許家淦

壓力變送器是一種重要的工業傳感器，它的主要功能是將感受到的壓力信號（來自氣體、液體等）轉換成可測量、指示和過程調節的電信號。這些電信號通常是標準的，如4～20mA DC或1～5V，便于與自動化控制系統連接。

為什么選擇4～20mA DC，因為工業上廣泛采用的是用4～20mA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，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。

信號起點電流選擇4mA的原因：4～20MA壓力變送器兩線制的居多，兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線。為什么起點信號不是0MA?這是基于兩點:

1．變送器電路沒有靜態工作電流將無法工作，信號起點電流4mA，DC就是變送器的靜態工作電流；

2．同時儀表電氣零點為4mA DC，不與機械零點重合，這種“活零點”有利于識別斷電和斷線等故障。

　　一般儀器儀表的信號電流都為4～20mA，指最小電流為4mA，最大電流為20mA。傳輸信號的時候，要考慮到導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線產生一定的壓降，那接收端的信號就會產生一定的誤差。所以，使用電流信號作為變送器的標準傳輸。雙絞線特性阻抗是50歐姆左右，相隔1CM寬的0.2平方毫米的導線特性阻抗300歐姆左右。因此，負載電阻選擇50～300歐姆較為理想。為了AD轉換方便，負載電阻上的信號最大量程值一般5～10V比較合適，那么權衡所有，負載電阻250歐姆，電流20mA，負載壓降5V比較合適。那么為什么選擇4～20maA而不是0～20mA呢？為了減少接線的復雜性，傳感器選擇2線要比多線簡單的多，2線既要傳輸信號，又要給傳感器供電，所以設計者從中4mA電流給傳感器放大電路供電，這樣4～20mA的標準就確定了。

壓力變送器的工作原理是基于壓力傳感器感應到的壓力信號，然后將這個壓力信號轉換為電信號。這個轉換可以通過不同的技術實現，如：電阻變化（壓阻式）、電容變化或其他半導體效應。轉換后的電信號需要經過放大和校正，以確保其準確性，然后輸出供自動控制系統使用。壓力變送器廣泛應用于各種工業自控環境，如：水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。它們通常由壓力測量元件傳感器、測量電路和連接件等組成。

壓力變送器可以分為幾種類型，包括：力（力矩）平衡式、電容式、電感式、應變式和頻率式等。此外，還有智能壓力變送器，它們不僅具有數字信號和模擬信號的混合式智能功能，還可以通過HART手操器進行通訊和遠程設定。智能壓力變送器通常具有寬廣的量程范圍和大的量程比，使得它們在應用中非常靈活和方便。

目前就市場主流的兩款壓力傳感器在此展開說明。

1. 擴散硅傳感器：擴散硅壓力傳感器是利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應變電阻，構成惠斯登電橋。利用硅材料的彈性力學特性，在同一切硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。擴散硅壓力傳感器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，傳感器的電阻值發生變化，用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。

優點：適合制作小量程的變送器， 輸出靈敏度高、精度高、壽命長，性能穩定、抗腐蝕能力強，體積小，重量輕，價格便宜。

缺點：耐高溫能力有限、抗惡劣環境能力有限、不適合大量程壓力測量、對介質要求嚴格、容易泄漏測量介質、電阻溫度系數極差、不能抗高強度震動和沖擊、溫度穩定性降低、膜片較易損傷、輸出信號小。

2. 單晶硅傳感器：單晶硅，作為一種半導體材料，具有許多物理特性，如：高硬度、高熱導率、高電阻率等。這些特性使得單晶硅成為制造壓力敏感元件的理想選擇，即利用單晶硅制作的壓力敏感元件來檢測和傳遞壓力信號。工作原理上，它主要依賴于壓阻效應，當單晶硅受到壓力作用時，其電阻值會發生相應的變化，這個變化與施加的壓力成一定的比例關系，可以被轉換成可讀的電信號。這個電信號隨后被進一步處理和轉換，以模擬或數字信號的形式輸出，供用戶讀取和應用。

優點：

  1.高純度單晶硅材質，有效提高產品壽命及長期穩定性；

    2.電阻溫度特性互補，提高芯片抗干擾能力；

    3.精度高于0.1%，使您采集到的試驗數據更加精準；

    4.信號轉換、信號采集與處理及電流輸出控制采用了一體化專用集成電路，使智能變送器具有高穩定、高可靠、高抗震等特點，且具有良好的互換性；

    5.專用集成電路與表面封裝技術的信號變送模塊，性能強大的24位ADC實現高精度與快速應答；

    6.耐瞬變電壓保護端子模塊，特殊氣候依然保持穩定工作；

    7.全密封、全隔離單晶硅壓力傳感器，精準充液量技術，消除溫度、靜壓的影響，雙膜片過載結構，從容應對高過載考驗；

 8.高強度的金屬電氣保護殼體，厚實堅固，滿足較苛刻的環境運用。

缺點：

     1.成本高；

   2.整機成本更高；

   3.微壓工況測量效果差。

智能變送器結構及工作原理：

由于智能變送器目前還沒有統一的標準。所以，人們所說的智能變送器是指信號制式是模擬、數字兼容的，且模擬信號與數字信號共用一條通道，并用HART協議通信的變送器，常見的有HART智能溫度變送器、智能壓力變送器和智能差壓變送器等。智能變送器與全數字化的總線變送器相比，是有很大差別的。
  各智能變送器廠商大多采用自行定制的專用集成電路，因此物理結構上的差別也是很大的，智能變送器基本結構原理圖，如下圖所示：

