压力变送器知识介绍
许家淦
压力变送器是一种重要的工业传感器，它的主要功能是将感受到的压力信号（来自气体、液体等）转换成可测量、指示和过程调节的电信号。这些电信号通常是标准的，如4～20mA DC或1～5V，便于与自动化控制系统连接。
为什么选择4～20mA DC，因为工业上广泛采用的是用4～20mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
信号起点电流选择4mA的原因：4～20MA压力变送器两线制的居多，两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。为什么起点信号不是0MA?这是基于两点:
1．变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流4mA，DC就是变送器的静态工作电流；
2．同时仪表电气零点为4mA DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。
一般仪器仪表的信号电流都为4～20mA，指最小电流为4mA，最大电流为20mA。传输信号的时候，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差。所以，使用电流信号作为变送器的标准传输。双绞线特性阻抗是50欧姆左右，相隔1CM宽的0.2平方毫米的导线特性阻抗300欧姆左右。因此，负载电阻选择50～300欧姆较为理想。为了AD转换方便，负载电阻上的信号最大量程值一般5～10V比较合适，那么权衡所有，负载电阻250欧姆，电流20mA，负载压降5V比较合适。那么为什么选择4～20maA而不是0～20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中4mA电流给传感器放大电路供电，这样4～20mA的标准就确定了。
压力变送器的工作原理是基于压力传感器感应到的压力信号，然后将这个压力信号转换为电信号。这个转换可以通过不同的技术实现，如：电阻变化（压阻式）、电容变化或其他半导体效应。转换后的电信号需要经过放大和校正，以确保其准确性，然后输出供自动控制系统使用。压力变送器广泛应用于各种工业自控环境，如：水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。它们通常由压力测量元件传感器、测量电路和连接件等组成。
压力变送器可以分为几种类型，包括：力（力矩）平衡式、电容式、电感式、应变式和频率式等。此外，还有智能压力变送器，它们不仅具有数字信号和模拟信号的混合式智能功能，还可以通过HART手操器进行通讯和远程设定。智能压力变送器通常具有宽广的量程范围和大的量程比，使得它们在应用中非常灵活和方便。
目前就市场主流的两款压力传感器在此展开说明。
1. 扩散硅传感器：扩散硅压力传感器是利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯登电桥。利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
优点：适合制作小量程的变送器， 输出灵敏度高、精度高、寿命长，性能稳定、抗腐蚀能力强，体积小，重量轻，价格便宜。
缺点：耐高温能力有限、抗恶劣环境能力有限、不适合大量程压力测量、对介质要求严格、容易泄漏测量介质、电阻温度系数极差、不能抗高强度震动和冲击、温度稳定性降低、膜片较易损伤、输出信号小。
2. 单晶硅传感器：单晶硅，作为一种半导体材料，具有许多物理特性，如：高硬度、高热导率、高电阻率等。这些特性使得单晶硅成为制造压力敏感元件的理想选择，即利用单晶硅制作的压力敏感元件来检测和传递压力信号。工作原理上，它主要依赖于压阻效应，当单晶硅受到压力作用时，其电阻值会发生相应的变化，这个变化与施加的压力成一定的比例关系，可以被转换成可读的电信号。这个电信号随后被进一步处理和转换，以模拟或数字信号的形式输出，供用户读取和应用。
优点：
1.高纯度单晶硅材质，有效提高产品寿命及长期稳定性；
2.电阻温度特性互补，提高芯片抗干扰能力；
3.精度高于0.1%，使您采集到的试验数据更加精准；
4.信号转换、信号采集与处理及电流输出控制采用了一体化专用集成电路，使智能变送器具有高稳定、高可靠、高抗震等特点，且具有良好的互换性；
5.专用集成电路与表面封装技术的信号变送模块，性能强大的24位ADC实现高精度与快速应答；
6.耐瞬变电压保护端子模块，特殊气候依然保持稳定工作；
