电容式差压变送器的使用及扩散硅差压变送器

电容式差压变送器的分辨力非常高，静态精度和动态特性好，结构简单，适应性强，广 泛应用于工业生产中的差压、压力和表压力的检测，开口容器或受压容器内液体的液位 检测，以及配套节流装置中液体、气体和蒸气的流量检测等。由于电容式差压变送器的优异 特点和应用的广泛性，使它正在取代过去使用较多的膜片式、膜盒式、波纹管式及力平衡式 压力传感器和变送器。

在应用电容式差压变送器时，要根据需要进行适当调整，以达到尽量高的准确度。

(1)量程调整和零点迁移

1)'量程调整_图3-29是电容式差压变送器的输人一输出特性曲线，其中Xmin和Xmax 分别为被测过程参数的下限值和上限值，即变送器输人信号的量程范围。ymin和ymax分别是变送器输出信号的下限值和上限值，与标准统一信号的下限值和上限值相对应，对于III型表，它们分别是4mA和20mA|J

量程调整又称为满度jM整，调整的目的是为了使变送器输出信号的上限值ymax与被测参 数的上限值xmax相对应。k常变送器输出信号的應限值是固定的（20mA)，而被测参数的上 限值则根据实际生产过程要求是不同的。量程调整实际上就是通过改变变送器的放大增益， 改变其输人一输出特性曲线的斜率，使被测参数的zui大值与变送器输出信号的zui大值对应。 图3-29b中曲线1为量程调整前的特性曲线，当被测参数值为时，对应变送器的输出zui 大，不能实现实际满量程的测量；曲线2是对变送器进行量程调整后的输人一输出特性曲 线，使实际满量程％max与变送器输出信号的上限值ymax相对应

2)零点调整和零点迁移。零点调整和零点迁移是使变送器输出信号的下限值ymin与被 测参数的下限值*min相对应。通常变送器输出信号的下限值是固定的（如4mA),在被测参 数的下限值;《min =0时，使；ymin =4mA的调整就称 

为零点调整；在被测参数的下限值*min#0时，使 y—=4mA的调整过程就称为零点迁移，零'点迁 移分为正迁移和负迁移两种。

例如，、压力的测量范围为-2 ~ 3kPa,则 xm；B = - 2kPa,为负值，量程为5kPa$ .因此变送 器测量的起始点要从OkPa迁移到-2kPa,使ymin 与*min相对应，这个过程就称为零点负迁移；反 之，即为零点正迁移。图3-30为零点迁移示意 图，其中曲线1为未迁移的输入一输出特性曲线，

对应的测量范围是0 ~5kPa;曲线2是零点负迁移的特性曲线，对应的测量范围是-2 ~ 3kPa；曲线3是零点正迁移的特性曲线，对应的测量范围是2 ~7kPa。通过对特性曲线的分 析，可以得出结论：零点迁移是改变测量的上、下限，而曲线斜率不变，即量程不改变但是要注意，迁移量不能无限地增加，它受到以下两方面的约束：

①不能迁移到超过zui 大测量上限的值及zui大量程。例如，某种变送器的zui大测量上限及zui大量程均为 40kPa,因此不能将变送器迁移到32 ~42kPa,而只能迁移到32 ~40kPa。负迁移也是如此， 不能迁移到-42 ~ -32kPa,而只能迁移到-40 ~ - 32kPa或-40 ~ -30kPao另外，也不能 迁移到-40 ~10kPa,而只能迁移到-40 ~0kPa或-30 ~0kPa。

②量程不应压缩到允许zui小量程以下，例如规格为0 ~6kPa至0 ~40kPa的变送器允许zui小量程为6kPa|因此不要将变 送器迁移到35 ~40kPa,而应改为34 ~40kPao

(2) 线性度调整和阻尼调整

1) 线性度调整。为了使变送義的输人一输出特性达到高度的线性，因此在放大器电路 板焊接面上，还备有线性调节电位器

通常情况下，线性度调整.作已'在变送器出厂时完成，一般不必进行调节.如有必要 (需要在某r?特定范围内改善线性>,而且条件具备时（校正时需要高精度的标准仪表），也 、进行，但必须按规程进行调整_

2) 阻尼调整|变送器的放大器电路板上有阻尼调节电位器，在变送器出厂校验时，.已 经将阻尼调节电位器逆时针旋到底（阻尼时间约0.2s),即阻尼zui小位置。由于变送器标定 不受阻尼调节的影响，阻尼调节可在变送器安装好以后进行。要调节阻尼时可顺时针方向 转动阻尼调节电位器所谓阻尼时间即变送器的输出随被测压力变化的反应速度|一般电容式差压变送器的zui 大阻尼时间常数大于等于1. 67s。

