压力变送器工作原理：6种传感技术和5种类型

压力变送器将过程压力转换为控制系统可读取的 4-20 mA、HART 或数字信号。在变送器内部，传感元件在压力作用下会发生偏转；这种偏转被测量为电阻、电容或频率的变化；模拟电路对信号进行调节和缩放；输出级驱动回路。本指南的其余部分将介绍目前使用的六种传感技术、工艺流程图 (P&ID) 上常见的五种变送器类型、如何解读规格表中的精度参数，以及现场安装中那些悄无声息地影响精度的错误。当接收 PLC 需要电压信号而不是电流信号时，可以使用精密电阻将 4-20 mA 信号转换为 0-10 V 信号。

过程变送器测量隔膜处的静压——有关静压、动压和总压之间的区别，以及皮托管如何读取每种压力，请参阅我们的静压、动压和总压指南。

内容

• 工作原理（60秒简述）
• 六种压力传感技术
• P&ID图上的五种压力变送器类型
• 信号输出解码
• 工程选型清单
• 常见安装错误
• 规格表解码器
• 常見問題解答

工作原理（60秒简述）

工艺压力作用于隔膜上。隔膜发生形变——通常以微米为单位。隔膜后方的传感元件将这种形变转化为电特性的变化：压阻桥式传感器表现为电阻变化，电容式传感器表现为电容变化，谐振式传感器表现为频率变化。专用集成电路 (ASIC) 对读数进行线性化和温度补偿，然后驱动一个与施加压力成正比的电流回路输出。

经典的量程跨度为：量程 0% 时为 4 mA，量程 100% 时为 20 mA。零点电流（4 mA，而非 0 mA）是特意设置的：它可以让接收器区分真正的零压力读数和断路线圈引起的读数。自 20 世纪 50 年代以来，工程师们一直沿用这种约定。

六种压力传感技术

不同的传感元件适用于不同的工作范围、流体和精度目标。工程师在设置变送器量程时，还可以参考常用压力单位的完整列表。

技术	它是如何运行的？	典型精度	甜蜜点
压阻式（应变计）	扩散硅电阻器在隔膜上形成惠斯通电桥；压力改变电阻。	±0.075% 至 ±0.25%	一般工业、石油天然气、暖通空调
电容式	膜片构成电容器的一个极板；偏转会改变电容。	±0.025% 至 ±0.075%	交接，低DP测量
谐振（硅）	压力会改变振动硅梁的固有频率。	±0.04% 至 ±0.1%	高稳定性海底和财政计量
压电	石英或PZT晶体在应力作用下会产生电荷	动态范围为±0.1%至±0.5%。	发动机燃烧、弹道、冲击
光纤	压力会改变布拉格光栅反射的波长。	±0.05% 至 ±0.2%	电磁干扰噪声较大的变电站，井下
电感式/LVDT	隔膜带动线圈内的磁芯运动。	±0.25% 至 ±0.5%	坚固耐用的液压和气动服务

压阻式传感器在大多数通用应用中价格最优，而当精度要求低于±0.05%时，电容式传感器则更胜一筹。光纤变送器是近年来才进入危险区域和井下油气应用领域的，其电磁隔离性能使其成本物有所值。有关现场安装步骤，包括按服务连接、歧管选择和零点/量程调整，请参阅我们的差压变送器安装指南。

P&ID图上的五种压力变送器类型

1. 表压（PG，PT）。 指大气压力。最常用的测量类型包括储罐液位、泵出口压力和液压系统压力。量程范围为 0-1 巴至 0-700 巴。
2. 绝对压力（PA）。 真空度参考值。用于真空工艺、蒸汽压、海拔高度和气压修正。范围为 0-1.6 巴绝对压力及以上。
3. 压差（DP）。 两个过程端口；变送器报告差值。流量元件（孔板、文丘里管）、过滤器监测和 差压级变送器 所有人都使用这个类。
4. 多变量。 一台变送器可同时输出流量、压差、静压和温度。用于计量和天然气交接计量。
5. 远程密封/隔膜密封。 毛细管耦合填充液可将传感器与腐蚀性、高温或粘稠介质隔离。常见于乙二醇介质、聚合物反应器、食品和制药行业。

信号输出解码

变送器的性能取决于与之通信的接收器。输出协议必须与控制层级相匹配。有关包括 HART 传感器和数模转换器微调在内的逐步台架校准，请参阅我们的压力变送器校准程序。

• 4-20 mA 模拟。 通用语言。两线制，回路供电，不受电压降影响。可与任何PLC模拟量输入卡配合使用。
• 4-20 mA + HART。 在同一对导线上传输数字边带信号。这样，HART 手持设备无需断开回路即可读取诊断信息、量程和标签。
• Modbus RTU / RS-485。 多点数字连接。最适合改造项目和变电站/水务设施安装，在这些应用中…… SCADA 历史学家解读了一条电报中的数十个标签。
• FOUNDATION 现场总线/PROFIBUS PA。 原生现场总线协议。布线数量更少，但需要经过培训的工程师和现场总线电源。
• 无线 HART，ISA100。 对于远程储罐、旋转设备以及铺设电缆不经济的旧址扩建项目。

