壓力變送器的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景

一、工作原理

（一）應(yīng)變片式壓力變送器

1. 應(yīng)變效應(yīng)基礎(chǔ)

  應(yīng)變片式壓力變送器主要基于金屬或半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，其形狀會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化。對(duì)于金屬材料，這種電阻變化相對(duì)較小，而半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)更為xian著。

  一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變片是一種很薄的金屬箔或半導(dǎo)體片，粘貼在彈性元件（如膜片或懸臂梁）上。當(dāng)壓力作用于彈性元件時(shí)，彈性元件發(fā)生形變，從而使應(yīng)變片也隨之變形。

2. 電橋電路測(cè)量

  應(yīng)變片通常組成惠斯登電橋電路。在沒有壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零。當(dāng)應(yīng)變片受到壓力變形后，其電阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致電橋失去平衡，產(chǎn)生與壓力成正比的微弱電壓信號(hào)。

  例如，在一個(gè)典型的應(yīng)變片式壓力變送器中，四個(gè)應(yīng)變片分別粘貼在彈性膜片的上下表面，當(dāng)壓力使膜片變形時(shí)，相對(duì)的兩個(gè)應(yīng)變片被拉伸，另外兩個(gè)應(yīng)變片被壓縮。拉伸的應(yīng)變片電阻增大，壓縮的應(yīng)變片電阻減小，這種變化通過電橋電路被放大并轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

3. 信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換

  電橋輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大。放大倍數(shù)通常根據(jù)變送器的量程和精度要求進(jìn)行設(shè)置。然后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于后續(xù)的傳輸和處理。

  經(jīng)過處理后的數(shù)字信號(hào)可以按照一定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如4 - 20mA電流信號(hào)或HART協(xié)議等）進(jìn)行傳輸，蕞終輸出與壓力成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

（二）電容式壓力變送器

1. 電容變化原理

  電容式壓力變送器利用了壓力變化引起電容變化的原理。它主要由一個(gè)電容式傳感器組成，傳感器中有兩個(gè)平行的電極，其中一個(gè)電極是固定的，另一個(gè)電極是彈性膜片。當(dāng)壓力作用于彈性膜片時(shí)，膜片發(fā)生變形，改變了兩個(gè)電極之間的距離。

  根據(jù)電容的計(jì)算公式C = \frac{\epsilon S}3jhdxbntxp9（其中C為電容，\epsilon為介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間距），當(dāng)極板間距d發(fā)生變化時(shí)，電容C也隨之改變。在壓力變送器中，壓力與電容的變化呈線性關(guān)系。

2. 測(cè)量電路與信號(hào)處理

  電容的變化通過測(cè)量電路進(jìn)行檢測(cè)。通常采用高頻振蕩電路，將電容變化轉(zhuǎn)換為頻率變化或電壓變化。例如，在一些電容式壓力變送器中，當(dāng)電容變化時(shí)，高頻振蕩電路的振蕩頻率也會(huì)發(fā)生變化，通過對(duì)頻率的測(cè)量和處理可以得到與壓力相關(guān)的信號(hào)。

  同應(yīng)變片式壓力變送器一樣，經(jīng)過測(cè)量電路得到的信號(hào)需要經(jīng)過放大、濾波等處理，然后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，如4 - 20mA的電流信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，用于傳輸給控制系統(tǒng)。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）在油脂加工中的應(yīng)用

1. 油脂精煉過程

  脫臭環(huán)節(jié)：在油脂脫臭塔的蒸汽管道上，壓力變送器起著關(guān)鍵作用。脫臭過程需要精確控制蒸汽壓力，以確保在合適的溫度和壓力下，將油脂中的異味成分有效去除。壓力變送器將蒸汽管道內(nèi)的壓力信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的壓力值調(diào)節(jié)蒸汽閥門的開度。例如，當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到蒸汽壓力過高時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減小蒸汽閥門的開度，使壓力下降到合適的范圍，保證脫臭效果的同時(shí)，避免因壓力過高導(dǎo)致的安全隱患和能源浪費(fèi)。