智能變送器基本結構原理圖

這樣的智能變送器雖然使用了微處理器，且有數字信號，但它仍要與過程控制中的模擬

信號(4～20mA)兼容，并作為主要信號。因此，在硬件使用中只能采用低功耗器件，并采用通用的集成電路設計，數字電路間的連接一般采用串行接口，以減少連線及降低功耗。

智能變送器使用微處理器，對被測的過程數據進行計算及操作，由于整臺變送器由硬

件和軟件構成，與常規變送器相比是大不同了。為便于理解，可把智能變送器的邏輯結構看成是由數字儀表和模擬儀表組成（如下圖所示）。圖中數字儀表由模擬信號調理和數字信號處理兩部分組成，而模擬儀表則是數字儀表的模擬形式表現。按運算關系來看，則有三部分運算電路，且每一部分都是可以單獨進行測量和調試的。分述如下：

                                                                                                                                 智能變送器邏輯結構圖               

首先看數字儀表的輸入部分，在微處理器進行運算前，先要進行A/D轉換，把傳感元件

的測量模擬值轉換為數字值。微處理器是依據相應的方程式及數據表、傳遞函數來進行計算，這過程就是模擬信號調理，又稱為傳感元件調整；這時的輸出是被測過程變量的數字表示，也就是手操通信器上讀得的數字值PV。這個數字值只與傳感元件的極限范圍有關，而與所設定的量程及輸出電流沒有關系。
   數字儀表的變換部分是把被測參數的數字值變成等效的直流電流，依據儀表的零點和滿量程值和有關函數來進行計算，計算結果就是儀表輸出的數字表示。許多智能變送器都支持用命令使儀表進入一種固定的輸出測試模式，即用某一特定的輸出值來取代被測參數的正常輸出值，供維修中檢查使用。在這部分改變量程會影響電流輸出，但對于手操通信器讀取的數字過程變量沒有影響。
  模擬儀表主要是進行4～20mA輸出電流的調整。其接收數字儀表傳來的數字信號，并將該數字信號轉換成電流，就產生了實際的模擬電流信號，該電流轉換是否準確，是要進行校準的，所以校準模擬電流輸出是智能變送器特有的。

壓力變送器安裝規范及注意事項
壓力變送器在安裝時需要注意的八個方面：
1.安裝壓力變送器時要按照正確的連接線圖來正確連接；
2.在安裝使用壓力變送器時需要對壓力變送器進行檢測，進行計量檢定，以防止壓力變送器在運輸途中損壞或震動，以破壞測量的準確度；
3.壓力變送器應垂直于水平面安裝；
4.壓力變送器測定點與壓力變送器安裝處在同一水平位置；
5.為保證壓力變送器不受震動的影響應加裝減振裝置及固定裝置；
6.為保證壓力變送器不受被測介質高溫的影響，應加裝充滿液體的彎管裝置；
7.保證密封性，不應有泄漏現象出現，尤其是易燃易爆氣體介質和有毒有害介質；
8.注意保護變送器引出電纜，在工業現場使用時，建議使用金屬管保護或者架空。

壓力變送器的保養：
1.保持干燥
盡管傳感器的電路設計能夠經受苛刻的擠出加工環境，但是多數變送器也不能絕對防水，

在潮濕的環境下也不利于正常運行。如果不得不暴露在水中或潮濕的環境下，就要選擇具有極強防水性的變送器。

2.選擇恰當的位置
當安裝位置太靠近生產線的上游時，未熔融的物料可能會磨損傳感器的頂部；如果被安

裝在太靠后的位置，在傳感器和螺桿行程之間可能會產生熔融物料的停滯區，熔料在那里有可能產生降解，壓力信號也可能傳遞失真；如果傳感器過于深入機筒，螺桿有可能在旋轉過程中觸碰到傳感器的頂部而造成其損壞。一般來說，傳感器可以位于濾網前面的機筒上、熔體泵的前后或者模具中。
  3.保持安裝孔的清潔
  保持安裝孔的清潔并防止熔料堵塞，對保證設備的正常運行來說十分重要，所有的變送器都應該從機筒上拆除以避免損壞。在拆除時，熔料有可能流入到安裝孔中并硬化，如果這些殘余的熔料沒有被去除，當再次安裝傳感器時就可能造成其頂部受損。清潔工具包能夠將這些熔料殘余物去除。然而，重復的清潔過程有可能加深安裝孔對其造成的損壞。如果這種情況發生，就應當采取措施來升高安裝孔中的位置。

壓力變送器的基礎知識就先分享到這里。