yōu)點；(1)、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的雙絞線導線；(2)、在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環(huán)路內的電壓，不會產生顯著影響， 因為干擾源引起的電流極小， 一般情況利用雙

14、絞線就能降低干擾；(3)、電容性干擾會導致接收器電阻有關誤差，對于 4-20mA 兩線制環(huán)路， 接收器電阻通常為250Q （取樣Uout=15V）這個電阻小到不足以產生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠；（4）、各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等造成精度的差異；（5）、將 4mA 用于零電平，使判斷輸送線開路或傳感器損壞（ 0mA 狀態(tài)）十分方便。（6）,在兩線輸出口容易增設防浪涌 ,防雷器件 ,有利于安全防雷防爆。5.原副邊高度絕緣隔離；6.高可靠性，高穩(wěn)定性，高性價比；7.特別適用發(fā)電機、電動機、低壓配電柜、空調、風機

15、、路燈等負載電流的智能監(jiān)控系統(tǒng)。8超低功耗，單只靜態(tài)時0.096W,滿量程功耗為 0.48W,輸出電流內部限制功耗為 0.6W壓力變送器原理電容式壓力變送器原理，電容式壓力變送器重要有完成壓力/電容轉換的容室敏感元件及將電容轉換成二線制 4-20mA 電子線路板構成，當進程壓力從從測量容室的兩側（或一側） 施加到隔離膜片后，經硅油灌充液傳至容室的重心膜片上，重心膜片是個邊緣張緊的膜片， 在壓力的作用下，發(fā)生對應的位移，該位移構成差動電容變化，并經歷電子線路板的調理、 震蕩和縮小，轉換成 4-20mA 信號輸入，輸入電流與進程壓力成反比，分散硅壓力變送器原理及使用 被測介質的壓力間接作用于傳感器

16、的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片發(fā)生與介質壓力成反比的微位移， 使傳感器的電阻值出現(xiàn)變化， 和用電子線路檢測這個變化， 并轉換輸入 一個相應于這一壓力的規(guī)范測量信號。陶瓷壓力變送器原理及使用抗腐蝕的壓力變送器沒有液體的傳遞， 壓力間接作用在陶瓷膜片的前外表，使膜片發(fā)生巨大的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的反面，銜接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應， 使電橋發(fā)生一個與壓力成反比的高度線性、 與鼓勵電壓也成反比的電壓 信號，規(guī)范的信號按照壓力氣程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/V等，能夠和應變式傳感器相兼容。經過激光標定， 傳感用具有很高的溫度穩(wěn)固性和時刻穩(wěn)固性， 傳感器自帶

17、溫度補償 0 70C,并能夠和絕大少數(shù)介質間接接觸。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖 擊和震動的資料。陶瓷的熱穩(wěn)固特性及它的厚膜電阻能夠使它的任務溫度領域高達-40135C，并且具有測量的高精度、高穩(wěn)固性。電氣絕緣水平>2kV，輸入信號強，臨時穩(wěn)固性好。高特性， 低價錢的陶瓷傳感器將是壓力變送器的開展方向， 在歐美國家有片面替代其它 類型傳感器的趨向，在中國也越來越多的玩家運用陶瓷傳感器替代分散硅壓力變送器。壓力變送器被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在3元件（即敏感元件）的兩側隔離膜片上， 通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。 測量膜片與兩側絕緣片上 的電

18、極各組成一個電容器。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電 容量就不等， 通過振蕩和解調環(huán)節(jié)， 轉換成與壓力成正比的信號。 壓力變送器和絕對壓力變 送器的工作原理和差壓變送器相同，所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。A/D 轉換器將解調器的電流轉換成數(shù)字信號，其值被微處理器用來判定輸入壓力 值。微處理器控制變送器的工作。另外，它進行傳感器線性化。重置測量范圍。工程單位換 算、阻尼、開方， ，傳感器微調等運算，以及診斷和數(shù)字通信。本微處理器中有 16字節(jié)程序的 RAM ，并有三個 16位計數(shù)器，其中之一執(zhí)行 A /D 轉 換。D/A 轉換器把微處理器來的并經校

19、正過的數(shù)字信號微調數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)可用變送器 軟件修改。數(shù)據(jù)貯存在 EEPROM 內，即使斷電也保存完整。數(shù)字通信線路為變送器提供一個與外部設備 （如 275 型智能通信器或采用 HART 協(xié)議 的控制系統(tǒng) ）的連接接口。此線路檢測疊加在 4-20mA 信號的數(shù)字信號，并通過回路傳送所 需信息。通信的類型為移頻鍵控 FSK 技術并依據(jù) BeII202 標準。用途：壓力變送器主要用于測量氣體、液體和蒸汽的壓力、負壓和絕對壓力等參數(shù)，然后 將其轉換成 4-20mA.DC 信號輸出。壓力變送器包括 GP型（表壓力）和 AP型（絕對壓力）兩種類型。GP和AP型與智能放大板結合，可構成智能型壓力變送器，

