對任何工業(yè)來說，測量壓力是儀器儀表的最基礎(chǔ)的一項(xiàng)功能。從一家煉油廠到一臺(tái)
推土機(jī)，對壓縮空氣，液壓機(jī)液體，過程液體，蒸汽或其他任何介質(zhì)的壓力測量，是件非常普通的事情，并且對所有形式的控制過程都起著非常重要的作用。所以，現(xiàn)在壓力測量設(shè)備無處不在，而且有很多種的選擇。大概地回顧一下技術(shù)可以讓壓力設(shè)備得到更好的應(yīng)用，盡管可能會(huì)有些特殊的例外點(diǎn)。
壓力，機(jī)械術(shù)語上也稱作壓縮應(yīng)力，其特殊的特性會(huì)對其測量的方法有影響：
■壓力測量通常需要確定單位面積下的單位力
■靜態(tài)和流動(dòng)的液體中都存在壓力測量的問題
■液體壓力通常是用其與其它的東西比較得出差壓值。
兩種形式的壓力測量可以分為三類：
■絕對壓力是對于絕對真空得出的測量值，它完全消除了大氣壓力值對測量的影響。在一些應(yīng)用場合下，絕對壓力的讀數(shù)對控制過程上下之間的聯(lián)系很有幫助，所以這種方法是研究或設(shè)計(jì)時(shí)的首選。但是要在傳感器盒內(nèi)安裝一個(gè)全真空的部分是很不實(shí)際的，傳感器通常是用一個(gè)固定的校正系數(shù)或者用更為復(fù)雜的單元測量大氣壓力值來對儀表讀數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
■差壓是指一個(gè)區(qū)域或容器內(nèi)的壓力與另外一個(gè)之間的比較。其讀數(shù)就是這兩者之間的差值，并且即不需要考慮這兩者任何一方對應(yīng)的大氣壓值也不需要考慮其真空值。
■表壓，是差壓的一種形式，它是指一個(gè)區(qū)域或容器內(nèi)的壓力與大氣壓之間的比較。這個(gè)是最實(shí)用的一種形式。
兩種壓力測量最常用的計(jì)量單位是psi和bar。前者現(xiàn)在在美國是常用的，但是后者現(xiàn)在正變得越來越通用。bar由于其數(shù)值表示更為便捷，現(xiàn)在已經(jīng)大范圍地取代了帕和千帕。還有許多其他的計(jì)量單位，但是這些都是使用在特殊場合下的。psi和bar都使用后綴“a”或“g”來表示絕對壓力或表壓。當(dāng)沒有后綴時(shí)，默認(rèn)為表壓。
差壓值的測量不需要確定絕對壓力值或表壓值，因?yàn)閮烧咧g的測量只需要直接比較就可以了。其讀數(shù)就是兩者之間的差值，無法得出兩者各自的值。假設(shè)兩個(gè)容器之間的差壓值為50psi，一個(gè)容器內(nèi)可能為10psi另一個(gè)為60psi，或者是一個(gè)為5000psi另一個(gè)為5050psi。如果沒有
其他傳感器的話是沒有辦法確定相對于大氣壓的值的。差壓通常使用后綴“d”。
通常地，機(jī)械儀表都標(biāo)配有曲面波登管，也有許多其他可用的配置。雖然有許多形式的儀表，但是電子式的最為常用。
圖1：傳統(tǒng)的機(jī)械表使用的是一個(gè)彎曲的，閉合的“波登管”，
當(dāng)內(nèi)部壓力增加的時(shí)候，可能會(huì)使其變直。
精度，測量范圍和安全
電子壓力儀表和機(jī)械儀表在表示精度時(shí)都是一樣的：按百分比確定誤差值。例如，一個(gè)高品質(zhì)的0－500psi的機(jī)械儀表的精度為滿量程的±0.5%。這就意味著在其測量范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)其誤差范圍為5psi（±2.5 psi）。電子傳感器和變送器通常也使用這樣的精度規(guī)范。由于量程與精度掛鉤，所以在允許的壓力波動(dòng)或突變范圍內(nèi)，選擇測量范圍離實(shí)際值最接近的儀器是非常重要的。換句話說，如果你的過程是運(yùn)行在75psi壓力下的話，你選用精度都一樣的0－100psi的表會(huì)比0－500psi的表要好。在選擇和使用壓力儀器時(shí)，錯(cuò)誤的量程選擇是最常見的一種錯(cuò)誤。只考慮成本的采購商會(huì)為了減小成本而選擇一種壓力儀器，然后試著將其應(yīng)用于一個(gè)很廣的使用范圍。這樣的結(jié)果使精度得不到保證。