注意：调节阻尼时可用小旋具插入调节孔，当顺时针方向旋转时，其阻尼时间将增大， 但当旋到底时不可用力再拧，以免损坏电位器

(3) 变送器的接线变送器的接线根据信号线与电源线的连接方式分为两线制和四线

制两种。两线制变送器的工作电 源为直流24V，只有两根导线，' 信号线和电源线并用，导线上同 时传送变送器的工作电源电压与 输出的电流信号，如图3-31a所 示；四线制变送器的工作电源为 交流220V，电源线和信号线分 开，各有两根，如图3-31

两线制变送器可以节省电 缆，敷设时只需一根穿线管道，

若用于易燃易爆的场合，还可节省一个安全栅。它具有降低成本，提高安全性能的优点，所 以应用较多@但同时，由于电源线和信号线共用，可能会给输出的电流信号带来干扰，影响测量的可靠性及精度。

扩散硅差压变送器

利用具有压阻效应的半导体材料可以做成粘贴式的半导体应变片，进行压力的检测。随 着半导体集成电路制造工艺的不断发展，人们利用半导体制造工艺的扩散技术，将敏感元件 和应变材料合二为一制成扩散型压阻式传感器由于这类传感器的应变电阻和基底都是用半 导体硅制成的，所以又称为扩散硅压阻式传感器|在半导体基底上还可以很方便地将^些温 度补偿、信号处理和放大电路等集成制造在一起，构成集成传感器或变送器。所以，扩散桂 压阻式传感器1出现就受到人们的普遍重视，发展很快，目前这类传感器已经在力学量传感 器中占据了重要地位

1.扩散硅压阻式传感器的测压原理

图3-32所示为扩散硅压阻式传感器的结构它主 要由外壳、硅杯和引线等组成。

扩散硅压阻式传感器的核心敏感元件是一块圆形的 硅膜片。在硅膜片上，用半导体制造工艺的扩散掺杂法 做成四个阻值相等的电阻，构成平衡电桥，再用压焊法 与外部引线相连。测量室被硅膜片分成高压和低压两个 腔室，高压腔和被测系统相连接_测压力时，低压腔和 大气相连通；测压達时，低压腔则与被测系统的低压端 相连通。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产: 生应力应变，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失 去平衡，输出相应的电压，该电压的大小与膜片两边的 压力差成正比，从而可以测取膜片所受的压力差值

由于硅膜片是各向异性材料，它的压阻效应的大小与作用力的方向有关，所以在硅膜片 承受外力时，必须同时考虑其纵向压阻效应（沿扩散电阻的长度方向）和横向压阻效应 (沿扩散电阻的宽度方向）。由于硅膜片是圆形的，受压时的形变非常微小，其弯曲的挠度 远远小于其厚度，因而其应力分布，可归结为弹性力学中的小挠度圆薄板的应变问题。

设均匀分布在硅膜片上的压力为则硅膜片上各点的应力与其半径r的关系为

式中，为硅膜片所承受的径向应力、切向应力；h、r。为硅膜片的厚度和半径；厂为 应力作用半径，即电阻距硅膜片中心的距离；M为泊松比，对于硅0=0.35。

对以上两式进行分析，时，应力A和 都达到zui大值，随着r值的增大，和cr7的值减小；

当r = 0_635r。和r=0.812r。时，h和aT分别为零； 随着r值的进‘步增大，~和进人负值区，直至 时和t分别达到负的zui大值。可见硅膜片_ 虽然受压均勻分布，但产生的应力是不均匀的，存在 正、负应力区。因此，为了构成差动电桥，提髙输出 灵敏度，在硅膜片上布置电阻时，可以使&、尺3布 置在负应力区，承受压应力；R2、布置在正应力 区，承受拉应力，如图3-33所示

这样，在承受压g 力时，四个电阻有增有减，将阻值增加的两个电阻与 阻值减小的两个电阻分别相对接人桥路，构成;平衡电桥

2.扩散硅差压变送器

扩散硅差压变送器由用来进行压力检测的扩散硅压阻式传感器（半导体硅杯、电桥检 测电路）、信号放大电路和标准电流输出电路组成，典型电路如图3-34所示。

在差压变送器中，测量电桥由 1mA的恒流源供电，硅膜片未受差 压时，R1=R2=R3=RA,电桥平衡， 左右桥臂支路电流相等，I1=I2=0. 5mA。有差压时，R3阻值减小， 汉4增加，因/2不变引起6点电位升 高；同时，由于及2增加，A减小， A不变，引起a点电位下降。ab两 点间的电压输人到运算放大器A， 放大后的输出电压经过晶体管VT转 换成3 ~ 19mA的电流，此电流流过

