差壓變送器的原理及其在玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用

介紹了不同差壓變送器的工作原理，并結(jié)合實(shí)際，對(duì)玻璃生產(chǎn)線當(dāng)中所應(yīng)用的不同差壓變送器進(jìn)行了對(duì)比和探討。

        在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，檢測(cè)元件充當(dāng)著“眼睛”的角色，觀察整條生產(chǎn)流程中的壓力、流量、溫度、液位等重要數(shù)據(jù)，然后才能通過(guò)“大腦”（ ＤＣＳ或ＰＬＣ ）中的邏輯算法（ＰＩＤ ），進(jìn)而用“手”（調(diào)節(jié)器）進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常終完成對(duì)生產(chǎn)的各項(xiàng)目標(biāo)數(shù)值的控制。由此可見，一雙好的“眼睛”是一個(gè)良好控制回路的前提。壓力（差壓）變送器正是這樣一種因其高精度和穩(wěn)定性能而被廣泛應(yīng)用的檢測(cè)工具。

１　 分 　 類

        壓力（差壓）變送器的作用，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)彈性測(cè)壓元件的位移或受力變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。按組成方式及工作原理可分為力平衡式變送器和位移式變送器兩類。而在玻璃生產(chǎn)線中，我們基本均使用位移式變送器。其中按照測(cè)量精度和對(duì)象又可分為微差壓變送器、差壓變送器和壓力變送器三類。若按照信號(hào)傳輸和供電模式又可分為兩線制變送器和四線制變送器兩種。

２　 原 　 理

２．１　 力平衡式壓力（差壓）變送器

        雖然力平衡式變送器在玻璃生產(chǎn)線中并不多見，但為了比較它與位移式變送器之間的優(yōu)劣，仍值得研究討論。其工作原理如圖１所示。被測(cè)壓力 Ｐ 經(jīng)波紋管轉(zhuǎn)換為力 Ｆ ｉ 作用于杠桿左端 Ａ 點(diǎn)，使杠桿繞支點(diǎn) Ｏ作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稍一偏轉(zhuǎn)，位于杠桿右端的位移檢測(cè)元件便有感覺，使電子放大器產(chǎn)生一定的輸出電流Io，此電流流過(guò)反饋線圈和變送器的負(fù)載，并與永久磁鐵作用產(chǎn)生一定的電磁力，使杠桿 Ｂ點(diǎn)受到反饋力 Ｆ ｆ ，形成一個(gè)使杠桿作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的反力矩。由于位移檢測(cè)放大器極其靈敏，杠桿實(shí)際上只要產(chǎn)生極微小的位移，放大器便有足夠的輸出電流形成反力矩與作用力矩平衡。當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，輸出電流 Ｉ０ 正比于被測(cè)壓力 Ｐ 。

力平衡式壓力變送器原理

        這種閉環(huán)的力平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，首先在于當(dāng)彈性材料的彈性模數(shù)溫度系數(shù)較大時(shí)，可以減小溫度的影響。因?yàn)檫@里的平衡狀態(tài)不是靠彈性元件的彈性反力來(lái)建立的，當(dāng)位移檢測(cè)放大器非常靈敏時(shí)，杠桿的位移量很小，若整個(gè)彈性系統(tǒng)的剛度設(shè)計(jì)得很小，那么彈性反力在平衡狀態(tài)的建立中無(wú)足輕重，可以忽略不計(jì)。這樣，彈性元件的彈性力隨溫度的漂移就不會(huì)影響這類變送器的精度。此外，由于變換過(guò)程中位移量很小，彈性元件的受力面積能保持恒定，因而線性度也比較好。由于位移量小，還可減少?gòu)椥赃t滯現(xiàn)象，減小儀表的變差。

        為了說(shuō)明上述道理，可畫出這種變送器的靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖２所示。北側(cè)壓力 Ｐ 乘上波紋管的有效面積 Ｓ便得到作用于 Ａ 點(diǎn)的 Ｆ ｉ ，此力再乘上對(duì)支點(diǎn) Ｏ 的距離 LOA即為作用力矩 Ｍ ｉ ＝ Ｆ ｉ × ｌ OA。