7.全密封、全隔离单晶硅压力传感器，精准充液量技术，消除温度、静压的影响，双膜片过载结构，从容应对高过载考验；
8.高强度的金属电气保护壳体，厚实坚固，满足较苛刻的环境运用。
缺点：
1.成本高；
2.整机成本更高；
3.微压工况测量效果差。
智能变送器结构及工作原理：
由于智能变送器目前还没有统一的标准。所以，人们所说的智能变送器是指信号制式是模拟、数字兼容的，且模拟信号与数字信号共用一条通道，并用HART协议通信的变送器，常见的有HART智能温度变送器、智能压力变送器和智能差压变送器等。智能变送器与全数字化的总线变送器相比，是有很大差别的。
各智能变送器厂商大多采用自行定制的专用集成电路，因此物理结构上的差别也是很大的，智能变送器基本结构原理图，如下图所示：
智能变送器基本结构原理图
这样的智能变送器虽然使用了微处理器，且有数字信号，但它仍要与过程控制中的模拟
信号(4～20mA)兼容，并作为主要信号。因此，在硬件使用中只能采用低功耗器件，并采用通用的集成电路设计，数字电路间的连接一般采用串行接口，以减少连线及降低功耗。
智能变送器使用微处理器，对被测的过程数据进行计算及操作，由于整台变送器由硬
件和软件构成，与常规变送器相比是大不同了。为便于理解，可把智能变送器的逻辑结构看成是由数字仪表和模拟仪表组成（如下图所示）。图中数字仪表由模拟信号调理和数字信号处理两部分组成，而模拟仪表则是数字仪表的模拟形式表现。按运算关系来看，则有三部分运算电路，且每一部分都是可以单独进行测量和调试的。分述如下：
智能变送器逻辑结构图
首先看数字仪表的输入部分，在微处理器进行运算前，先要进行A/D转换，把传感元件
的测量模拟值转换为数字值。微处理器是依据相应的方程式及数据表、传递函数来进行计算，这过程就是模拟信号调理，又称为传感元件调整；这时的输出是被测过程变量的数字表示，也就是手操通信器上读得的数字值PV。这个数字值只与传感元件的极限范围有关，而与所设定的量程及输出电流没有关系。
数字仪表的变换部分是把被测参数的数字值变成等效的直流电流，依据仪表的零点和满量程值和有关函数来进行计算，计算结果就是仪表输出的数字表示。许多智能变送器都支持用命令使仪表进入一种固定的输出测试模式，即用某一特定的输出值来取代被测参数的正常输出值，供维修中检查使用。在这部分改变量程会影响电流输出，但对于手操通信器读取的数字过程变量没有影响。
模拟仪表主要是进行4～20mA输出电流的调整。其接收数字仪表传来的数字信号，并将该数字信号转换成电流，就产生了实际的模拟电流信号，该电流转换是否准确，是要进行校准的，所以校准模拟电流输出是智能变送器特有的。
压力变送器安装规范及注意事项
压力变送器在安装时需要注意的八个方面：
1.安装压力变送器时要按照正确的连接线图来正确连接；
2.在安装使用压力变送器时需要对压力变送器进行检测，进行计量检定，以防止压力变送器在运输途中损坏或震动，以破坏测量的准确度；
3.压力变送器应垂直于水平面安装；
4.压力变送器测定点与压力变送器安装处在同一水平位置；
5.为保证压力变送器不受震动的影响应加装减振装置及固定装置；
6.为保证压力变送器不受被测介质高温的影响，应加装充满液体的弯管装置；
7.保证密封性，不应有泄漏现象出现，尤其是易燃易爆气体介质和有毒有害介质；
8.注意保护变送器引出电缆，在工业现场使用时，建议使用金属管保护或者架空。
压力变送器的保养：
1.保持干燥
尽管传感器的电路设计能够经受苛刻的挤出加工环境，但是多数变送器也不能绝对防水，
在潮湿的环境下也不利于正常运行。如果不得不暴露在水中或潮湿的环境下，就要选择具有极强防水性的变送器。
2.选择恰当的位置
当安装位置太靠近生产线的上游时，未熔融的物料可能会磨损传感器的顶部；如果被安
装在太靠后的位置，在传感器和螺杆行程之间可能会产生熔融物料的停滞区，熔料在那里有可能产生降解，压力信号也可能传递失真；如果传感器过于深入机筒，螺杆有可能在旋转过程中触碰到传感器的顶部而造成其损坏。一般来说，传感器可以位于滤网前面的机筒上、熔体泵的前后或者模具中。
3.保持安装孔的清洁
保持安装孔的清洁并防止熔料堵塞，对保证设备的正常运行来说十分重要，所有的变送器都应该从机筒上拆除以避免损坏。在拆除时，熔料有可能流入到安装孔中并硬化，如果这些残余的熔料没有被去除，当再次安装传感器时就可能造成其顶部受损。清洁工具包能够将这些熔料残余物去除。然而，重复的清洁过程有可能加深安装孔对其造成的损坏。如果这种情况发生，就应当采取措施来升高安装孔中的位置。
压力变送器的基础知识就先分享到这里。
