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　?。?、分　類(lèi)

　　壓力（差壓）變送器的作用，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)彈性測壓元件的位移或受力變?yōu)闃藴孰娦盘?。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(lèi)。而在玻璃生產(chǎn)線(xiàn)中，我們基本均使用位移式變送器。其中按照測量精度和對象又可分為微差壓變送器、差壓變送器和壓力變送器三類(lèi)。若按照信號傳輸和供電模式又可分為兩線(xiàn)制變送器和四線(xiàn)制變送器兩種。

　?。?、原　理

　?。?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(xiàn)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。被測壓力Ｐ經(jīng)波紋管轉換為力Ｆｉ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，稍一偏轉，位于杠桿右端的位移檢測元件便有感覺(jué)，使電子放大器產(chǎn)生一定的輸出電流Ｉ０。此電流流過(guò)反饋線(xiàn)圈和變送器的負載，并與*磁鐵作用產(chǎn)生一定的電磁力，使杠桿Ｂ點(diǎn)受到反饋力Ｆｆ，形成一個(gè)使杠桿作順時(shí)針轉動(dòng)的反力矩。由于位移檢測放大器極其靈敏，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。當杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，輸出電流Ｉ０正比于被測壓力Ｐ。

　　這種閉環(huán)的力平衡結構的優(yōu)點(diǎn)，首先在于當彈性材料的彈性模數溫度系數較大時(shí)，可以減小溫度的影響。因為這里的平衡狀態(tài)不是靠彈性元件的彈性反力來(lái)建立的，當位移檢測放大器非常靈敏時(shí)，杠桿的位移量很小，若整個(gè)彈性系統的剛度設計得很小，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。這樣，彈性元件的彈性力隨溫度的漂移就不會(huì )影響這類(lèi)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(xiàn)性度也比較好。由于位移量小，還可減少彈性遲滯現象，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)結構如圖２所示。北側壓力Ｐ乘上波紋管的有效面積Ｓ便得到作用于Ａ點(diǎn)的Ｆｉ，此力再乘上對支點(diǎn)Ｏ的距離ｌＯＡ

　　即為作用力矩Ｍｉ＝Ｆｉ×ｌＯＡ作用力矩Ｍｉ與反饋力矩Ｍｆ之差ΔＭ使杠桿繞Ｏ點(diǎn)旋轉，轉角θ＝Δｍ／τ。這里τ是杠桿系統的扭轉剛度，它的大小表示要使杠桿產(chǎn)生單位轉角所需的力矩。當杠桿轉動(dòng)時(shí)，位移檢測點(diǎn)Ｃ處就有位移ｄ＝ｌＯＣ×θ，其中ｌＯＣ為檢測點(diǎn)Ｃ到支點(diǎn)Ｏ的距離。該位移被檢測并轉換為電流輸出Ｉ０。

　　圖中Ｋ表示位移檢測放大器的傳遞系數。輸出電流Ｉ０流過(guò)反饋線(xiàn)圈，產(chǎn)生電磁反饋力Ｆｆ＝ｆ×Ｉ０，其中ｆ為電磁鐵的傳遞系數。此力乘力臂ｌＯＢ即為反饋力矩Ｍｆ。

　　由圖２可寫(xiě)出其閉環(huán)傳遞函數

　　當開(kāi)環(huán)增益很大，即１τ×ｌＯＣ×Ｋ×ｆ×ｌＯＢ＞＞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)節及反饋環(huán)節的傳遞函數，而與正向通道環(huán)節的傳遞函數無(wú)關(guān)。在圖２中，杠桿系統（包括彈性測量元件）的剛度τ和位移檢測放大器的傳遞系數Ｋ都處于正向通道內，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，彈性測量元件的彈性模數隨溫度的變化，不會(huì )影響儀表的精度［１］。從上面的分析看到，在力平衡變送器中，只要測壓元件的有效面積Ｓ能保持恒定，磁鐵的磁場(chǎng)強度均勻穩定，力臂的長(cháng)度ｌＯＡ、ｌＯＢ不變，便可得到較好的變換精度。

　?。?２　位移式差壓（壓力）變送器

　　*早的電信號壓力計都是開(kāi)環(huán)的，先將彈性測壓元件的位移轉換為電感、電阻或電容的變化，再經(jīng)一定的電路轉換后輸出。由于當時(shí)材料質(zhì)量和工藝水平都不高，彈性元件的彈性模數隨溫度變化很大，因而平衡位置受溫度影響大，即輸出的溫度漂移較大。另外，早期的位移測量技術(shù)不高，測壓元件必須有足夠大的變形才能測量，因而使彈性元件的非線(xiàn)性和變差都比較大。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料彈性模數隨溫度變化的問(wèn)題獲得了很大的改善，例如鎳鉻鈦鋼等材料的彈性模數溫度系數小于０．２×１０－４℃－１，因而在環(huán)境溫度變化時(shí)，其彈性模數幾乎可認為不變。此外，電子檢測技術(shù)的發(fā)展，使微小位移的檢測成為可能，彈性元件只要有０．１ｍｍ左右的位移便可*地測量出來(lái)。由于變形小，非線(xiàn)性和彈性遲滯引起的變差都可以大大減小。而其結構的簡(jiǎn)單，運行的可靠，維護的方便，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)電容式差壓傳感器的基本結構。被測壓力Ｐ１、Ｐ２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量膜片。該測量膜片由彈性溫度穩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。當測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(xiàn)測量這兩個(gè)電容的變化便可知道差壓的數值。

　　這種差壓變送器的結構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 )對杠桿造成附加的偏轉力。盡管兩個(gè)測量室的壓力差為零，即Ｐ１-Ｐ２＝０時(shí)，只要Ｐ１、Ｐ２的值不為零，杠桿上就會(huì )受到偏轉力，由這種附加力引起的誤差就稱(chēng)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，因為沒(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，設測量膜片在差壓Ｐ的作用下移動(dòng)一個(gè)距離Δｄ，由于位移很小，可近似認為兩者作比例變化，即可寫(xiě)成：Δｄ＝Ｋ１Ｐ，這里Ｋ１為比例常數。這樣，可動(dòng)極板（測量膜片）與左右固定極板間的

　　式中，Ｋ２是由電容器極板面積和介質(zhì)介電系數決定的常數。聯(lián)立解上列關(guān)系式，可得出差壓Ｐ與差動(dòng)電容Ｃ１、Ｃ２的關(guān)系如下

　　這里Ｋ３＝Ｋ１／ｄ０也是一個(gè)常數。由上式可知，電容式壓力變送器的任務(wù)其實(shí)就是將（Ｃ２－Ｃ１）對（Ｃ２＋Ｃ１）的比式轉換為電壓或電流。

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