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位移式差压(压力)变送器
点击次数:发布时间:2013-10-11 10:24

 


   技术的发展常常是螺旋式上升的。最早的电信号压力计都是开环结构,先将弹性测压元件的位移转换为电感、电阻或电容的变化,再经一定的电路转换后输出。由于当时材料质量和工艺水平不高,弹性元件的弹性模数随温度变化很大,因而平衡位置受温度影响大,即输出的温度漂移较大。另外,早期的位移测量技术不高,测压元件必须有足够大的变形才能测量,因而使弹性元件的非线性和变差都比较大。在这样的条件下,力平衡式变送器的研制成功是一个重大的飞跃。力平衡式变送器中弹性元件的变形很小,又是一个闭环系统,借助于负反能减小温度变化、弹性滞后及变形非线性等因素的影响,大大提高测量精度,成为前一段时期压力变送器的主要形式。

随着科学技术的发展,材料弹性模数随温度变化的问题获得了很大的改善,例如,镍铬钛钢(Ni41%~43%,Cr4.9%~5.5%,Ti2.1%~2.66%,A10.03%~0.8%,其余为铁)等材料的弹性模数温度系数小于0.2×10-4-1,因而在环境温度变化时,其弹性模数几乎可认为不变。此外,电子检测技术的发展,使微小位移的检测成为可能,弹性元件只要有0.1mm左右的位移便可精确地测量出来。由于变形小,非线性和弹性迟滞引起的变差也可大大减小,这些发展使位移式的开环变送器重又得到了新生。实践证明,只要工艺技术过关,这种新的开环变送器不难超过目前力平衡变送器所达到的基本精度为0.5%的指标。而其结构的简单,运行的可靠,维护的方便,更是目前的力平衡式仪表所无法比拟的。

 


 

    作为这种新的位移式变送器的例子,图1-21示出了一个电容式差压变送器的基本结构。被测压力P1P2分别加于左、右两个隔离膜片上,通过硅油将压力传送到测量膜片。该测量膜片由弹性温度稳定性好的平板金属薄片制成,作为差动可变电容的活动电极,在两边压力差的作用下,可左右位移约0.1mm的距离。在测量膜片左右,有两个用真空蒸发法在玻璃凹球面制成的金属固定电极。当测量膜片向一边鼓起时,它与两个固定电极间的电容量一个增大,一个减小,通过引出线测量这两个电容的变化,便可知道差压的数值。

    这种结构对膜片的过载保护非常有利。在过大的差压出现时,测量膜片平滑地贴紧到一边的凹球面上,不会受到不自然的应力,因而过载后恢复特性非常好。图中隔离膜片的刚度很小,在过载时,由于测量膜片先停止移动,堵死的硅油便能支持隔离膜顶住外加压力,隔离膜的背后有波形相同的靠山,进一步提高了它的安全性。

    这种差压变送器的结构和力平衡式变送器相比有一突出的优点,就是它不存在力平衡戈变送器必须把杠杆穿出侧压室的问题。我们看到,在力平衡式变送器中为使输出杠杆既能密封又能转动,使用了弹性密封膜片,这带来一个棘手的问题—静压误差。由于密封膜片在压力作用下的变形,会使杠杆产生轴向位移,必须用吊带把杠杆拉住,但它很容易产生偏心。此外,杠杆在密封膜片上的安装也很难完全同心,这样,弹性密封膜片受力时,会对杠杆造成附加的偏转力。尽管两个测量室的压力差为零,即P1-P2=0时,只要P1P2的值不为零,杠杆上就会受到偏转力,由这种附加力引起的误差称为静压误差。在力平衡式差压变送器中,这是一个十分麻烦的问题。在图1-21的电容式差压变送器中,因为没有输出轴,所以静压误差的问题比较容易解决,差压变送器的精度也容易提高。

    下面讨论电容式差压变送器的工作原理。为此,先分析一下差动电容与压力的变化关系,设测量膜片在差压尸的作用下移动一个距离△d,由于位移很小,可近似认为两者作比例变化,即可写成

