?。?、分　類

　　壓力（差壓）變送器的作用，簡單來說就是通過彈性測壓元件的位移或受力變?yōu)闃藴孰娦盘枴０唇M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。若按照信號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

　?。?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，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(zhuǎn)換為力Ｆｉ作用于杠桿左端Ａ點，使杠桿繞支點Ｏ作逆時針旋轉(zhuǎn)，稍一偏轉(zhuǎn)，位于杠桿右端的位移檢測元件便有感覺，使電子放大器產(chǎn)生一定的輸出電流Ｉ０。此電流流過反饋線圈和變送器的負載，并與*磁鐵作用產(chǎn)生一定的電磁力，使杠桿Ｂ點受到反饋力Ｆｆ，形成一個使杠桿作順時針轉(zhuǎn)動的反力矩。由于位移檢測放大器極其靈敏，杠桿實際上只要產(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，輸出電流Ｉ０正比于被測壓力Ｐ。

　　這種閉環(huán)的力平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，首先在于當彈性材料的彈性模數(shù)溫度系數(shù)較大時，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建立的，當位移檢測放大器非常靈敏時，杠桿的位移量很小，若整個彈性系統(tǒng)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影響這類變送器的精度。此外，由于變換過程中位移量很小，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，還可減少彈性遲滯現(xiàn)象，減小儀表的變差。為了說明上述道理，可畫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點的Ｆｉ，此力再乘上對支點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。當杠桿轉(zhuǎn)動時，位移檢測點Ｃ處就有位移ｄ＝ｌＯＣ×θ，其中ｌＯＣ為檢測點Ｃ到支點Ｏ的距離。該位移被檢測并轉(zhuǎn)換為電流輸出Ｉ０。

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

　　由圖２可寫出其閉環(huán)傳遞函數(shù)

　　當開環(huán)增益很大，即１τ×ｌＯＣ×Ｋ×ｆ×ｌＯＢ＞＞１時，上式可簡化為

　　由此可知，這種變送器具有一切閉環(huán)系統(tǒng)的共同特點，即在開環(huán)增益足夠大時，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)無關(guān)。在圖２中，杠桿系統(tǒng)（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(shù)Ｋ都處于正向通道內(nèi)，只要開環(huán)增益足夠大，它們的變化不會影響輸出值Ｉ０。因此，彈性測量元件的彈性模數(shù)隨溫度的變化，不會影響儀表的精度［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，磁鐵的磁場強度均勻穩(wěn)定，力臂的長度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環(huán)的，先將彈性測壓元件的位移轉(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。由于當時材料質(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性和變差都比較大。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，材料彈性模數(shù)隨溫度變化的問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，其彈性模數(shù)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。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)點所在。作為這種新的位移式變送器的例子，圖３示出了一個電容式差壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)。被測壓力Ｐ１、Ｐ２分別加于左右兩個隔離膜片上，通過硅油將壓力傳送到測量膜片。該測量膜片由彈性溫度穩(wěn)定性好的平板金屬薄片制成，作為差動可變電容的活動電極，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，它與兩個固定電極間的電容量一個增大，一個減小，通過引出線測量這兩個電容的變化便可知道差壓的數(shù)值。

　　這種差壓變送器的結(jié)構(gòu)和力平衡式相比有一突出的優(yōu)點，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，使用了彈性密封膜片，這帶來一個棘手的問題———靜壓誤差。由于密封膜片在壓力作用下的變形，會使杠桿產(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，還會對杠桿造成附加的偏轉(zhuǎn)力。盡管兩個測量室的壓力差為零，即Ｐ１-Ｐ２＝０時，只要Ｐ１、Ｐ２的值不為零，杠桿上就會受到偏轉(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，這是一個十分麻煩的問題。在圖３的電容式傳感器中，因為沒有輸出軸，所以靜壓誤差的問題比較容易解決，整個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的作用下移動一個距離Δｄ，由于位移很小，可近似認為兩者作比例變化，即可寫成：Δｄ＝Ｋ１Ｐ，這里Ｋ１為比例常數(shù)。這樣，可動極板（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(shù)決定的常數(shù)。聯(lián)立解上列關(guān)系式，可得出差壓Ｐ與差動電容Ｃ１、Ｃ２的關(guān)系如下

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

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