大多数新建项目仍然默认采用 4-20 mA 信号，并叠加 HART 协议。这种组合既能保证安全回路中模拟信号的稳定性，又能根据需要提供诊断信息。了解更多关于信号输出选择如何影响变送器选择的信息。

工程选型清单

使用以下八项检查，将工艺数据表转换为采购订单：

1. 测量变量。 规格、绝对值、差压还是复合？先选定一个。
2. 工作范围。 正常工作压力应设定在满量程的 25% 至 75% 之间。压力范围过大会缩短隔膜寿命；压力范围过小则会影响精度。
3. 所需精度。 根据回路需求进行匹配：一般用途为±0.5%，安全回路为±0.1%，交接用途为±0.025%。
4. 浸湿材料。 316L 用于洁净水和空气；哈氏合金 C、蒙乃尔合金或钽用于氯化物、硫酸和氟化物流体。
5. 进程连接。 1/2″ NPT、G1/2″ 或 DIN 法兰——与现有螺纹进行确认。
6. 输出协议。 先决定后具体——参见上文。
7. 危险区域许可证。 ATEX、IECEx、CSA、FM认证。如果所在区域有防爆要求，请选择Ex-d或本质安全型产品。
8. 环境温度 + 工艺温度。 普通变送器可在 -40 至 85 °C 的环境温度下运行；使用合适的填充液，远程密封可将过程侧的温度延长至 400 °C。

要深入了解压力变送器与机械压力表的区别，请参阅压力变送器与压力表——不同类别的仪器，从外观上看相似，但在使用中表现却截然不同。

常见安装错误

• 脉冲线冻结。 冬季使用的室外管线需要伴热或隔膜密封。冻结的管线读数会持续或发出剧烈噪音。
• 容积式泵的脉动。 安装针阀缓冲器或脉动阻尼器。如果没有这些装置，传感器接收到的值将是真实平均值的10倍，并且会过早老化。
• 远程密封件的安装方向。 毛细管克服重力；将密封件安装在长毛细管上的变送器上方会引入头部压力偏移，该偏移会随环境温度漂移。
• 安全回路中的单隔离阀。 用于差压控制的三阀歧管，用于安全完整性等级（SIL）的五阀歧管。单阀安装无法安全地进行在线零位校准。
• 通风/排水疏通。 输送气体的液管需要高位排气；输送液体的气管需要低位排气。滞留的空气或冷凝水会造成正负偏差，操作人员需要通过调整偏差来确保工作正常进行。

规格表解码器

规格线	这到底意味着什么
量程的 ±0.075%	在整个校准范围内，直线拟合精度最佳。端点处精度最差。
±0.04% URL	指的是上限范围 (URL)，而不是校准后的范围。在低量程范围内，通常比“范围”更好。
BFSL	最佳拟合直线法——实现“%”精度的线性度方法。比基于终端的方法更精确。
拒绝率 100:1	您可以将发射器校准到 URL 的 1%，仍能保持标称精度。这对于储备备件非常有用。
长期稳定性 ±0.1%/5 年	校准周期之间出现漂移是正常的。
EMC IEC 61326	该发射器通过了工业级EMC抗扰度测试——这对于大量使用变频器的工厂来说非常重要。

精选压力变送器 Sino-Inst

常見問題解答

压力变送器的工作原理是什么？（简单来说）

工艺压力会使薄金属膜片发生几微米的形变。膜片后面的传感元件（通常是压阻桥或电容式传感器）会将这种形变转换为电信号。板载电子元件会对该信号进行线性化、温度补偿和缩放，最终输出为 4-20 mA 的回路信号，以便任何控制系统读取。有关接触介质部件的详细信息，请参阅我们的材料指南。

压力变送器和压力传感器有什么区别？

传感器是基本元件——硅应变桥或陶瓷电容式单元。变送器则包含传感器、信号调理、温度补偿、EMC滤波以及标准过程输出。传感器安装在变送器内部；变送器需要连接到工厂控制系统。

“智能”压力变送器是什么意思？

智能变送器内置微处理器，支持HART数字通信，可用于测距和诊断，内部可进行多点温度和线性度校正，并存储自身的标签和校准记录。非智能（模拟）变送器则通过电位器进行微调，且不具备数字边带功能。

典型的工业压力变送器精度如何？

通用型变送器的精度范围为校准量程的±0.075%至±0.25%。贸易交接变送器的精度可达±0.025%。低于此精度，您购买的是计量级仪器，而非过程变送器。

我可以用一个压力变送器进行液位测量吗？

是的。在已知密度的情况下，通风罐中的静压头与液位成正比；安装在罐底的液位变送器通过公式 P = ρgh 读取液位。压力罐需要差压变送器来扣除顶部空间压力。适用于此应用的SMT3151LT 差压液位变送器。

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