                                          △d=K1P

式中,K1为比例常数。

这样,可动极板(测量膜片)与左右固定极板间的距离将由原来的d0分别变为d0+dd0-d,借用平行板电容的公式,两个电容C1 、C2可分别写成 

 


 

 

 

   在实际变送器中,用负反该自动改变输入电压E1的幅度。使差动电容C1C2变化时,流过它们的电流之和恒定,即保持上式中V4恒定,这样差压P正比干(V2-V1),测量R1R2上电压差即可测知P。这种变送器的原理线路如图1-23所示。

  


 

    图1-23中,运算放大器A1作为振荡器的电源供给者,可用来调节振荡器输出电压E1的幅度,通过负反馈,保证R4两端的电压恒定。放大器A2用来将R1R2两端的电压相减,并通过电位器RP1引入输出电流的负反馈,调节RP1可改变变送器的量程。显然,这个变送器是一个两线制变送器。图中右上角的恒流电路保持变送器基本消耗电流恒定,构成输出电流的起始值,流过晶体管VT1的电流则随被测压力的大小作线性变化。

    随着对测量精度要求的提高和微处理器的广泛应用,变送器逐渐向数字化和智能化方向发展。对各种不同的仪表可按误差产生的原因,利用微处理器强大的运算功能进行针对性的补偿,使测量精度大大提高。

    以差压变送器为例,影响其精度的因素主要有:(1)测量元件的非线性;(2)测量元件工作温度变化引起的温度漂移;(3)静压误差。这里的静压误差是指在相同的差压数值下,由于压力不同引起的误差。举例说明,若第一种情况下差压变送器的左侧输入绝对压力P1=0(即真空状态),右侧输入P2=1kPa(这里都指绝对压力),两侧的压差为1kPa;在第二种情况下,若P1=10MPa,P2=10.001MPa,两侧的压差也是1kPa;尽管这两种情况下差压相同,但后一种状况下变送器壳体因受到很大的压力而产生机械变形,引起输出漂移,成为差压变送器的重要误差因素。在智能变送器中,按误差分析,增加辅助传感器,测量各种可能的误差来源,并通过自动化的实验手段逐个测定传感器的误差特性,给出误差补偿算式,作为每个传感器的档案数据写入存储芯片。在智能变送器现场使用中,微处理器可根据传感器的档案数据,对误差给予精确补偿,把变送器的精度提高一个数量级,差压/压力变送器的精度约可达到0.05级的水平。

智能差压变送器的原理方框图可表示为图1-24,其输入端除差压传感器外,还配置了温度传感器和静压传感器。差压传感器信号进入CPU后,先经量程变换和线性化处理,再按温度和静压信号从R0M中读取修正数据,进行误差补偿后,一方面送人机界面,通过液晶面板或电流表作仪表的就地显示,也可通过按钮进行量程修改及零点迁移;另一方面,经D/A转换器输出4~20mA电流信号,并通过通信接口芯片,与外界进行数字通信。

 


 

    众所周知,传统的模拟式变送器另一重大不足之处是,只能向外给出4~20mA电流信号,在一对一导线上只能传送一个变量信号。随着多变量、多功能仪表的出现,用户希望获得仪表内更多的信息,这样,4~20mA的模拟输出方式成为制约仪表间信息交换的瓶颈。智能变送器为解决这个问题,都配置了数据通信接口,图1-24中给出的是一种最早被使用的智能变送器通信方式,这种称为HART协议的通信是一种模拟与数字兼容的信号传输方式,通信接口电路将幅度为±0.5mA的交流调制信号与D/A转换器输出的4~20mA DC电流信号相加,作为变送器的输出信号。由于所叠加的交流调制信号是正弦波,其平均值为零,对传统的4~20mA用户不受影响。对需要更多信息交换的用户,可利用叠加的调制信号进行双向通信,读取变送器内的数据,并远程修改变送器的零点和量程。

    近年来,随着现场总线控制技术的发展,智能变送器的通信越来越多采用全数字的现场总线通信协议,在现场总线通信方式,智能仪表的输出摒弃了传统的4~20mA模拟信号,仪表间信息传递完全采用数字通信技术,这样一来,使仪表的功能可以大大扩展。

 

 
  
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