一些變送器可以通過調(diào)節(jié)電路來調(diào)節(jié)其測量范圍。比如說，一個(gè)設(shè)計(jì)為可以測量0－500psi的元器件可以通過調(diào)節(jié)讓其只顯示0－300的量程。這樣可以在4～20mA信號上得出相應(yīng)的讀數(shù)區(qū)間，但并不是真正的增加了精度。大多數(shù)情況下，其最大的誤差值將會(huì)和滿量程0－500的誤差值一樣。
圖2：這個(gè)壓縮空氣罐有絕壓和表壓兩個(gè)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)表壓改變到100psig
時(shí)，絕壓讀數(shù)改變到114.7psia。如果這個(gè)罐拿到外太空去，那么兩個(gè)轉(zhuǎn)
換器的讀數(shù)都是114.7psi，因?yàn)樗鼈兌际窍鄬τ诮^對真空得到的值。
GE-Druck 公司的生產(chǎn)經(jīng)理Tom Reid說：“在你汽車輪胎里可能裝有2個(gè)或者3個(gè)傳感器，他們會(huì)給你的汽車儀表盤一個(gè)反饋信號。你不需要對你的右輪胎里的壓力降低進(jìn)行精確或快速的響應(yīng)。”同樣的，你也可以將這個(gè)應(yīng)用在只需要大致了解一個(gè)容器內(nèi)的壓力的情況下。只要機(jī)械結(jié)構(gòu)和外殼支持，那么就不會(huì)有其他問題了。所有這些都是取決于這個(gè)過程是否需要精密的壓力測量。
威卡儀表公司壓力方面的專家Victor Miller強(qiáng)調(diào)：對一個(gè)應(yīng)用的深入理解將如何決定測量范圍和重現(xiàn)性的重要性。“用戶通常不考慮在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化，”他說，“當(dāng)液體正在流動(dòng)時(shí)，閥門的突然關(guān)閉或開啟，會(huì)使液體產(chǎn)生一個(gè)壓力突變，然后以聲速在系統(tǒng)內(nèi)傳播，這可能使傳感器損壞或至少使其超出了，”相對于動(dòng)態(tài)環(huán)境來說，靜態(tài)環(huán)境下和可壓縮流體不需要對壓力突變的情況進(jìn)行很多的保護(hù)。
選擇一個(gè)壓力儀器
一旦你決定在特定場合進(jìn)行壓力測量時(shí)，你除了可以從測量范圍和精度方面來選擇合適的設(shè)備，也可以從其他性能方面來進(jìn)行選擇。其他可考慮的方面如下：
材質(zhì)。儀表對接觸液體部件的材質(zhì)（即與過程液體接觸的部件）有特殊的規(guī)定。現(xiàn)今已有了一個(gè)很廣泛的選擇范圍來適應(yīng)不同強(qiáng)度的液體或氣體。由于工廠的使用環(huán)境可能存在腐蝕性氣體，那么也可以選擇不同的外殼以防來自外部的破壞。特殊的材料價(jià)格很昂貴，因此請合理的選擇。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)。許多傳感器會(huì)帶有內(nèi)部凹槽，在正常運(yùn)行時(shí)里面充滿了過程液體。如果液體流動(dòng)是緩慢的話，那么少量的滯留液體是可以允許存在的，因?yàn)槠洳粫?huì)對產(chǎn)品產(chǎn)生不良的影響。但是一些要求嚴(yán)格的過程是不允許這個(gè)存在的。傳感器通常帶有液體隔離膜并安裝在內(nèi)部以防止液體滲入及對過程流體的影響降到最低。隔離膜也可以是一個(gè)附件。
外殼。一個(gè)廢水處理廠和一個(gè)煉油廠對于安全等級的需要是不同的。對于一個(gè)需要隔爆型或本安型儀器的應(yīng)用場合，有許多的儀器可供選擇。而且很多公司都很清楚地知道在哪里使用什么樣的儀器。另一方面，如果不存在可能爆炸的環(huán)境的話，可供選擇的儀器就會(huì)更多。一個(gè)元器件是否龐大很大程度上取決于其輔助電子設(shè)備是否需要進(jìn)行通訊。如一個(gè)只有一個(gè)4－20mA輸出引線的簡單傳感器就可以做得很小，但是一個(gè)可以與現(xiàn)場
總線連接的智能型變送器就需要做得很大來安裝其附加的電路部分。
安裝連接件。儀器通常是使用1/8～1/2英寸NPT或BSPT管螺紋接頭。但是也有其他在特殊應(yīng)用場合使用的接頭規(guī)格可供選擇，如sanitary三夾箝式和其他一些法蘭結(jié)構(gòu)。
