電容式差壓變送器的使用及擴散硅差壓變送器

電容式差壓變送器的分辨力非常高，靜態精度和動態特性好，結構簡單，適應性強，廣 泛應用于工業生產中的差壓、壓力和表壓力的檢測，開口容器或受壓容器內液體的液位 檢測，以及配套節流裝置中液體、氣體和蒸氣的流量檢測等。由于電容式差壓變送器的優異 特點和應用的廣泛性，使它正在取代過去使用較多的膜片式、膜盒式、波紋管式及力平衡式 壓力傳感器和變送器。

在應用電容式差壓變送器時，要根據需要進行適當調整，以達到盡量高的準確度。

(1)量程調整和零點遷移

1)'量程調整_圖3-29是電容式差壓變送器的輸人一輸出特性曲線，其中Xmin和Xmax 分別為被測過程參數的下限值和上限值，即變送器輸人信號的量程范圍。ymin和ymax分別是變送器輸出信號的下限值和上限值，與標準統一信號的下限值和上限值相對應，對于III型表，它們分別是4mA和20mA|J

量程調整又稱為滿度jM整，調整的目的是為了使變送器輸出信號的上限值ymax與被測參 數的上限值xmax相對應。k常變送器輸出信號的應限值是固定的（20mA)，而被測參數的上 限值則根據實際生產過程要求是不同的。量程調整實際上就是通過改變變送器的放大增益， 改變其輸人一輸出特性曲線的斜率，使被測參數的zui大值與變送器輸出信號的zui大值對應。 圖3-29b中曲線1為量程調整前的特性曲線，當被測參數值為時，對應變送器的輸出zui 大，不能實現實際滿量程的測量；曲線2是對變送器進行量程調整后的輸人一輸出特性曲 線，使實際滿量程％max與變送器輸出信號的上限值ymax相對應

2)零點調整和零點遷移。零點調整和零點遷移是使變送器輸出信號的下限值ymin與被 測參數的下限值*min相對應。通常變送器輸出信號的下限值是固定的（如4mA),在被測參 數的下限值;《min =0時，使；ymin =4mA的調整就稱 

為零點調整；在被測參數的下限值*min#0時，使 y—=4mA的調整過程就稱為零點遷移，零'點遷 移分為正遷移和負遷移兩種。

例如，、壓力的測量范圍為-2 ~ 3kPa,則 xm；B = - 2kPa,為負值，量程為5kPa$ .因此變送 器測量的起始點要從OkPa遷移到-2kPa,使ymin 與*min相對應，這個過程就稱為零點負遷移；反 之，即為零點正遷移。圖3-30為零點遷移示意 圖，其中曲線1為未遷移的輸入一輸出特性曲線，

對應的測量范圍是0 ~5kPa;曲線2是零點負遷移的特性曲線，對應的測量范圍是-2 ~ 3kPa；曲線3是零點正遷移的特性曲線，對應的測量范圍是2 ~7kPa。通過對特性曲線的分 析，可以得出結論：零點遷移是改變測量的上、下限，而曲線斜率不變，即量程不改變但是要注意，遷移量不能無限地增加，它受到以下兩方面的約束：

①不能遷移到超過zui 大測量上限的值及zui大量程。例如，某種變送器的zui大測量上限及zui大量程均為 40kPa,因此不能將變送器遷移到32 ~42kPa,而只能遷移到32 ~40kPa。負遷移也是如此， 不能遷移到-42 ~ -32kPa,而只能遷移到-40 ~ - 32kPa或-40 ~ -30kPao另外，也不能 遷移到-40 ~10kPa,而只能遷移到-40 ~0kPa或-30 ~0kPa。

②量程不應壓縮到允許zui小量程以下，例如規格為0 ~6kPa至0 ~40kPa的變送器允許zui小量程為6kPa|因此不要將變 送器遷移到35 ~40kPa,而應改為34 ~40kPao

(2) 線性度調整和阻尼調整

1) 線性度調整。為了使變送義的輸人一輸出特性達到高度的線性，因此在放大器電路 板焊接面上，還備有線性調節電位器

通常情況下，線性度調整.作已'在變送器出廠時完成，一般不必進行調節.如有必要 (需要在某r?特定范圍內改善線性>,而且條件具備時（校正時需要高精度的標準儀表），也 、進行，但必須按規程進行調整_

2) 阻尼調整|變送器的放大器電路板上有阻尼調節電位器，在變送器出廠校驗時，.已 經將阻尼調節電位器逆時針旋到底（阻尼時間約0.2s),即阻尼zui小位置。由于變送器標定 不受阻尼調節的影響，阻尼調節可在變送器安裝好以后進行。要調節阻尼時可順時針方向 轉動阻尼調節電位器所謂阻尼時間即變送器的輸出隨被測壓力變化的反應速度|一般電容式差壓變送器的zui 大阻尼時間常數大于等于1. 67s。

