压力传感器技术

栏: 电容式传感器 压电式传感器 共振频率 应变计传感器

在机械、模拟压力表的时代，大多数设计都是一种基本方法的变体。然而，随着向电子传感器的转变，一组全新的测量技术出现了。你应该注意传感器的设计吗?那个仪器是磁性的吗?电容?对应变计施加压力还是压碎晶体?你有多需要担心?

对于大多数普通应用程序，任何方法都可能完成足够的工作。但是，如果您想要真正的最佳性能，或者在讨论更极端的条件时，有些系统的性能不如其他系统。

评估压力传感器技术应考虑各种变量，包括:

• 准确性(读数误差量);

• 线性(信号变化与压力变化成正比);

• 重复性(相同压力下的相同读数);

• 滞后(不倾向于接受来自单个工作点的“集合”);

• 耐用性(可承受多次高/低压循环);

• 稳定性(保持在校准中);

• 电子干扰保护(不受本地电磁干扰);

• 温度范围(可以承受可能的工艺流体/环境温度极端);

• 物理灵敏度/坚固性(可以承受压力峰值，敲击和振动);

• 实际量程限制(适合其工作压力);

• 故障模式(读数可见，可能释放或污染工艺流);

• 安全(是否有危险任务认证);

• 耗电量(是否适合电池供电);

• 输出信号(什么格式，模拟/数字);

• 建筑材料(温度限制，耐腐蚀性);

• 散装;和

• 费用。

其中一些是可量化的，并发表在制造商的文献中。其他的则很难具体说明。例如，几乎任何设计都会在目录中有精度或温度限制，但稳定性或坚固性则很难用术语进行直接比较。其中一些因素与传感器技术本身有关。另一些则受到信号处理电子器件或外壳设计的影响。

电子测量技术几乎所有的工作原理都是测量由一侧压力引起的膜片位移。压差装置要么有两个隔膜，要么有一个隔膜，可以在任何一个方向上移位。膜片的配置和组成因制造商的不同而不同，测量位移的方法也不同。

采用的主要技术有电容式、压电式和应变式。(见边栏)。不太常见的方法包括共振频率、机电、磁或其他方法。每种方法都有其特定的优点和局限性。

有多少种设计?

有些公司只采用一种或两种方法，但已经广泛地发展了它们。其他公司提供的产品线包含了更广泛的产品和技术。例如，Endress+Hauser在高温、研磨性浆料、腐蚀性化学品和频繁超压(例如水锤)下生产许多真空。”

晶体工程的设计全部采用充油硅晶体压阻技术。市场总监Miranda Battenburg表示:“我们的仪表是数字化的，因此没有受振动或运动影响的活动部件，使其成为加工厂和炼油厂的理想选择。膜片靠在硅油上，传感元件在不直接接触膜片的情况下从油中获取压力。这样做的好处是可以保护传感元件免受通过接头的任何化学物质的损坏。”

横河改变了方向，放弃了两种方法，转而采用一种新的传感技术。“在20世纪90年代，横河开发了一种独特的数字压力传感器，以取代在此之前使用的差分电容和压阻技术，”变送器产品经理Allen Erwin说。压阻法和电容法都可以追溯到20世纪60年代。我们在DP竖琴系列压力变送器中使用的数字传感器代表了最新的压力传感技术。性能、功能和效益的改进是大多数创新背后的驱动力。”

使用电子更新的传统机械技术，阿什克罗夫特提供电子输出从模拟直读波登管压力表。Ashcroft压力传感器产品经理Mark Zabawa表示:“专有的Xmitr设计基于涡流传感器。“有了它，波登管的机械运动被转化为电信号。附在波登管上的旗子组件，在两个线圈之间移动，提供与施加压力直接对应的信号。这为用户提供了内置在一个仪器中的本地和远程压力指示，并且可以直接连接到现有的过程控制系统中。”

其他公司生产的技术范围更广，致力于为合适的工作创造合适的工具。“霍尼韦尔传感与控制(S&C)在传感器行业拥有最广泛的压力传感产品组合之一，”压力测量全球工程主管Lamar F. Ricks说。在S&C压力产品中使用的技术包括粘结应变计、粘结箔计、硅压阻、充油硅压阻、薄膜、高级厚膜(ATF)和表面声波。

有了所有这些选择，你如何决定向客户推荐什么?“充油硅压阻技术可能是压力变送器产品中应用最广泛的压力传感技术，”Ricks补充道。“这是一项高度可靠和稳定的技术，具有良好的跟踪记录，提供了一种介质隔离压力传感解决方案，专门用于在重型或恶劣环境中检测有害介质，并与316不锈钢兼容。先进厚膜(ATF)应变计技术是最近发展起来的，但也经过验证，在某些应用(如液压)中具有一些非常独特的优点和性能优势。基于ATF技术的解决方案可以在动态压力环境下提供卓越的可靠性和平均无故障时间(MTBF)性能。”

如何选择

大多数终端用户公司对特定的仪器制造商有内部偏好，这可能会指导新的选择。但是，如果您从一张白纸开始，那么选择一种技术并确定您正在为正确的工作使用正确的工具的最佳方法是什么?