圖3：一個(gè)差壓變送器有兩個(gè)輸入信號來比較兩個(gè)容器內(nèi)的壓力，
但是它不能同時(shí)也表示出兩個(gè)容器內(nèi)相對于大氣壓的壓力值。
通訊。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都是使用4－20mA信號傳輸數(shù)據(jù)的。如果使用了這個(gè)信號，那么為了使傳輸更可靠，就需要附加一個(gè)信號調(diào)整電路。變送器通常使用的通訊方法有現(xiàn)場總線，無線網(wǎng)絡(luò)或HART協(xié)議。
傳感技術(shù)。現(xiàn)在大約有10種將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號的技術(shù)，但是沒有一種是通用的。儀器制造商趨向于使用一或兩種技術(shù)使其既能滿足性能要求也同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。他們正努力最優(yōu)化性能，最小化缺點(diǎn)。產(chǎn)品特性性能介紹時(shí)通常不會(huì)提到所使用的是哪項(xiàng)技術(shù)。ABB公司產(chǎn)品經(jīng)理Allen Hood說：“現(xiàn)在最重要的事情是對已有的傳感技術(shù)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，”，他說“在以前，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)是足夠了，但是現(xiàn)在由于需要適合各種不同的范圍所以出現(xiàn)了很多種可用的傳感技術(shù)。智能變送器內(nèi)部的微處理器彌補(bǔ)傳感器的缺點(diǎn)使得制造商們可以把精力放在其他方面上。”
安裝，附加軟件，維護(hù)
正確的安裝儀器有時(shí)和選擇正確的儀器是一樣重要的。測量壓力的儀器通常是與斷開裝置安裝在一起的，尤其是在連續(xù)過程中。這樣的話儀器就可以不用中斷過程來進(jìn)行校正，修理或更換。如果是在一個(gè)斷斷續(xù)續(xù)的過程下的話，這樣的做法并不是必須的，儀器可以直接安裝在流體內(nèi)。從管道到傳感器那一段叫做脈沖線，它是作為在沒有足夠空間安裝變送器時(shí)的措施。但是，脈沖線的使用必須相當(dāng)謹(jǐn)慎：
■使脈沖線盡可能的短。
■如果過程流體是液體的話，請確認(rèn)所有的氣體都已排空。
■如果你需要在一個(gè)更舒適的位置讀數(shù)據(jù)的話，請延長電纜而不是脈沖線。
■在高溫環(huán)境下，尤其是蒸汽環(huán)境下，請確定脈沖線可以被當(dāng)成虹吸管來使用。
附件可以簡化安裝或起到保護(hù)設(shè)備的作用。以下是幾個(gè)例子：
截?cái)嗪托狗砰y—一種安裝在脈沖線上的閥門，一旦過程連接件關(guān)閉它可以讓傳感器的壓力釋放掉。
緩沖器—一種阻礙流體流向傳感器的裝置，主要是抑制震動(dòng)來延長傳感器壽命。當(dāng)應(yīng)用得當(dāng)，不但所得的讀數(shù)是正確的，同時(shí)也不會(huì)損傷傳感器膜片。
隔膜密封件—安裝在傳感器下面來傳輸壓力并且阻止過程流體滲入到傳感器內(nèi)的一種膜片。當(dāng)使用這個(gè)附件時(shí)，傳感器需要充滿某種惰性液體，通常是用硅油來傳輸系統(tǒng)壓力。
過壓保護(hù)器—當(dāng)出現(xiàn)過壓情況時(shí)在傳感器損壞前會(huì)自動(dòng)關(guān)閉的一個(gè)彈簧閥，主要用于可能存在壓力突變的過程中。
歧管—一種將復(fù)雜的管道變成差壓計(jì)的設(shè)備，其通常與內(nèi)置閥一起安裝以便于實(shí)現(xiàn)切斷，泄壓和均衡壓力的功能。
圖5：差壓變送器經(jīng)常使用歧管來減少連接件。這歧管包括閥門來隔離任一邊或如果需要的話均衡內(nèi)部壓力。
當(dāng)兩個(gè)隔離閥都關(guān)閉時(shí)，在沒有釋放過程壓力的情況下，也可以移走變送器。