  脫色環(huán)節(jié)：在油脂脫色過程中，需要添加吸附劑并在一定的壓力和溫度條件下進(jìn)行攪拌。壓力變送器安裝在脫色反應(yīng)釜的壓力監(jiān)測(cè)口，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。如果壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)，可能表示反應(yīng)過程出現(xiàn)問題，如攪拌不均勻或者吸附劑添加量不當(dāng)?shù)?。操作人員可以根據(jù)壓力變送器反饋的信息及時(shí)調(diào)整操作參數(shù)，確保油脂脫色的質(zhì)量。

2. 油脂儲(chǔ)存環(huán)節(jié)

  油罐壓力監(jiān)測(cè)：在油脂儲(chǔ)存罐上，壓力變送器用于監(jiān)測(cè)罐內(nèi)的壓力。由于油脂的儲(chǔ)存環(huán)境溫度可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致油脂體積膨脹或收縮，從而引起罐內(nèi)壓力變化。壓力變送器可以實(shí)時(shí)將壓力信號(hào)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)壓力超過安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。例如，在夏季高溫時(shí)，油脂膨脹可能使罐內(nèi)壓力升高，壓力變送器及時(shí)檢測(cè)到這種變化，提醒工作人員采取相應(yīng)的措施，如打開通風(fēng)閥進(jìn)行減壓，防止油罐損壞或油脂泄漏。

（二）在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

1. 化學(xué)反應(yīng)過程控制

  在許多化工反應(yīng)中，壓力是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)。例如，在合成氨反應(yīng)中，反應(yīng)壓力需要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。壓力變送器安裝在反應(yīng)釜上，精確測(cè)量反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，并將信號(hào)反饋給自動(dòng)化控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)整反應(yīng)物的進(jìn)料速度、加熱或冷卻系統(tǒng)的功率等參數(shù)，確保反應(yīng)在蕞佳壓力條件下進(jìn)行，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

  在聚合反應(yīng)中，壓力的變化也會(huì)影響聚合反應(yīng)的速率和聚合物的分子量。壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系的壓力，通過與預(yù)設(shè)的壓力曲線進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力異常情況，如壓力突升可能表示反應(yīng)失控，需要采取緊急措施，如注入終止劑或降低溫度等，以避免安全事故和產(chǎn)品質(zhì)量問題。

2. 流體輸送系統(tǒng)

  在化工流體輸送管道中，壓力變送器用于監(jiān)測(cè)管道內(nèi)流體的壓力。例如，在輸送腐蝕性液體（如硫酸、鹽酸等）的管道上，壓力變送器可以幫助檢測(cè)管道是否存在堵塞、泄漏或者泵的工作是否正常等情況。如果管道某一處發(fā)生堵塞，壓力變送器會(huì)檢測(cè)到壓力升高；如果發(fā)生泄漏，壓力會(huì)下降。這些壓力變化信號(hào)可以及時(shí)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，通知工作人員進(jìn)行檢查和維修，保障流體輸送的安全和穩(wěn)定。

（三）在食品飲料行業(yè)的應(yīng)用

1. 飲料生產(chǎn)中的罐裝環(huán)節(jié)

  在飲料罐裝生產(chǎn)線中，壓力變送器用于監(jiān)測(cè)罐裝頭的壓力。當(dāng)飲料被灌入瓶子或罐子時(shí)，需要一定的壓力來(lái)確保液體能夠順利流入容器，并且不會(huì)產(chǎn)生泡沫或溢出。壓力變送器可以實(shí)時(shí)測(cè)量罐裝頭的壓力，將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)整罐裝速度和罐裝壓力，保證罐裝過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，在碳酸飲料的罐裝過程中，壓力變送器可以精確控制二氧化碳的壓力，使飲料保持適當(dāng)?shù)奶妓峄潭取?/span>

2. 食品加工中的蒸煮和殺菌過程

  在食品加工的蒸煮鍋和殺菌釜中，壓力變送器用于監(jiān)測(cè)內(nèi)部壓力。這些設(shè)備通常在高溫高壓下工作，壓力的準(zhǔn)確控制對(duì)于食品的質(zhì)量和安全至關(guān)重要。壓力變送器將壓力信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的壓力和時(shí)間參數(shù)來(lái)控制加熱源和排氣閥等設(shè)備，確保食品在合適的壓力和溫度下進(jìn)行蒸煮或殺菌，殺死有害微生物，同時(shí)保持食品的營(yíng)養(yǎng)成分和口感。

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