智能式压力变送器的应用

宋玉力　王圣民

【摘 要】随着微处理器技术的迅猛发展及与传感器的密切结合，使传感器不仅具有传统的检测概念，而且具有存储、判断和信息处理的功能的传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量输出、使用方便、性价比高等多个优点，它是传感器发展的必然趋势。

【关键词】智能式；压力检测；创新应用

0.简介

智能式变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可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）、数据显示、自动校正和自动补偿等。

微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程主上提高了传感器的性能。

压力传感器是指能够检测压力并提供远传信号的装置，能够满足自动化系统检测显示、记录和控制的要求。当压力传感器输出的电信号进一步转换成标准统一的信号时，又将它称为压力变送器。借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理和转换后电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，即形成大规模接触电路的智能传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量输出、使用方便、性价比高等多个优点。

1.智能式变送器的发展趋势

当今世界各国变送器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各个行业，但归纳起来主要有以下几个趋势：①智能化由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得变送器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。②集成化变送器已经越来越多的与其它测量用变送器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。③小型化目前市场对小型变送器的需求越来越大，这种小型变送器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。如美国Entran 公司生产的量程为2～500PSI 的变送器，直径仅为1.27mm ，可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。④标准化变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系；美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS 标准。⑤广泛化变送器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如：汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

2.差压变送器的工作原理

压力和差压变送器作为过程控制系统的检测变换部分，将液体、气体或蒸汽的差压（压力）、流量、液位等工艺参数转换成统一的标准信号（如DC4mA～20mA 电流），作为显示仪表、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续检测和自动控制。

差动电容式压力变送器由测量部分和转换放大电路组成，如图1所示。

差动电容式压力变送器的测量部分常采用差动电容结构，如图2所示。中心可动极板与两侧固定极板构成两个平面型电容HC和LC。可动极板与两侧固定极板形成两个感压腔室，介质压力是通过两个腔室中的填充液作用到中心可动极板。一般采用硅油等理想液体作为填充液，被测介质大多为气体或液体。隔离膜片的作用既传递压力，又避免电容极板受损。

当正负压力（差压）由正负压导压口加到膜盒两边的隔离膜片上时，通过腔室内硅油液体传递到中心测量膜片上，中心感压膜片产生位移，使可动极板和左右两个极板之间的间距不相对，形成差动电容，若不考虑边缘电场影响，该差动电容可看作平板电容。差动电容的相对变化值与被测压力成正比，与填充液的介电常数无关，从原理上消除了介电常数的变化给测量带来的误差。

3.变送器技术特性

3.1测量范围、上下限及量程

每个用于测量的变送器都有测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限（LRV）和测量上限（URV），简称下限和上限。

变送器的量程可以用来表示其测量范围的大小，是其测量上限值与下限值的代数差即：量程=测量上限值-测量下限值。

3.2零点迁移和量程调整

在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变变送器的零点或量程，为此可以对变送器进行零点迁移和量程调整。量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值ymax□与测量范围的上限值xmax□相对应。图3为变送器量程调整前后的输入输出特性。

由图可见，量程调整相当于改变变送器输入输出特性的斜率，由特性1到特性2的调整为量程增大调整。反之，由特性2到特性1的调整为量程减小调整。

3.3量程比

量程比是指变送器的最大测量范围和最小测量范围之比，这也是一个很重要的指标。变送器所使用的测量范围和操作条件是经常变化的，如果变送器的量程比大，则它的调节余地就大。可以根据工艺需要，随时更改使用范围，显然这会给使用者带来很多方便。他们可以不需更换仪表，不需拆卸和重新安装.只要把量程改变一下就可以了。对智能仪表来说，只要在手持终端上再设定一下。这样，库里的备品数量可以大为减少，计划管理等工作也会简单得多。

3.4阻尼特性

差压变送器常用来和节流装置配合测量流体流量，也可根据静压原理测量容器内的介质液位，流量、液位这两种物理参数有时很容易波动，致使记录曲线很粗很大，看不清楚，为此变送器内一般都有阻尼（滤波）装置。

阻尼特性以变送器传送时间常数来表示，传送时间常数是指输出由0升到最大值的63.2%时的时间常数。阻尼越大，则时间常数越长。

变送器的传送时间分两部分，一部分是组成仪表的各环节的时间常数，这一部分是不能调的，电动变送器大概为零点几秒；另一部分是阻尼电路的时间常数，这一部分是可以调的，从几秒到十几秒。

3.5稳定性

稳定性是变送器的又一项重要技术指标，从某种意义上讲，它比变送器的精度还重要。稳定性误差是指在规定工作条件下，输入保持恒定时，输出在规定时间内保持不变的能力。稳定性±0.1%URV/6个月表示：在6个月内，仪表的零点变化不超过测量范围上限的±0.1%。注意这里说的是测量范围上限，不是使用范围。例如某变送器的测量范围为0～2kPa至0～100kPa，如果使用在0～10kPa，那么它的稳定性就不是±0.1%，而是±1%；所以在看仪表的误差时，一定要看它对哪个范围而言。

4.结束语

自动化仪表尤其是工业自动化现场仪表的智能化、总线化、网络化的发展进程，不难看出计算机技术对现代自动化仪表（下转第120页）（上接第80页）技术的发展起到了十分积极的促进作用，计算机网络与工业局域网的融合又大大丰富和发展了现代自动控制技术。因此，现代自动化仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能，还影响到了控制网络的体系结构，它不再是功能单一的固定结构，其适应性越来越强，功能也越来越丰富。针对目前国内自动化仪表行业发展所遇到的一些问题，相信在行业逐渐成熟的背景下，这些问题能逐一解决。新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下，在各行各业得到越来越广泛的应用。 [科]

【参考文献】

[1]第四届全国敏感文件与传感器学术会议论文集[C].1995，5.39241.

[2]刘君华.智能传感器系统[M].西电版，1999.