對任何工業(yè)來說，測量壓力是儀器儀表的最基礎(chǔ)的一項功能。從一家煉油廠到一臺推土機，對壓縮空氣，液壓機液體，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，盡管可能會有些特殊的例外點。
壓力，機械術(shù)語上也稱作壓縮應(yīng)力，其特殊的特性會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)計時的首選。但是要在傳感器盒內(nèi)安裝一個全真空的部分是很不實際的，傳感器通常是用一個固定的校正系數(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)進行調(diào)節(jié)。
■差壓是指一個區(qū)域或容器內(nèi)的壓力與另外一個之間的比較。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，它是指一個區(qū)域或容器內(nèi)的壓力與大氣壓之間的比較。這個是最實用的一種形式。
兩種壓力測量最常用的計量單位是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，默認為表壓。
差壓值的測量不需要確定絕對壓力值或表壓值，因為兩者之間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)兩個容器之間的差壓值為50psi，一個容器內(nèi)可能為10psi另一個為60psi，或者是一個為5000psi另一個為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)的機械表使用的是一個彎曲的，閉合的“波登管”，
當(dāng)內(nèi)部壓力增加的時候，可能會使其變直。
精度，測量范圍和安全
電子壓力儀表和機械儀表在表示精度時都是一樣的：按百分比確定誤差值。例如，一個高品質(zhì)的0－500psi的機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或突變范圍內(nèi)，選擇測量范圍離實際值最接近的儀器是非常重要的。換句話說，如果你的過程是運行在75psi壓力下的話，你選用精度都一樣的0－100psi的表會比0－500psi的表要好。在選擇和使用壓力儀器時，錯誤的量程選擇是最常見的一種錯誤。只考慮成本的采購商會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，一個設(shè)計為可以測量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和滿量程0－500的誤差值一樣。
圖2：這個壓縮空氣罐有絕壓和表壓兩個轉(zhuǎn)換器。當(dāng)表壓改變到100psig
時，絕壓讀數(shù)改變到114.7psia。如果這個罐拿到外太空去，那么兩個轉(zhuǎn)
換器的讀數(shù)都是114.7psi，因為它們都是相對于絕對真空得到的值。
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個或者3個傳感器，他們會給你的汽車儀表盤一個反饋信號。你不需要對你的右輪胎里的壓力降低進行精確或快速的響應(yīng)。”同樣的，你也可以將這個應(yīng)用在只需要大致了解一個容器內(nèi)的壓力的情況下。只要機械結(jié)構(gòu)和外殼支持，那么就不會有其他問題了。所有這些都是取決于這個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強調(diào)：對一個應(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)生的動態(tài)變化，”他說，“當(dāng)液體正在流動時，閥門的突然關(guān)閉或開啟，會使液體產(chǎn)生一個壓力突變，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行很多的保護。
選擇一個壓力儀器
一旦你決定在特定場合進行壓力測量時，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)今已有了一個很廣泛的選擇范圍來適應(yīng)不同強度的液體或氣體。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)。許多傳感器會帶有內(nèi)部凹槽，在正常運行時里面充滿了過程液體。如果液體流動是緩慢的話，那么少量的滯留液體是可以允許存在的，因為其不會對產(chǎn)品產(chǎn)生不良的影響。但是一些要求嚴格的過程是不允許這個存在的。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附件。
外殼。一個廢水處理廠和一個煉油廠對于安全等級的需要是不同的。對于一個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更多。一個元器件是否龐大很大程度上取決于其輔助電子設(shè)備是否需要進行通訊。如一個只有一個4－20mA輸出引線的簡單傳感器就可以做得很小，但是一個可以與現(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3：一個差壓變送器有兩個輸入信號來比較兩個容器內(nèi)的壓力，
但是它不能同時也表示出兩個容器內(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。如果使用了這個信號，那么為了使傳輸更可靠，就需要附加一個信號調(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滿足經(jīng)濟性要求。他們正努力最優(yōu)化性能，最小化缺點。產(chǎn)品特性性能介紹時通常不會提到所使用的是哪項技術(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，”，他說“在以前，現(xiàn)行的標(biāo)準是足夠了，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)部的微處理器彌補傳感器的缺點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
正確的安裝儀器有時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行校正，修理或更換。如果是在一個斷斷續(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的措施。但是，脈沖線的使用必須相當(dāng)謹慎：
■使脈沖線盡可能的短。
■如果過程流體是液體的話，請確認所有的氣體都已排空。
■如果你需要在一個更舒適的位置讀數(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設(shè)備的作用。以下是幾個例子：
截斷和泄放閥—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，同時也不會損傷傳感器膜片。
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)使用這個附件時，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。
過壓保護器—當(dāng)出現(xiàn)過壓情況時在傳感器損壞前會自動關(guān)閉的一個彈簧閥，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的設(shè)備，其通常與內(nèi)置閥一起安裝以便于實現(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)兩個隔離閥都關(guān)閉時，在沒有釋放過程壓力的情況下，也可以移走變送器。
維護和校正的差異很大，這主要取決于單個儀器及整個過程的需要。一個次要環(huán)節(jié)中的設(shè)備可以工作很多年而不必過分關(guān)注。而對于一個對精度要求很高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，變送器可能需要進行周期性的校正。然而，高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換器和變送器需要在原廠進行高精度的校正，這已經(jīng)遠遠超過大部分車間內(nèi)部維護部門的能力范圍。因此通常試圖對性能進行改進的結(jié)果是只能使其變得更糟。由知名廠家生產(chǎn)的需要經(jīng)常維護的設(shè)備，有時更容易被損壞，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設(shè)備除了傳輸單獨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？
“無論何時發(fā)生一個錯誤或事件需要操作工或維護員進行操作的時候，我們通常需要了解引起這個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，“因為儀器儀表就好像是一個工廠的‘眼睛’和‘耳朵’，因此我們需要增加其一個功能，就是對以前的測量或過程有詳細的觀察。”
一些智能功能當(dāng)和過程結(jié)合起來時，表現(xiàn)和DCS沒什么兩樣，但是如果儀器是單獨存在的話，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
■對警報和錯誤信號計數(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行補償
■內(nèi)部電子元器件功能及硬件的自診斷
■報警設(shè)置功能
■歷史校正記錄及進度表
變送器可以使用一個協(xié)議如HART或更為復(fù)雜的現(xiàn)場總線將這個信息與外部通訊。如果是與一個大型系統(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)普遍認可的定義：
傳感器——最基礎(chǔ)的設(shè)備，它用一個膜片和電子元器件來產(chǎn)生原始信號。它不能單獨運行，只賣給那些OEM工廠。
轉(zhuǎn)換器—一個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。一個簡單的 轉(zhuǎn)換器可能只能應(yīng)用于只有一個模擬過程變量的情況。
變送器—一個帶有比較復(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行通訊。
智能型變送器－一個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例子。
儀器—一個略微廣泛的定義，可以包含轉(zhuǎn)換器，變送器及其他一些設(shè)備。(end)