注意：調節阻尼時可用小旋具插入調節孔，當順時針方向旋轉時，其阻尼時間將增大， 但當旋到底時不可用力再擰，以免損壞電位器

(3) 變送器的接線變送器的接線根據信號線與電源線的連接方式分為兩線制和四線

制兩種。兩線制變送器的工作電 源為直流24V，只有兩根導線，' 信號線和電源線并用，導線上同 時傳送變送器的工作電源電壓與 輸出的電流信號，如圖3-31a所 示；四線制變送器的工作電源為 交流220V，電源線和信號線分 開，各有兩根，如圖3-31

兩線制變送器可以節省電 纜，敷設時只需一根穿線管道，

若用于易燃易爆的場合，還可節省一個安全柵。它具有降低成本，提高安全性能的優點，所 以應用較多@但同時，由于電源線和信號線共用，可能會給輸出的電流信號帶來干擾，影響測量的可靠性及精度。

擴散硅差壓變送器

利用具有壓阻效應的半導體材料可以做成粘貼式的半導體應變片，進行壓力的檢測。隨 著半導體集成電路制造工藝的不斷發展，人們利用半導體制造工藝的擴散技術，將敏感元件 和應變材料合二為一制成擴散型壓阻式傳感器由于這類傳感器的應變電阻和基底都是用半 導體硅制成的，所以又稱為擴散硅壓阻式傳感器|在半導體基底上還可以很方便地將^些溫 度補償、信號處理和放大電路等集成制造在一起，構成集成傳感器或變送器。所以，擴散桂 壓阻式傳感器1出現就受到人們的普遍重視，發展很快，目前這類傳感器已經在力學量傳感 器中占據了重要地位

1.擴散硅壓阻式傳感器的測壓原理

圖3-32所示為擴散硅壓阻式傳感器的結構它主 要由外殼、硅杯和引線等組成。

擴散硅壓阻式傳感器的核心敏感元件是一塊圓形的 硅膜片。在硅膜片上，用半導體制造工藝的擴散摻雜法 做成四個阻值相等的電阻，構成平衡電橋，再用壓焊法 與外部引線相連。測量室被硅膜片分成高壓和低壓兩個 腔室，高壓腔和被測系統相連接_測壓力時，低壓腔和 大氣相連通；測壓達時，低壓腔則與被測系統的低壓端 相連通。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發生變形，產: 生應力應變，從而使擴散電阻的阻值發生變化，電橋失 去平衡，輸出相應的電壓，該電壓的大小與膜片兩邊的 壓力差成正比，從而可以測取膜片所受的壓力差值

由于硅膜片是各向異性材料，它的壓阻效應的大小與作用力的方向有關，所以在硅膜片 承受外力時，必須同時考慮其縱向壓阻效應（沿擴散電阻的長度方向）和橫向壓阻效應 (沿擴散電阻的寬度方向）。由于硅膜片是圓形的，受壓時的形變非常微小，其彎曲的撓度 遠遠小于其厚度，因而其應力分布，可歸結為彈性力學中的小撓度圓薄板的應變問題。

設均勻分布在硅膜片上的壓力為則硅膜片上各點的應力與其半徑r的關系為

式中，為硅膜片所承受的徑向應力、切向應力；h、r。為硅膜片的厚度和半徑；廠為 應力作用半徑，即電阻距硅膜片中心的距離；M為泊松比，對于硅0=0.35。

對以上兩式進行分析，時，應力A和 都達到zui大值，隨著r值的增大，和cr7的值減?。?/p>

當r = 0_635r。和r=0.812r。時，h和aT分別為零； 隨著r值的進‘步增大，~和進人負值區，直至 時和t分別達到負的zui大值?？梢姽枘て琠 雖然受壓均勻分布，但產生的應力是不均勻的，存在 正、負應力區。因此，為了構成差動電橋，提髙輸出 靈敏度，在硅膜片上布置電阻時，可以使&、尺3布 置在負應力區，承受壓應力；R2、布置在正應力 區，承受拉應力，如圖3-33所示

這樣，在承受壓g 力時，四個電阻有增有減，將阻值增加的兩個電阻與 阻值減小的兩個電阻分別相對接人橋路，構成;平衡電橋

2.擴散硅差壓變送器

擴散硅差壓變送器由用來進行壓力檢測的擴散硅壓阻式傳感器（半導體硅杯、電橋檢 測電路）、信號放大電路和標準電流輸出電路組成，典型電路如圖3-34所示。

在差壓變送器中，測量電橋由 1mA的恒流源供電，硅膜片未受差 壓時，R1=R2=R3=RA,電橋平衡， 左右橋臂支路電流相等，I1=I2=0. 5mA。有差壓時，R3阻值減小， 漢4增加，因/2不變引起6點電位升 高；同時，由于及2增加，A減小， A不變，引起a點電位下降。ab兩 點間的電壓輸人到運算放大器A， 放大后的輸出電壓經過晶體管VT轉 換成3 ~ 19mA的電流，此電流流過

