差壓變送器入門指南

本文是一份簡單明了的非正式指南，附有插圖，旨在幫助初學(xué)者了解差壓變送器的原理。

1.什么是壓力？

當(dāng)一個(gè)區(qū)域受到力的作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓力。這意味著我們可以通過增加力或減少面積來增加壓力。我們還傾向于從重量的角度來考慮力（只有在重力不變的情況下才是如此）。例如，重力作用在 1 英寸 x 1 英寸（1 平方英寸）上時(shí)，1 磅的重量所產(chǎn)生的力會(huì)產(chǎn)生 1 磅/平方英寸的壓力，通常寫成 1 Psi（每平方英寸 1 磅）。如果同樣是 1 磅的力只作用在一半的面積上，我們實(shí)際上可以說壓力等于 2 Psi。在日常生活中，我們可能會(huì)將汽車輪胎打到 26 Psi。

我們也會(huì)遇到天氣壓力（或大氣壓力）。這可以看作是大氣對我們頭部的壓力。隨著大氣壓力的變化，天氣也會(huì)發(fā)生變化。氣壓高通常指晴天，氣壓低則指陰天。

回到我們的汽車輪胎，有兩種壓力作用在輪胎壁上。一個(gè)是輪胎外部的大氣壓力，另一個(gè)是我們給輪胎打氣時(shí)從壓力表上讀出的壓力。

2.壓力測量有哪些不同類型？

通過上面的例子，我們可以說明 3 種壓力測量類型。

1. a) 壓力表壓力 - （輪胎內(nèi)的壓力）或（絕對壓力與大氣壓力之差）
2. b) 絕對壓力 - （大氣壓力和輪胎壓力的總和）
3. c) 差壓 - （任何兩個(gè)測量壓力之間的差值）

但它們都是相互關(guān)聯(lián)的

1. a) 表壓以大氣壓力為基準(zhǔn)進(jìn)行測量（請參見圖 3）。

測量大氣壓力和輪胎之間差值的壓力測量稱為表壓。為避免混淆，我們通常在測量單位后添加 “g”，例如：磅/平方英寸表壓（Psig）。

如圖 3 所示，所有測量表壓的壓力表、傳感器、換能器和變送器實(shí)際上測量的是大氣壓力與被測壓力之間的差值。

1. b) 絕對壓力以真空為基準(zhǔn)進(jìn)行測量。

在某些應(yīng)用中，大氣壓力的變化可能很重要。在這種情況下，我們可以測量真空和輪胎之間的差值。如圖 2 所示，這稱為絕對壓力測量，其效果是將大氣壓力與輪胎壓力相加。

因此，絕對壓力等于表壓和大氣壓力。

1. c) 差壓不是以特定參考壓力為基準(zhǔn)進(jìn)行測量的（見 Fg.4）。

與表壓或絕對壓力變送器不同，差壓變送器并不試圖固定參考壓力。重要的是，壓差的增加可能是增加其中一個(gè)壓力或減少另一個(gè)壓力的結(jié)果。

如果 P1 變小或 P2 變大，壓差就會(huì)增加。同樣，如果 P1 變大或 P2 變小，也會(huì)導(dǎo)致壓差減小。壓差測量并不關(guān)心兩個(gè)壓力中較低的一個(gè)是真空壓力、大氣壓力還是其他壓力。它只關(guān)心兩者之間的差值。如圖 4 所示:

差壓測量的基本原理已經(jīng)確立。

并非所有測量壓差的差壓變送器、壓力表、傳感器和換能器都能如圖 4 所示實(shí)際測量兩個(gè)壓力之間的差值。有些設(shè)備試圖測量兩個(gè)表壓，然后通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出差值。我們認(rèn)為這種方法存在缺陷，因?yàn)樗怂膫€(gè)壓力測量值的不確定性。

