摘 要: 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),#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(jiàn),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(jiàn),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(jué),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 。
這種閉環(huán)的力平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),shou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(huà)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。
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(xiě)出其閉環(huán)傳遞函數(shù):
當(dāng)開(kāi)環(huán)增益很大,即 1τ ×l OC × K × f × l OB >>1時(shí),上式可簡(jiǎn)化為:
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(kāi)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(kāi)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
#早的電信號(hào)壓力計(jì)都是開(kāi)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(wèn)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que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。
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(wèn)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(wèn)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(wèn)題。在圖3的電容式傳感器中,因?yàn)闆](méi)有輸出軸,所以靜壓誤差的問(wèn)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(xiě)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(xiě)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
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#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,#終接入變送器的取壓管應(yīng)為窯爐兩側(cè)取壓的平均值,#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。
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(kāi)孔的圓 盤(pán),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(kāi)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。