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压力变送器的未来发展与现状

2013-11-30 sensor 826

一 、引言

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

压力变送器是直接与被测介质相接触的现场仪表,常常在高温 低温 腐蚀 振动 冲击等环境中工作。在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制中应用非常广泛。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。

二、几种压力变送器

1.扩散硅压力变送器

20世纪90年代中期,美国Icsensors公司、Nova公司应用硅精蚀和硅晶片叠合两项尖端科技生产了新型扩散硅压力传感器并开发出具有精度高,重复性小,抗腐蚀的扩散硅压力变送器。1993年长沙矿山研究院开发了具有极高性价比的SBP800型扩散硅压力变送器,在首钢、长岭炼油厂等数十家大中型企业推广使用。过程压力通过隔离膜片、密封硅油传输到扩散硅膜片上、同时参考端的压力大气压作用于膜片的另一端。这样膜片两边的压差产生一个压力场,使膜片的一部分压缩,另一部分拉伸,在压缩区和拉伸区分别由两个应变电阻片,以感受压力引起的阻值的变化,从而将压力信号转换为电信号图。此种SBP800型压力变送器可以测量316钢承载的任何液、气态介质。

2.电容薄膜式压力变送器

电容薄膜式绝对压力变送器自80年代诞生至今有20年历史,由于它的精度高,耐腐蚀,耐污染,稳定性好,是国内外公认的检测低真空压力的理想仪表。美国M.K.S的公司是全球生产电容薄膜式压力变送器的主要生产厂家,至目前为止,它的年销售额已达上亿美元,涉及民用工业的各个领域,并在航天工业、核工业等军事工业中发挥着独特的作用。这种压力变送器是利用弹性薄膜在压差作用下产生压变引起电容变换的原理制成,它是由检测部分和转换电路组成检测部分有真空腔及检测腔两个腔体。真空腔为全密封结构,经质谱检漏仪检漏合格后,通过长时间排气,最后将排气管密封形成的,并备有消气剂,消除残余气体,长期保持高真空。固定极板位于真空腔中,由极板引出线至腔外。检测膜片置于高真空的真空腔及连接低真空待测系统的检测腔之间,检测膜片为可动极板,其与固定极板形成一个平板电容器,有一定的电容值。被测的低真空压力通过检测孔进入检测腔,检测膜片产生挠曲,改变了其与固定极板的距离,电容值也随之改变。不同的低真空压力值决定不同的电容值。最后电容信号被输送到电路转换部分,电路转换部分将电容信号通过变换、整理、放大等环节,输出一个标准电压或电流信号。这个标准电信号是从电容信号而来,它与真空压力成正比。真空预冷试验机采用CPCD100Z型电容薄膜式压力送器作为真空室压力的测量。通过微处理机把信号输出在面板上。实验证明,该类型变送器响应快,稳定可靠并可以连续使用,充分满足了试验中压力测量的要求。

3.陶瓷厚膜压力变送器

陶瓷厚膜式压力变送器是利用了陶瓷厚膜电阻的力敏效应。利用陶瓷厚膜压力芯片作为弹性元件,印刷和烧结在陶瓷膜片上的厚膜电阻为敏感电阻,并经过精密的补偿技术、调阻技术、信号处理技术的处理,将压力信号直接转换成标准的电流信号,并接人工业仪表或计算机控制系统,实现生产过程的自动检测和控制。瓷厚膜压力变送器主要是由陶瓷厚膜压力传感器和微处理器两部分组成,传感器用来测量压力变化。当压力作用于传感器时,引起传感器的电阻值变化,传感器芯片上的电桥电路检测出并由A/D转器转换成数字信号送至微处理器。微处理器是信号处理的核心部件,具有线性运算、校正、故障诊断和通信功能。传感器数据存储器能够存储修正系数,微处理器利用存储器中的数据信息,经计算处理,产生一个高精度的特性优异的输出。这种变送器在生产工艺过程中可将各种介质包括腐蚀性和非腐蚀性的气体、液体直接引人到陶瓷膜片上,无需进行复杂的隔离技术,因此价格低廉。压力变送器的弹性体为物化性能极为稳定的高铝瓷儿制作,长期工作无蠕变和塑性变形,线性度、滞后性能明显优于其他类型压力变送器。

4.陶瓷电容压力变送器

陶瓷电容压力变送器采用无中介液的干式陶瓷电容传感器,从而获得很高的技术性能。市场上以德国E+H公司和美国Kavlico公司产品为主。年代中期,哈尔滨工业大学利用美国Kavlico公司的陶瓷电容式传感器生产出PTM120压力变送器,其性能稳定,测试数据准确,大量投人到石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制。陶瓷电容压力变送器的工作原理与其他电容式的变送器不同,介质压力直接作用于陶瓷膜片,使测量膜片产生偏移。膜片位移产生的电容变化量与输人压力成一定的线性关系,经电子部件检测、放大并输出。

 

三、智能型压力变送器

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。从而产生了新一代的智能压力变送器。它们的主要特点如下。

(1)自补偿功能如非线性、温度误差、响应时间、噪声和交叉感应等。

(2)自诊断功能如在接通电源时进行自检,在工作中实现运行检查。

(3)微处理器和基本传感器之间具有双向通信的功能构成闭环工作系统。

(4)信息存储和记忆功能。

(5)数字量输出。

基于上述功能,智能压力变送器的精度、稳定性、重复性和可靠性都得到提高和改善。其双向通信能力实现了计算机软件控制及远程设定量程等状态。智能型压力变送器主要分为带协HART协议的和带482或RS232接口的两种类型。带HART协议的智能压力变送器是在模拟信号上迭加一个专用频率信号,实现模拟和数字同时进行通信。带RS232或485口的智能压力变送器内部将模拟信号A/D转换通过微处理器计算由D/A输出。RS232接口是异步通信协议接口,可与许多通信协议兼容。因此,后者应用非常广泛。

五、压力变送器的趋势

当今世界各国压力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) 集成化:压力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执行速度和效率。

(2) 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。

(3) 小型化:目前市场对小型压力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J IS 标准。

(5) 广泛化:压力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