3.差壓 (DP) 測量用于何處？

差壓測量主要用于家庭和工業(yè)應(yīng)用。它通常是流量、液位、密度、粘度甚至溫度等其他測量的基礎(chǔ)。常見的是液位和流量。

DP 流量測量（圖 5）是差壓變送器常見的應(yīng)用之一。通過測量流體流經(jīng)管道時(shí)的壓力差，可以計(jì)算出流量。

差壓流量計(jì)有一個(gè)主元件和一個(gè)輔助元件。一般來說，主元件的設(shè)計(jì)目的是在流量增加時(shí)產(chǎn)生壓力差。一次元件有很多種，常見的有孔板、文丘里管、流量噴嘴和皮托管。

流量計(jì)的二級元件是差壓變送器。其設(shè)計(jì)目的是盡可能精確地測量主元件產(chǎn)生的壓差。尤其重要的是，差壓測量不受流體壓力、溫度或其他屬性（如環(huán)境溫度）變化的影響。

好的 dp 變送器可以確保準(zhǔn)確測量壓差，而不受其他變化參數(shù)的影響，并能可靠地傳輸代表壓差的信號。對于 dp 流量變送器，輸出信號可能還包括平方根提取。盡管如今這一功能通常由 Dcs 系統(tǒng)的流量計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

工業(yè) DP 變送器的輸出信號可能是 4-20mA 信號，但也可能包括數(shù)字通信，如 HART、Profibusm 現(xiàn)場總線、Modbus 485 RTU 或許多其他通信協(xié)議之一。其目的是提供電信號，以便傳輸?shù)竭h(yuǎn)程過程控制儀表。見圖 5。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了什么是差壓以及差壓的使用方法，現(xiàn)在可以將注意力集中到差壓變送器本身了。

4.什么是差壓變送器？

差壓變送器是常見、有用的工業(yè)壓力測量儀器。這種設(shè)備可以感應(yīng)兩個(gè)端口之間的壓力差，并根據(jù)校準(zhǔn)的壓力范圍產(chǎn)生輸出信號。

工業(yè)差壓變送器由兩個(gè)外殼組成（見圖 6）。壓力傳感元件位于下半部分，電子元件位于上半部分。變送器有兩個(gè)壓力端口，分別標(biāo)為 “高 ”和 “低”。并不強(qiáng)制要求高壓端口始終處于高壓，低壓端口始終處于低壓。這種標(biāo)記與端口對輸出信號的影響有關(guān)。圖 7 說明了這一點(diǎn)（請參見圖 7）。

5.差壓變送器的結(jié)構(gòu)：

差壓變送器有三個(gè)功能部件。

1) 直接壓力傳感元件（位于外殼下部）。

大多數(shù)工業(yè)差壓變送器都配有膜片作為壓力傳感元件。膜片是一種機(jī)械裝置。它位于兩個(gè)壓力入口之間。膜片會(huì)因施加的壓力而偏轉(zhuǎn)。

如圖 7 所示。這種偏轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換成電信號。這通常由傳感器完成。常用的傳感器有 (a) 應(yīng)變計(jì) (b) 差分電容 (c) 振動(dòng)線。傳感器的輸出與施加的壓力成正比。

2) 電子裝置： 傳感器在下腔產(chǎn)生的電信號范圍僅為毫伏。

該信號將放大至 0-5V 或 0-10V 范圍，或轉(zhuǎn)換為 4-20mA 信號，以傳輸至遠(yuǎn)程儀器。上部外殼是 DP 變送器的變送器部分，其中包含電子單元。詳見圖 7。

3) 兩線制 4-20mA 電流變送器：

產(chǎn)生的直流輸出電流與差壓變送器的壓力范圍成正比。下限為 4mA，上限為 20mA。這種受控電流輸出不受負(fù)載阻抗變化和電源電壓波動(dòng)的影響。該 4-20mA 輸出與 BRAIN 或 HART FSK 協(xié)議的數(shù)字通信相疊加。

6.差壓變送器的工業(yè)應(yīng)用：

• 差壓變送器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不受限制。
• 陸上、海上和海底應(yīng)用中的石油和天然氣流量計(jì)量。
• 水和污水處理廠。主要用于監(jiān)控這些工廠的過濾器。
• 用于監(jiān)控噴灑滅火系統(tǒng)。
• 遠(yuǎn)程感應(yīng)蒸汽或熱水加熱系統(tǒng)。
• 可監(jiān)測閥門的壓降。
• 泵控制監(jiān)控。