力平衡變送器的方塊圖

        作用力矩 Ｍ ｉ 與反饋力矩 Ｍ ｆ 之差 ΔＭ 使杠桿繞 Ｏ 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角 θ ＝ Δｍ ／ τ 。這里 τ 是杠桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，它的大小表示要使杠桿產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需的力矩。當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位移檢測(cè)點(diǎn)Ｃ處就有位移 ｄ ＝ ｌ ＯＣ × θ ，其中 ｌ ＯＣ 為檢測(cè)點(diǎn) Ｃ到支點(diǎn) Ｏ 的距離。該位移被

        檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電流輸出 Ｉ０ 。圖中 Ｋ表示位移檢測(cè)放大器的傳遞系數(shù)。輸出電流 Ｉ０ 流過(guò)反饋線圈，產(chǎn)生電磁反饋力 Ｆ ｆ ＝ ｆ × Ｉ ０ ，其中ｆ為電磁鐵的傳遞系數(shù)。此力乘力臂 ｌ ＯＢ即為反饋力矩 Ｍ ｆ 。

        由圖２可寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)：

        當(dāng)開環(huán)增益很大，即 １τ ×ｌ ＯＣ × Ｋ × ｆ × ｌ ＯＢ ＞＞１時(shí)：

         由此可知，這種變送器具有一切閉環(huán)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，即在開環(huán)增益足夠大時(shí)，其輸入量與輸出量間的關(guān)系只取決于輸入環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，而與正向通道環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)無(wú)關(guān)。在圖２中，杠桿系統(tǒng)（包括彈性測(cè)量元件）的剛度 τ 和位移檢測(cè)放大器的傳遞系數(shù) Ｋ 都處于正向通道內(nèi)，只要開環(huán)增益足夠大，它們的變化不會(huì)影響輸出值 Ｉ０ 。因此，彈性測(cè)量元件的彈性模數(shù)隨溫度的變化，不會(huì)影響儀表的精度 。

從上面的分析看到，在力平衡變送器中，只要測(cè)壓元件的有效面積 Ｓ 能保持恒定，磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻穩(wěn)定，力臂的長(zhǎng)度 ｌ ＯＡ 、 ｌ ＯＢ 不變，便可得到較好的變換精度。

２．２　 位移式差壓（壓力）變送器

        非常早的電信號(hào)壓力計(jì)都是開環(huán)的，先將彈性測(cè)壓元件的位移轉(zhuǎn)換為電感、電阻或電容的變化，再經(jīng)一定的電路轉(zhuǎn)換后輸出。由于當(dāng)時(shí)材料質(zhì)量和工藝水平都不高，彈性元件的彈性模數(shù)隨溫度變化很大，因而平衡位置受溫度影響大，即輸出的溫度漂移較大。另外，早期的位移測(cè)量技術(shù)不高，測(cè)壓元件必須有足夠大的變形才能測(cè)量，因而使彈性元件的非線性和變差都比較大。

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料彈性模數(shù)隨溫度變化的問題獲得了很大的改善，例如鎳鉻鈦鋼等材料的彈性

模數(shù)溫度系數(shù)小于０．２×１０－４ ℃ －１ ，因而在環(huán)境溫度變化時(shí)，其彈性模數(shù)幾乎可認(rèn)為不變。此外，電子檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使微小位移的檢測(cè)成為可能，彈性元件只要有０．１ｍｍ 左右的位移便可精確地測(cè)量出來(lái)。由于變形小，非線性和彈性遲滯引起的變差都可以大大減小。而其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，運(yùn)行的可靠，維護(hù)的方便，都是位移式變送器相較于力平衡式的優(yōu)點(diǎn)所在。