Ametek PMT压力传感器产品经理Kevin Lavelle表示:“与大多数过程仪表一样，用户必须与制造商合作，为应用确定最佳技术。”“压力范围、性能、环境要求和价格/数量等因素都是选择正确技术的重要因素。在选择最适合应用的方法之前，用户必须评估各种压力技术，权衡各种决策标准。”

做出选择也可以基于知道什么时候不选择特定的方法。制造商通常很清楚应该避免设计的应用。高级仪器产品经理Roger Saba表示:“图尔克的传感器技术采用陶瓷膜片、适配器、外壳和o形环作为传感封装的一部分。在这种设计中，介质与陶瓷隔膜、o型圈和适配器接触。这些类型的传感器只能在良好的环境中使用，例如空气，洁净水和含硫天然气，不需要密封，介质压力高达1000 psi。这些传感器不适合在氨、氢、油气生产、氧气服务和许多其他轻度到恶劣的应用中工作。”

技术或性能

如果一个给定的设备对你的工艺条件有必要的能力，包括精度、量程、工作温度等，你应该关心传感技术吗?ABB仪表部产品经理Allen Hood表示:“如今，选择与给定应用相匹配的整套仪器更加实用。“今天的压力仪表提供了更多的专业选择，这取决于您的主要标准，无论是精度，结构材料还是关键特性和功能。”

HBM总裁凯文·科菲(Kevin Coffey)每天都在处理极端应用，他知道这些专业选择的重要性。他认为，随着压力的增加，耐久性变得越来越重要:“HBM提供的基于应变计的压力传感器与其他类型的传感器不同，因为它们能够在非常高的压力下，在非常高的寿命压力循环中提供高精度和温度稳定性。”

一些细节

其他处理更温和的工艺要求的制造商可能仍然会说传感器的选择很重要，但相对而言，很少有人在他们的文献中真正讨论传感器技术。大多数用户和制造商都明白每种方法都有其优点和缺点。一个非常熟悉特定技术特点的公司将知道如何通过机械设计或纠正电子设备来减轻问题。在当前的设计设备中，先进的信号处理已经变得非常复杂，可以使几乎任何传感器的性能变得平滑。

Scott Nelson是艾默生Rosemount部门压力产品副总裁，在他参与仪器仪表的20年中见证了许多变化。他说:“我想起了我们过去对销售人员和演示人员的培训:传感器是关键，我们的工具非常以传感器为中心。”“但随着微处理器的出现，以及纠正电子设备中许多错误的能力，它们现在要可靠得多。罗斯蒙特的发射机和我们许多竞争对手的发射机都比20年前好得多。我不记得上次我们与美孚、陶氏或埃克森美孚讨论压力传感器技术，尽管在讨论流量或液位测量时，压力传感器技术仍然很常见。”

一个简单的压力仪器可能具有比肉眼更强的感知能力。“我们所有的压力产品都有内部温度补偿，”Ametek的Lavelle说。“有些型号提供车载温度测量作为备用输出。Ametek PMT压力传感器对多变量设备的需求不断增长，这些设备可以在一个传感器内提供静压、差压和温度输出。这很有用，因为用户现在可以进行压差测量，补偿来自一个设备输出的静压和温度影响。我们的客户正在减少传感器的‘占地面积’，这对oem来说非常重要，可以最大限度地减少渗透到管道中的次数，优化电源管理，并减少备件库存。”

尼尔森说，这些功能是一个良好的开端，但今天的工程师想要更多。他补充说:“我们昨天与客户进行了交谈，对话是，‘是的，我们需要知道你们的仪器产生过程变量(PV)的可靠性，但我们想知道你们的设备如何帮助我们提高工厂的安全性和效率，以及资产利用率。“然后讨论转向高级诊断，我们将监测流经管道或容器的过程特征。在每秒22次的情况下我们给出了过程的平均值或者说过程变化的标准差以及基本PV测量之外的其他类型的信息。这些设备的智能和它们所能做的事情令人难以置信。一个压力变送器可以为您提供超精确的差压，计压或绝对压力，过程温度，设备温度，实时计算质量流量，同时提供平均值，标准偏差和其他通知，当这些变量对用户选择的限制发生变化时。与20年前的设备相比，它的体积和能耗都没有增加。

“这些过程诊断对我们的客户产生了越来越大的影响。如果你的工厂里有成千上万的压力变送器，它们就像管道上的听诊器，用一些已经存在的东西来监测过程的变化。如果液体在管道中流过孔板或环棒，你会得到一个很好的，稳定的，一致的平滑信号。如果工厂发生了故障，物料发生了变化，比如气泡或气体注入到流动或固体颗粒中，你将显著改变噪音特征，变送器的智能和响应速度使我们能够提供诊断，适用于安全和过程中发生的其他变化。我知道得越快，反应就越快。各种各样的东西都有更多的启用功能。”

最终，什么才是重要的?

当你看着那张白纸，并试图决定给哪个供应商打电话时，你能做的最好的事情就是找到尽可能多的关于这个过程的答案。回到本文开头的列表，看看您能回答多少个问题。你需要多大的精确度?压力变化有多动态?工作温度范围是多少?当你与潜在供应商交谈时，掌握这些数据远比思考传感器技术的微妙之处重要得多。

作者信息

Peter Welander是过程工业编辑。打电话给他。PWelander@cfemedia.com．

电容式传感器

这种方法在机械上是简单的，并且非常适合于微分、量规和绝对配置。内部电子转换功能是直接的，具有良好的信噪比，但是有足够的温度灵敏度，需要内部校正输出。电容式传感器是最精确的传感器之一，但相对于其他技术，它们的工作温度范围窄，实际最大压力范围低，尽管两者都适用于大多数过程应用。膜片实际上是一个带电板，在间隙对面放置一个或多个其他固定板。当膜片偏转时，极板之间的电容发生变化。隔膜可以是金属的或陶瓷的。

电容式设计使用相对较小的电流，这使得它们适合电池供电的无线应用。它们的内部温度传感能力通常可以作为次要过程变量访问。

压电式传感器

它们对温度也很敏感，通常具有内部温度传感能力，以纠正主要测量。通常可以将其作为次要过程变量访问。

共振频率

应变计传感器

应变计对温度特别敏感，因此内部校正是标准的。通常可以将其作为次要过程变量访问。

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