維護(hù)和校正的差異很大，這主要取決于單個(gè)儀器及整個(gè)過程的需要。一個(gè)次要環(huán)節(jié)中的設(shè)備可以工作很多年而不必過分關(guān)注。而對于一個(gè)對精度要求很高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，變送器可能需要進(jìn)行周期性的校正。然而，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換器和變送器需要在原廠進(jìn)行高精度的校正，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大部分車間內(nèi)部維護(hù)部門的能力范圍。因此通常試圖對性能進(jìn)行改進(jìn)的結(jié)果是只能使其變得更糟。由知名廠家生產(chǎn)的需要經(jīng)常維護(hù)的設(shè)備，有時(shí)更容易被損壞，更容易不正當(dāng)安裝，以致影響傳輸可靠數(shù)據(jù)的能力。
智能診斷
智能儀器說的是一個(gè)設(shè)備除了傳輸單獨(dú)的過程變量還有其他很多功能。但是
壓力傳感器如何使用這種設(shè)備？還有其他什么需要測量的？
“無論何時(shí)發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤或事件需要操作工或維護(hù)員進(jìn)行操作的時(shí)候，我們通常需要了解引起這個(gè)的原因及防止這種情況以后再次發(fā)生。”艾默生過程管理公司高級營銷經(jīng)理，Paul Schmeling 說，“因?yàn)閮x器儀表就好像是一個(gè)工廠的‘眼睛’和‘耳朵’，因此我們需要增加其一個(gè)功能，就是對以前的測量或過程有詳細(xì)的觀察。”
一些智能功能當(dāng)和過程結(jié)合起來時(shí)，表現(xiàn)和DCS沒什么兩樣，但是如果儀器是單獨(dú)存在的話，這些功能就相當(dāng)重要。制造商提供的功能都有所不同，以下是一些功能舉例：
■測量及記錄
過壓事件
■對警報(bào)和錯(cuò)誤信號計(jì)數(shù)
■分析系統(tǒng)使信號開始混亂的‘噪聲’
■過程流體及環(huán)境溫度的測量
■壓力值的自校正對溫度的改變來進(jìn)行補(bǔ)償
■內(nèi)部電子元器件功能及硬件的自診斷
■報(bào)警設(shè)置功能
■歷史校正記錄及進(jìn)度表
變送器可以使用一個(gè)協(xié)議如HART或更為復(fù)雜的現(xiàn)場總線將這個(gè)信息與外部通訊。如果是與一個(gè)大型系統(tǒng)相連，或是通過在規(guī)定距離內(nèi)的手提式設(shè)備，通訊就可以是連續(xù)的。
最后，對于選擇一個(gè)壓力測量設(shè)備或任何形式的儀器最好的建議是要了解應(yīng)用的場合需求，如精度，通訊和診斷信號的轉(zhuǎn)換這些信息都寫在說明書內(nèi)。如果不知道這些信息的話，選擇壓力傳感器可能達(dá)不到預(yù)期的目的，并且你可能丟失一些過程控制中的關(guān)鍵元素。
儀表術(shù)語
術(shù)語——傳感器，變送器和轉(zhuǎn)換器，是描述了不同的三個(gè)東西，他們各自的功能并不是一樣的，很容易混淆。以下是對如何分辨他們的一些已經(jīng)普遍認(rèn)可的定義：
傳感器——最基礎(chǔ)的設(shè)備，它用一個(gè)膜片和電子元器件來產(chǎn)生原始信號。它不能單獨(dú)運(yùn)行，只賣給那些OEM工廠。
轉(zhuǎn)換器—一個(gè)帶基本電子元器件的傳感器，可以放大并將原始信號轉(zhuǎn)換為可用的形式，如4－20mA電信號。一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)換器可能只能應(yīng)用于只有一個(gè)模擬過程變量的情況。
變送器—一個(gè)帶有比較復(fù)雜電路的傳感器，無論過程變量是模擬形式的，數(shù)字形式的，硬連線形式的，還是總線形式的都可以進(jìn)行通訊。
智能型變送器－一個(gè)帶有診斷及輔助變量測量功能的變送器。可用HART協(xié)議的變送器是最普通的一個(gè)例子。
儀器—一個(gè)略微廣泛的定義，可以包含轉(zhuǎn)換器，變送