電容式差壓傳感器原理圖

        作為這種新的位移式變送器的例子，圖３示出了一個(gè)電容式差壓變送器的基本結(jié)構(gòu)。被測(cè)壓力 Ｐ １ 、 Ｐ ２ 分別加于左右兩個(gè)隔離膜片上，通過(guò)硅油將壓力傳送到測(cè)量膜片。該測(cè)量膜片由彈性溫度穩(wěn)定性好的平板金屬薄片制成，作為差動(dòng)可變電容的活動(dòng)電極，在兩邊壓力差的作用下，可左右位移約０．１ｍｍ 的距離。在測(cè)量膜片左右，有兩個(gè)用真空蒸發(fā)法在玻璃凹球面制成的金屬固定電極。當(dāng)測(cè)量膜片向一邊鼓起時(shí)，它與兩個(gè)固定電極間的電容量一個(gè)增大，一個(gè)減小，通過(guò)引出線測(cè)量這兩個(gè)電容的變化便可知道差壓的數(shù)值   。

        這種差壓傳感器的結(jié)構(gòu)和力平衡式相比有一突出的優(yōu)點(diǎn)，就是它不存在力平衡式變送器必須把杠桿穿出測(cè)壓室的問題。在力平衡式變送器中為使輸出杠桿既能密封又能轉(zhuǎn)動(dòng)，使用了彈性密封膜片，這帶來(lái)一個(gè)棘手的問題———靜壓誤差。由于密封膜片在壓力作用下的變形，會(huì)使杠桿產(chǎn)生軸向位移，必須用吊帶把杠桿拉住，但它容易產(chǎn)生偏心。此外，杠桿在密封膜片上的安裝也很難完全同心，這樣，彈性密封膜片受力時(shí)，還會(huì)對(duì)杠桿造成附加的偏轉(zhuǎn)力。盡管兩個(gè)測(cè)量室的壓力差為零，即 Ｐ １ － Ｐ ２ ＝０時(shí)，只要 Ｐ １ 、 Ｐ ２ 的值不為零，杠桿上就會(huì)受到偏轉(zhuǎn)力，由這種附加力引起的誤差就稱為靜壓誤差。在力平衡式差壓變送器中，這是一個(gè)十分麻煩的問題。在圖３的電容式傳感器中，因?yàn)闆]有輸出軸，所以靜壓誤差的問題比較容易解決，整個(gè)差壓變送器的精度也容易提高。

        要了解電容式變送器的工作原理，就需要先分析下差動(dòng)電容與壓力的變化關(guān)系，設(shè)測(cè)量膜片在差壓 Ｐ的作用下移動(dòng)一個(gè)距離 Δｄ ，由于位移很小，可近似認(rèn)為兩者作比例變化，即可寫成： Δｄ ＝ Ｋ １ Ｐ ，這里 Ｋ １ 為比例常數(shù)。

        這樣，可動(dòng)極板（測(cè)量膜片）與左右固定極板間的距離將由原來(lái)的 ｄ ０ 分別變?yōu)?ｄ ０ ＋ Δｄ 和 ｄ ０ － Δｄ，借用平行板電容的公式，兩個(gè)電容 Ｃ １ 、 Ｃ ２ 可分別寫成

        式中， Ｋ ２ 是由電容器極板面積和介質(zhì)介電系數(shù)決定的常數(shù)。

        聯(lián)立解上列關(guān)系式，可得出差壓 Ｐ 與差動(dòng)電容 Ｃ １ 、 Ｃ ２ 的關(guān)系如下

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        這里 Ｋ ３ ＝ Ｋ １ ／ ｄ ０ 也是一個(gè)常數(shù)。

        由上式可知，電容式壓力變送器的任務(wù)其實(shí)就是將（ Ｃ ２ － Ｃ １ ）對(duì)（ Ｃ ２ ＋ Ｃ １ ）的比式轉(zhuǎn)換為電壓或電流。

３　 應(yīng) 　 用

     綜上所述，我們認(rèn)識(shí)到位移式變送器在現(xiàn)今的測(cè)量領(lǐng)域，相對(duì)于力平衡式變送器而言更為市場(chǎng)所認(rèn)可。在玻璃生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過(guò)程中也同樣如此。然而根據(jù)測(cè)量對(duì)象和精度的不同，變送器在選型上仍有區(qū)別。

