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澳门太阳神网站-【远景展望】压力变送器技术前景发展
压力变送器作为在线显示压力,在各行各业的运用前景相当广泛,不同的行业它可以有不同的型号运用,所以它的应用一直受到广大用户的肯定。
 
随着科学技术的发展,压力变送器本身技术、功能、性能上得到了很大的提高,同时它也促进了众多的领域科技巧水平的发展与应用。

1、压力变送器的远景展望
 
经过多年的建设与发展,我国仪器仪表已经初步形成产品门类品种比较齐全,具有一定生产规模和开发能力的产业体系,我国仪器仪表发展很快,形势很好,很多三资企业和民营企业都得以迅速发展和崛起,如今已经成为仪器仪表产业的主体。另外**支持,推动功能新材料的产业发展,产业布局由低级向高级阶段发展的整体战略布局也渐渐浮现。
虽然我国仪器仪表产业有了较大的发展,但还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。我国仪器仪表产品大部分属于中低端产品,高精度变送器几乎全部依赖进口。我国仪器仪表落后于国际先进水平,差距是全方位的,包括产品技术方面的差距和企业综合实力上的差距。主要体现在以下几个方面:
1)标准化工作差距大。
2)技术差距:见表1。
3)产业水平差距:中小企业占多数,制造技术水平不高。
 