负反馈电阻A,导致&点电位下降，直至M两点间的电压接近为零嶋恒流源保证电桥的总 电流为1mA，于是变送器的总电流为4 ~20mA，此输出电流的大小与差压成线性关系。

压力计的校验和使用

为了保证压力测量值的统一，必须要有*的压力基准，以此作为压力测量的zui高标 准。压力基准是用活塞式压力计建立起来的^从国家压力基准到工业生产现场压力仪表的校验、标定传递系统中，作为标准压力计量仪器的活塞式压力计占有重要的地位

活塞式压力计及压力计的校验

活塞式压力计是基于流体静力学平衡原理和帕斯卡定律，利用压力作用在活塞上的力与 砝码的重力相平衡的原理来测压力。活塞式压力计是压力计量中的基准仪器，也是一种标准 压力发生器，用来检验其他仪表，一般不能直接测量压力。它具有精度高（可达0.02%)，

技术性能稳定，测量范围广（0.5 x 104 ~109Pa)等特点，因此，在计量 部门或仪表制造及使用中得到了广

乏应用福

1.活塞式压力计的结构及原理

活塞式压力计主要由活塞测量 系统（包括按码、测量活塞和活塞 筒等）和压力发生泵（包括手摇泵、 油杯组件）组成，如图3-35所示。

活塞式压力计中的压力发生泵， 是通过加压手轮12旋转丝杆11，推 动加压活塞10挤压内腔中的工作液， 以产生所需的压力，根据流体静力 学中液体压力传递平衡原理，该外 加压力经工作液均匀地传递给测量

系统中的活塞和被校压力计。当测量系统中活塞3和砝码托盘2本身的重量，以及加在托盘 上的砝码1的重量作用在活塞上的力与压力发生泵所产生的力相等时，测量活塞3浮起 在某一位置上_这时；作液的压力为

式中，G为活塞（包括砝码托盘）的重量和砝码的重量；S。为活塞的有效面积。

从式（3-40)可知，由于砝码和活塞的重量C可利用精密天平来地标定，活塞的 有效面积A可通过对活塞式压力计的标定计算得到，所以压力也就准确地测量出来。一般 =lcm2或0. 1cm2。活塞筒内的工作液一般采用洁净的变压器油或蓖麻油等gj:

在校验压力计时，通过被校压力计上的指示值与这一标准压力值P相比较，就可知道 被校压力计的误差大小。

作为标准压力计量仪器的活塞式压力计，精度为0.002%。此外还有作为国家基准器的 活塞式压力计，zui高精度为0.005%, I级标准精度为0.01 %，II级标准精度为0.05%，I 级标准精度为0.2% A—般工业用仪表，用m级标准精度活塞式压力计校准。

在进行高精度校验时，要注意用活塞式压力计进行校验时可能会产生误差的一些因素。 这些因素有：重力加速度变化带来的校验误差，重力加速度与校验地的海拔、纬度有关，如 海拔越高，重力加速度越小，校验误差会增加|此外，温度变化会影响活塞的有效面积，空 气对砝码会有一定的浮力作用，这些都是影响校验精度的一些因素。

2. 活塞式压力计校验压力计的方法

用活塞式压力计校验压力计时，要严格遵循下列操作规程

1) 测量前，将活塞式压力计水平放置，观察水准器中的气泡是否位于中心，若偏离， 调节底盘上的支撑螺钉，使压力计处于水平位置，确保测量活塞筒处于铅直位置。

2) 把工作液（变压器油或麻油）灌入油杯，反复旋转手轮，以排除测量系统内腔的空气。

3) 用加压泵加压，检查油路是否畅通，并装上被校压力计：

4) 将进油阀打开，逆时针旋转手轮，将油吸人油路：

5) 关闭进油阀，顺时针旋转手轮产生压力，加上砝码即可进行校验。

6) 把砝码加到托盘上，所加砝码重量加上活塞、托盘的重量应与所校验的压力值相对 应，再旋转手轮加压，使托盘升起，并与定位指示板刻度线相齐。同时，为了减小活塞与活 塞筒之间的摩擦阻力，应使托盘以不小于30r/min的角速度向顺时针方向旋转。

7) 活塞式压力计的活塞杆、底盘、砝码等必须根据其出厂的编号配套使用，不能互换。

3. 活塞式压力计的保养维修

活塞式压力计有0.02和0.05级精度，使用中为了确保精度并延长使用寿命，应注意下列几点：

1) 使用前必须熟悉使用操作方法和注意事项。

2) 为避免损坏活塞测量系统，托盘上的砝码要轻拿轻放。

3) 工作液必须按说明书规定使用，不得错用。工作液必须经过滤，才可使用，不准混有杂质，并应定期更换。