負反饋電阻A,導致&點電位下降，直至M兩點間的電壓接近為零嶋恒流源保證電橋的總 電流為1mA，于是變送器的總電流為4 ~20mA，此輸出電流的大小與差壓成線性關系。

壓力計的校驗和使用

為了保證壓力測量值的統一，必須要有*的壓力基準，以此作為壓力測量的zui高標 準。壓力基準是用活塞式壓力計建立起來的^從國家壓力基準到工業生產現場壓力儀表的校驗、標定傳遞系統中，作為標準壓力計量儀器的活塞式壓力計占有重要的地位

活塞式壓力計及壓力計的校驗

活塞式壓力計是基于流體靜力學平衡原理和帕斯卡定律，利用壓力作用在活塞上的力與 砝碼的重力相平衡的原理來測壓力?；钊綁毫τ嬍菈毫τ嬃恐械幕鶞蕛x器，也是一種標準 壓力發生器，用來檢驗其他儀表，一般不能直接測量壓力。它具有精度高（可達0.02%)，

技術性能穩定，測量范圍廣（0.5 x 104 ~109Pa)等特點，因此，在計量 部門或儀表制造及使用中得到了廣

乏應用福

1.活塞式壓力計的結構及原理

活塞式壓力計主要由活塞測量 系統（包括按碼、測量活塞和活塞 筒等）和壓力發生泵（包括手搖泵、 油杯組件）組成，如圖3-35所示。

活塞式壓力計中的壓力發生泵， 是通過加壓手輪12旋轉絲桿11，推 動加壓活塞10擠壓內腔中的工作液， 以產生所需的壓力，根據流體靜力 學中液體壓力傳遞平衡原理，該外 加壓力經工作液均勻地傳遞給測量

系統中的活塞和被校壓力計。當測量系統中活塞3和砝碼托盤2本身的重量，以及加在托盤 上的砝碼1的重量作用在活塞上的力與壓力發生泵所產生的力相等時，測量活塞3浮起 在某一位置上_這時；作液的壓力為

式中，G為活塞（包括砝碼托盤）的重量和砝碼的重量；S。為活塞的有效面積。

從式（3-40)可知，由于砝碼和活塞的重量C可利用精密天平來地標定，活塞的 有效面積A可通過對活塞式壓力計的標定計算得到，所以壓力也就準確地測量出來。一般 =lcm2或0. 1cm2?；钊矁鹊墓ぷ饕阂话悴捎脻崈舻淖儔浩饔突虮吐橛偷萭j:

在校驗壓力計時，通過被校壓力計上的指示值與這一標準壓力值P相比較，就可知道 被校壓力計的誤差大小。

作為標準壓力計量儀器的活塞式壓力計，精度為0.002%。此外還有作為國家基準器的 活塞式壓力計，zui高精度為0.005%, I級標準精度為0.01 %，II級標準精度為0.05%，I 級標準精度為0.2% A—般工業用儀表，用m級標準精度活塞式壓力計校準。

在進行高精度校驗時，要注意用活塞式壓力計進行校驗時可能會產生誤差的一些因素。 這些因素有：重力加速度變化帶來的校驗誤差，重力加速度與校驗地的海拔、緯度有關，如 海拔越高，重力加速度越小，校驗誤差會增加|此外，溫度變化會影響活塞的有效面積，空 氣對砝碼會有一定的浮力作用，這些都是影響校驗精度的一些因素。

2. 活塞式壓力計校驗壓力計的方法

用活塞式壓力計校驗壓力計時，要嚴格遵循下列操作規程

1) 測量前，將活塞式壓力計水平放置，觀察水準器中的氣泡是否位于中心，若偏離， 調節底盤上的支撐螺釘，使壓力計處于水平位置，確保測量活塞筒處于鉛直位置。

2) 把工作液（變壓器油或麻油）灌入油杯，反復旋轉手輪，以排除測量系統內腔的空氣。

3) 用加壓泵加壓，檢查油路是否暢通，并裝上被校壓力計：

4) 將進油閥打開，逆時針旋轉手輪，將油吸人油路：

5) 關閉進油閥，順時針旋轉手輪產生壓力，加上砝碼即可進行校驗。

6) 把砝碼加到托盤上，所加砝碼重量加上活塞、托盤的重量應與所校驗的壓力值相對 應，再旋轉手輪加壓，使托盤升起，并與定位指示板刻度線相齊。同時，為了減小活塞與活 塞筒之間的摩擦阻力，應使托盤以不小于30r/min的角速度向順時針方向旋轉。

7) 活塞式壓力計的活塞桿、底盤、砝碼等必須根據其出廠的編號配套使用，不能互換。

3. 活塞式壓力計的保養維修

活塞式壓力計有0.02和0.05級精度，使用中為了確保精度并延長使用壽命，應注意下列幾點：

1) 使用前必須熟悉使用操作方法和注意事項。

2) 為避免損壞活塞測量系統，托盤上的砝碼要輕拿輕放。

3) 工作液必須按說明書規定使用，不得錯用。工作液必須經過濾，才可使用，不準混有雜質，并應定期更換。