图1压力变送器基本工作框图
 

图1
 
2.3 压力传感器
压力传感器的作用是将压力的物理信号转换为电信号。通常使用的压力传感器主要有3类。
2.3.1 陶瓷电容传感器
以三氧化二铝陶瓷构成,当传感器感受压力后,两导电极板间距离发生变化,引起电容量发生变化。通过振荡电路可以将这个电容变化转换为电压信号,就可以测量出电容量也就是压力大小。
陶瓷电容压力传感器的特点是热稳定性好,抗过载能力可达量程的百倍以上,没有液体传递压力,无任何填充液,不会产生工艺污染,因此在食品、医药等行业有着广泛的应用,加之是干式陶瓷膜片,也没有安装位置影响。有的陶瓷压力传感器带有专用调理电路,可直接输出0.5~4.5V的电压信号。虽然压力传感器的量程范围不同,但是输出信号的幅值都相同。即0.5V对应传感器测量的最小压力,4.5V对应最大压力,其余中间各点与测量压力成线性关系。例如,-0.1~1MPa的压力传感器,在压力为0时的理论输出为0.86V。
2.3.2 金属电容差压传感器
图1-2-2 金属电容差压传感器
罗斯蒙特公司使用金属电容传感器制成了1151差压变送器,现在国内很多厂家的差压变送器都是参考1151制造的。金属电容差压传感器的原理是:被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在敏感元件的两侧隔离膜片上,通过隔离片和元件内的填充的硅油传送到测量膜片两侧。由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调环节,转换成与压力成正比的信号。这个信号可以是电压,或者频率及脉冲。
金属电容传感器的优点是结构简单,灵敏度高,过载能力强,动态响应特性好,对高温、辐射等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性,有压力迟滞,寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大,很难做高精度。
图1-2-3 已焊接连接部件的金属电容传感器
2.3.3 扩散硅传感器
扩散硅传感器的核心测量元件是采用扩散工艺形成电阻并连接成惠斯通电桥,并施加一个供电给电桥。当压力作用在敏感元件上时,电阻值发生变化并且产生一个与作用压力成正比的线性输出信号。有的厂家传感器使用硅油传递压力。当外界压力作用在不锈钢隔离膜片上,通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变化。
扩散硅压力传感器的优点是非线性误差小,压力迟滞小,缺点是对温度变化敏感,为此,154N传感器使用激光调阻技术进行温度及量程补偿,改善了输出信号的温度特性。
2.4 智能压力变送器技术特点
压力变送器是工业自动化控制的关键设备,了解变送器行业的技术特点,也有利于工程设计的优化。随着科学技术的发展,信息传输与处理技术已取得突破性进展,智能压力变送器充分利用了微处理器的运算和存储能力,对传感器的数据进行处理,包括对测量信号的调理(如滤波、放大、A/D转换等)、自动校正、自动补偿和数据显示等,使产品性能得到很大提升。虽然各个品牌的产品特点有所不同,但整个变送器行业总的技术特点如下:
1)量程比宽,达到100:1(少数有200 :1、400 :1)。可以减少项目压力变送器备件采购数量。
2)精度高,最通用的是0.075%FS。可满足现有工业生产系统的控制需求。
3)稳定性好。稳定性是变送器非常重要的指标,是生产系统稳定运行的关键参考之一。现阶段,高端压力变送器的长期漂移量一般小于0.1%FS/5年。
4)测量范围大,差压最高可达20MPa,压力最高达到70MPa。解决了高差压、高压力的测量问题。
5 ) 输出信号有4 ~ 2 0 m A 叠加H A R T 6 . 0 、PROFIBUS-PA、FF等多种协议可选。
6)耐温能力强。变送器本体适用于-40℃~80℃的环境温度;普通变送器可直接接触-40℃~120℃介质;法兰变送器可承受-90℃~400℃的介质,解决了煤化工、化工、石化行业中的超高、超低温介质的测量难题。
7)防腐材质多样化。随着电子束、激光焊接技术的应用,可以制造多种特殊材质的变送器。可选择的防腐材质有:316L、哈氏C、哈氏B、蒙乃尔、钽材、镀金、钛材、双相钢(MOD)、尿素级316L、特氟龙膜片(PTFE、PFA),可解决不同腐蚀介质及混合物腐蚀的测量难题。镀金膜片主要用于高温高压氢气或含氢介质的测量,减少氢离子的渗透,延长产品寿命。
8)功能更加强大。本地组态和远程组态(上位机软件或手操器)功能相结合,提高了设备的管理、调试与维护效率和方便性。**、故障自诊断、模块化设计功能增加了变送器使用的方便性和实用性。
9)产品种类齐全,针对不同的工艺条件、参数,可选择不同类型的压力变送器,如压力型变送器、绝对压力变送器、微差压力变送器、差压变送器、液位变送器、造纸型变送器、卫生型变送器、远传压力变送器、远传差压变送器、真空专用法兰变送器等等。
2.5 压力变送器的一些基本参数和指标
每一台压力变送器,都有其性能指标、使用功能、适用范围等参数,下面列举一些主要的性能指标和必要的工作参数:
2.5.1 测量精度
压力变送器的输出值随压力的变化,理论上是线性的(开方输出除外),而实际上的输出与理论值之间是有误差的,测量精度就是表示变送器的最大测量误差,精度=(实际输出值-理论输出值)/量程×100%,取3次测量行程的最大值,是一个相对量。目前各公司生产的智能变送器基本上测量精度为±0.1%,非智能变送器为±0.5%。
2.5.2 回差(迟滞)
当使用变送器测量压力时,压力变化从小到大和从大到小,经过同一个压力点时,按理论讲,变送器所测量出的压力值是一样的,但实际情况是,变送器所测量出的压力值是不同的,为说明这个问题,我们定义变送器上升行程与下降行程经过同一个压力点时,测量压力的差值为压力回差。若与量程比,就用相对值表示。一般金属电容变送器的回差相对大些,扩散硅及陶瓷电容变送器的回差相对小些。
2.5.3 测量范围(量程)
测量范围是指一台变送器所能测量的最大压力范围。这实际上是变送器所使用的压力传感器的测量范围。本公司压力变送器的测量范围一般最大约0~60MPa,即量程=60-0=60MPa,最小约0~1kPa,即量程=1kPa。量程并不是越大越好,量程大说明其检测压力范围宽,量程小说明其检测微小压力的能力强。实际变送器的设定量程有时候不一定需要其最大量程,这就需要进行量程迁移。
2.5.4 量程迁移比