20、它可以通過符合 HART 協(xié)議的手操器相互通訊，進 行設定和監(jiān)控 GP型壓力變送器的3室，一側接受被測壓力信號，另一側則與大氣壓力貫通， 因此可用于測量表壓力或負壓 .Ap型絕對壓力變送器的3室一側接受被測絕對壓力信號，另一側被封閉成高真空基準室， 它可以測量排氣系統(tǒng)、 蒸餾塔、蒸發(fā)器和結晶器等的絕對壓力！原理：常用的有電容式、諧振梁式、擴撒硅等幾種原理！電容式壓力變送器主要有實現(xiàn)壓力電容轉換的容室敏感元件及將電容轉換成二線制4-20mA 電子線路板組成！當過程壓力從從測量容室的兩側（或一側）施加到隔離膜片后， 經硅油灌充液傳至容室的中心膜片上， 中心膜片是個邊緣張緊的膜片， 在壓力的作用下，

21、 產 生相應的位移， 該位移形成差動電容變化！并經過電子線路板的調節(jié)、 震蕩和放大！轉換成4-20mA 信號輸出！輸出電流與過程壓力成正比！凡是能將壓力轉換為電信號的度可稱之為“壓力變送器” ，它的種類實在是太多了，每種 都有它自己特定的工作原理，從測量的范圍來說有毫克一直到N 噸均有，所以要具體一點，還可以說說，常用的有力平衡式、變形（電阻應變）式等等。總之，它們都是可以輸出模擬的電信號，再使用數(shù)/模（A/D ）轉換器轉換成數(shù)字量和電腦聯(lián)接。我是做自動化儀表的，我來告訴你輸出為標準信號的傳感器。這個術語有時與傳感器通用。變送器種類很多 ,總體來說就是由變送器發(fā)出一種信號來給二次儀表使二次儀表

22、顯示測 量數(shù)據(jù)。將物理測量信號或普通電信號轉換為標準電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設 備。一般分為：溫度 /濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器， 電量變送器，流量變送器，重量變送器等。變送器遵循一個物理定律（或實驗數(shù)學模型）將物理量的變化轉化成 4-20mA 等標 準信號的裝置。變送器將傳感信號轉換為統(tǒng)一的標準信號： 0/4-20mADC,1-5VDC,0-10VDc 變送器：除有傳感的功能之外還有放大整形的功能，輸出為標準的控制信號如： 4 20mA常用壓力變送器的原理及其應用1、應變片壓力變送器原理與應用 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力變送器、半導體應

23、變片壓力變送器、壓阻式壓 力變送器、 電感式壓力變送器、 電容式壓力變送器、 諧振式壓力變送器及電容式加速度傳感 器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力變送器， 它具有極低的價格和較高的精度以及較好的 線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。在了解壓阻式壓力變送器時， 我們首先認識一下電阻應變片這種元件。 電阻應變片是一種 將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。 它是壓阻式應變變送器的主要組成 部分之一。 電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。 金屬電阻應變片 又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。 通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產 生力學應變基體上， 當基體

24、受力發(fā)生應力變化時， 電阻應變片也一起產生形變， 使應變片的 阻值發(fā)生改變， 從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。 這種應變片在受力時產生的阻值變化通 常較小， 一般這種應變片都組成應變電橋， 并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大， 再傳輸給處 理電路（通常是 A/D 轉換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機構。金屬電阻應變片的內部結構如圖 1 所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保 護片和引出線等部分組成。 根據(jù)不同的用途， 電阻應變片的阻值可以由設計者設計， 但電阻 的取值范圍應注意： 阻值太小， 所需的驅動電流太大， 同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過 高，不同的環(huán)境中使用，

25、 使應變片的阻值變化太大， 輸出零點漂移明顯， 調零電路過于復雜。 而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的 現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：式中：p 金屬導體的電阻率（ Q ?cm2/m）S導體的截面積（cm2）L導體的長度（m）我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從 上式中可很容易看出， 其電阻值即會發(fā)生改變， 假如金屬絲受外力作用而伸長時， 其長度增 加，而截面積減少， 電阻值便會增大。 當金

26、屬絲受外力作用而壓縮時， 長度減小而截面增加， 電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情2、陶瓷壓力變送器原理及應用抗腐蝕的壓力變送器沒有液體的傳遞， 壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面， 使膜片產生微 小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋 （閉橋 ），由于壓敏電阻 的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號， 標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 等，可以和應變式傳感器相兼容。 通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫

27、度補償 070C,并可以和絕大多數(shù)介質直接接觸。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40135C,而且具有測量的高精度、 高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度 >2kV ，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力 變送器的發(fā)展方向， 在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢， 在中國也越來越多的用 戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力變送器。3、擴散硅壓力變送器原理及應用工作原理被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷） ，使膜片產生與介質壓力成 正比的微位移， 使傳感器的電阻值發(fā)生變化， 和用

28、電子線路檢測這一變化， 并轉換輸出一個 對應于這一壓力的標準測量信號。4、藍寶石壓力變送器原理與應用利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成， 不會發(fā)生滯后、 疲勞和蠕變現(xiàn)象； 藍寶石比硅要堅固， 硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（ 1000 OC 以內），因此，利用 硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的 工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅 -藍寶石半導體敏感元件，無 p-n 漂移，因 此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。用硅 -藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常 工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。表壓壓力傳感器和壓力變送器由雙膜片構成： 鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。 印刷有 異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片， 被焊接在鈦合金測量膜片上。 被測壓力傳送到 接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起） 。在壓力的作用下，鈦合