    １ ）在熔窯中，我們使用精度非常高的微差壓變送器檢測(cè)窯內(nèi)壓力，這是關(guān)乎熔窯根本安全和測(cè)量對(duì)象之一，其結(jié)構(gòu)如圖４所示，此處 Ｐ １ 的取壓管需深入熔窯壁內(nèi)側(cè)，而 Ｐ ２ 所取壓力為溫度接近熔窯處的大氣壓值，非常終接入變送器的取壓管應(yīng)為窯爐兩側(cè)取壓的平均值，非常后同圖３位移式變送器的原理，通過(guò) Ｐ １ － Ｐ ２ 得到熔窯內(nèi)部的表壓值。

玻璃熔窯窯壓測(cè)量原理圖孔板流量計(jì)原理圖

     ２ ）對(duì)天然氣、氫氣、氧氣以及助燃風(fēng)流量的測(cè)量，我們使用差壓變送器配合節(jié)流式孔板流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖５所示在管道中插入一片中心開孔的圓   盤，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)這一孔板時(shí)，流束截面縮小，造成了局部的流速差異，得到比較顯著的壓差。在一定的條件下，流體的流量與節(jié)流元件前后的壓差平方根成正比。其公式為：

        式中， Ｑ 是所測(cè)流量；Ｆ ０ 是孔板的開孔面積； α 為流量系數(shù)；ρ 為液體密度； Ｐ １為孔板前壓力； Ｐ ２ 為孔板后壓力。

    在玻璃生產(chǎn)線中，差壓變送器除了在上述關(guān)鍵測(cè)量領(lǐng)域起到重要作用之外，仍有許多衍生的應(yīng)用，比如測(cè)量玻璃液面的高度變化，測(cè)量液體的液位高度等等，此處不再多做贅述。

４　 發(fā) 　 展

    在檢測(cè)氣體流量時(shí)，由于氣體具有可壓縮性，因此比液體的測(cè)量更復(fù)雜。由上文可知，氣體的體積流量Ｑ 是差壓（ Ｐ １ － Ｐ ２ ）與密度 ρ 的函數(shù)，而密度又是該氣體當(dāng)前溫度和壓力的函數(shù)，實(shí)際使用時(shí)，由于介質(zhì)的當(dāng)前密度與設(shè)計(jì)時(shí)的密度不同，會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差，因此要對(duì)其進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。過(guò)去，設(shè)計(jì)者會(huì)在氣體管道設(shè)置流量計(jì)的位置附近同時(shí)設(shè)置熱電阻和壓力變送器，并將三組信號(hào)均引入ＤＣＳ系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)公式完成補(bǔ)償計(jì)算。這種模式在現(xiàn)今也逐漸被取代。不少公司研發(fā)出了新一代的多參數(shù)智能壓力變送器，這類變送器以微處理器為基礎(chǔ)，全面提升了變送器的精度、可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)。通過(guò)同時(shí)分別檢測(cè)溫度、壓力和差壓三個(gè)過(guò)程變量，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法直接得出第四個(gè)過(guò)程變量（質(zhì)量流量或體積流量），并輸出對(duì)應(yīng)的４～２０ｍＡ 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，減少了變送器的數(shù)量，方便了安裝，使其能滿足更為苛刻的使用環(huán)境，提高了可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確度。

５　 結(jié) 　 語(yǔ)

    時(shí)至今日，差壓變送器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用早已不再局限于測(cè)量壓力，該文所提到的對(duì)流量、液位的測(cè)量是將被測(cè)對(duì)象的變化先轉(zhuǎn)換為壓力差，再通過(guò)變送器完成測(cè)量，這些設(shè)計(jì)無(wú)一不飽含著設(shè)計(jì)者的智慧結(jié)晶，都值得我們?nèi)ニ伎己屠^續(xù)研究。