假如实际工况需要测量的压力范围为0~3kPa,但是我们压力传感器没有这个档,这就需要我们使用0~10kPa的传感器来制作变送器,然后,通过量程迁移,使得变送器可以在测量0~3kPa的压力时,输出4~20mA电流,并且精度等指标满足使用要求。量程迁移比=传感器量程/实际需要量程,在上面例子中,量程迁移比为10/3=3.3,表示为 3.3:1。变送器的迁移实际是改变信号放大电路的增益,非智能表一般通过改变电阻值来改变增益,智能表可以通过按键或HART通信直接改变其量程。量程迁移比对每种变送器来说,其允许的最大迁移量是有限定的,超过最大迁移比,变送器的性能变差,不能正常工作。
2.5.5 阻尼时间
阻尼时间是指当有阶越输入时,输出达到阶越值63.2%时的时间。它表示了变送器的输出随被测压力变化的响应速度。例如在测量介质波动比较厉害时,仪表输出就会随之波动,不利于人员观察和操作,后续设备如调节阀电机等也会频繁剧烈动作,易损坏设备。把阻尼调大就可使输出信号尽量平缓柔和。一般智能变送器出厂时阻尼时间设定为0秒,即无阻尼。
2.5.6 输出特性
对于二线制的压力变送器来说,其输出通常就是4~20mA电流,即压力量程下限对应4mA,上限对应20mA,上下限之间的压力与电流呈线性关系。例如一个量程0~100kPa的变送器,其零点输出为4.001mA,满量程输出为20.005mA,当测量压力为50kPa时,理论输出电流=零点电流+测量压力值/量程×电流最大变化量=4.001+50/100×(20.005-4.001)=12.003mA对于差压变送器来说,在其用于测量流量时,由于流量与压力的开方成线性关系,因此,差压变送器有开方输出模式,对于上面例子来说,当测量压力为50kPa时,理论输出电流=零点电流+(测量压力值/量程)1/2×电流最大变化量= 4 . 0 0 1 + ( 5 0 / 1 0 0 ) 1 / 2 × ( 2 0 . 0 0 5 - 4 . 0 0 1 )=15.317mA
3 压力变送器的应用
压力变送器工作时,必须直接与被测介质相接触,常常在高温、低温、腐蚀、振动、冲击等环境中运行,在工程现场能否正常、可靠运行,不仅取决于产品质量,还取决于优化的工程设计、合理的型号配置、正确的现场维护3个方面。
压力变送器产品广泛应用于钢铁、化工、造纸、污水处理、自来水、热力、电力、食品、有色等行业。
压力变送器除了可以测量压力外,还可以衍生出很多用途,比如利用差压变送器测量流量,利用液体的重力测量液位(静压式液位计)。
3.1 测量流量
差压变送器除了测量两个被测量压力的差压值外,它还可以配合各种节流元件(如孔板)来测量介质流体的流量。
3.2 测量液位
静压液位变送器的工作原理是:液体中某一点的静压力与该点到液面的距离成正比,即:P=ρgh。其中:P-被测点的压力(压强)、ρ-介质密度、g-重力加速度、h-被测点到液面的高度。对已确定的被测介质ρ,g为常数,故被测点到液面的位置的变化只与被测的P压力(压强)有关。
在敞开容器内测量液位时,需要一台压力变送器即可。当测量密闭受压容器的液位时,可考虑用两台压力或者一台差压变送器,即测量下限一台,测量上限一台,它们的输出信号进行减法运算,即可测出液位,这时一般选用差压变送器。
在容器内液位与压力值不变的情况下,它还可以用来测量介质的密度。
4 压力变送器的发展趋势
为适应工业及自动化控制的发展,未来压力变送器的在技术层面的发展趋势将是实现产品低功耗、数字化、智能化、 网络化、专业化、高精度、高适应性和高安全性。
4.1 高性能压力变送器日趋成熟
采用先进的微型计算机技术,设计低功耗、快速响应、高分辨率的处理和控制电路,以降低系统硬件所产生的误差,提升系统的可靠性和稳定性。对放大、滤波、线性与温度复合补偿算法进行深入的研究,提高算法的准确性,以减小系统的综合误差。未来0.04%精度等级的压力变送器将成为市场的主流。
4.2 无线压力变送器市场前景广阔
随着无线通讯技术在行业应用的逐渐推广,无线压力变送器也受各大厂商和各行业用户的关注,成为继现场总线和工业以太网又一热点技术。在现场使用硬线连接成本过高的工业现场,无线压力变送器将发挥明显优势,消除变送器和控制电路之间的连接,从而节约能源,减少配线和维护费用。随着工业信息化、智能化建设的大力推进,无线压力变送器产品优势在中国市场逐渐被用户认可,市场进入快速成长时期。特别是在油气、化工、市政等行业,无线智能压力变送器应用较为广泛。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。
4.3 集成化成为行业应用新趋势
压力变送器已经越来越多的与其他测量用变送器集成,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系统中可提高操作速度和效率。
4.4 小型化市场需求进一步扩大
目前市场对小型压力变送器的需求越来越大,小型压力变送器可以工作在窄小的空间。集成技术在一定程度上支持了变送器产品小型化的发展。并且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。
5 专业化(个性化)需求更加突出,应用领域更加宽广
随着工业自动控制水平的提高,各行业尤其是精细化工、石油石化、煤化工的大力发展,对变送器的要求也越来越高,针对不同工艺条件,需研发专用的智能变送器,以解决压力、流量、液量测量中的工艺难题。
如:在煤制油、煤制气工艺中,需解决高温、高压、氢渗透、固体杂质冲刷与堵塞难题的专用法兰变送器。在大化肥尿素合成、精细化工中,需解决高温、高压、强腐蚀、易结晶,以及高温真空测量的专用变送器。在深海油田中,需研发耐海水腐蚀、海底高压力防护等级和高可靠性的专用压力变送器,确保变送器在海底石油开采中长期稳定的工作。在液体、气体计量中,需要专用的多参量智能压力变送器,提高微小流量计量的精度与可靠性等。
标准化变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准,但是我国的仪器仪表行业正面临着巨大的挑战。只有提高国产品牌的性能,才能在与洋品牌的竞争中有一席之地。
 
小结:
 
针对我国压力变送器在产品的使用寿命、稳定性与国外同行的产品还存在一定的距离,这就要求加我们自已创新能力、各种先进试验平台要上一个新台阶,要学会与同行比,找差距,针对重点优化、改革压力变送器,一步一个脚印踏实的做,才能有很好我应发殿。
 
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