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T型悬浮式复合压力/差压变送器

T型悬浮式复合压力/差压变送器

重庆市伟岸测器制造有限公司

刘庆

摘要:

    本文介绍了重庆市伟岸测器制造有限公司的T型悬浮式复合压力/差压变送器的框架结构,分析了T型悬浮式复合压力/差压传感器的特点及检测电路原理,给出了主要的技术指标和设计目标。

关键词:T型悬浮式结构、复合压力/差压传感器、电容传感器、1151传感器

  一、T型悬浮式复合传感器

   T型悬浮式复合压力/差压传感器与1151电容传感器相比,具有鲜明特点和性能优势。两种电容传感器虽然都是由金属膜构成电容,但结构却是截然不同,没有了1151自身难以克服的那些弊端,使传感器的性能得到很大的提高。这种传感器结构引入了“悬浮”的概念,这种悬浮实际上是两层含义,其一是力学上的悬浮,其二是电路上的悬浮(隔离)。压力传感器实际就是一个机电一体的器件,双重意义的悬浮使其具有卓越的性能。为阐述清楚这种悬浮结构的优点,首先来分析一下1151电容传感器的结构和存在的弊端。

    1151传感器见图1所示:


    传感器的结构可以描述为两个膜座和测量膜片焊接在一起形成一对差动电容,膜座端面与隔离膜片和焊环焊接,再焊接固定于套子中形成膜盒。显然测量膜片和外围的结构件因为金属焊接而电路导通,即电路上必须采取措施进行隔离,电路分析时再详细分析这一问题。隔离膜片很薄且是软态,其抗弯刚度与测量膜片相比忽略不计,因此只起隔离和传压作用,真正的敏感元件就是测量膜片。压环的变形及隔离膜片的扭曲必然会通过传动介质影响到测量膜片位移;膜座体的变形必然直接影响电容结构的变化。焊接的环节较多,而且各环节紧密联系互相作用,焊接残余应力的逐渐消失会造成传感器的不稳定。另外,膜盒还将由两块模板装夹,理论和实验都表明这种装夹力会影响传感器的电容,而且这种装夹应力随时间而变化,在振动环境下此过程会更加明显。所有这些因素都将影响传感器的性能,也是这种结构难以克服的天然问题,要想获得更高性能的传感器,必须从结构上出发。T型悬浮式结构就是一种很有特点的结构型是,下面分析一下它否认结构。

    T型悬浮式结构如下图2所示: 

  
2

    这种传感器的传感部分和1151近似,仍然是两个膜座和测量膜片焊接在一起构成一对差动电容。但传感部分和传感器其他部分是通过两条弯曲90°的金属管支撑连接,就像悬浮于其中,也因此称之为悬浮式结构。显然,金属管具有一定的弹性,比起膜座本体来容易变形得多,因此外部的变形经金属管抑制后不会引起膜座本体变形,这就起到很好的力学隔离作用。当然,有一种可能性仍然存在,那就是外部变形造成传动介质的压入或吸出以致影响测量膜片位移。这种影响可以通过隔离膜片及焊环部分细致的设计得到很大的抑制。由此可见由于具有很好的力学隔离,传感部分的工作受外部的力影响会非常之小,为获得高性能打下先天基础。

    T型传感器除了悬浮式结构外,还增加了一个嵌入的硅传感器来测量参考端(通常L端)的压力,因而这又是一种复合式传感器,可以同时获取差压和压力两个过程变量,而且也为静压补偿提供了实现途径。这些辅助的功能都使得T型传感器具有先天的优良特性。

二、T型变送器的检测原理

    整个变送器的电路原理框图如图3所示:  


3  

    显然,T感器中最重要的被检测量是差压,即差动电容的变化,其次是参考压力的测量,即硅传感器的输出,最后是温度的测量。静压传感器采用硅电阻桥,电路上构造一个高精度的电流源流过电桥,电桥的输出端接AD芯片,通过采样得到数字量。温度则直接采用高精度的数字温度传感器。这里不再详细讲述这些量的测量,而是谈一下差压的测量。

    差压得测量就是电容的测量,实际是差动电容的测量问题。

    电容的测量方式多种多样,在电容传感器方面主要有如下几种:

1)直接电流源充电测电压

    这种方法要求一个高精度、低电流的电流源以及很高输入阻抗的电压测量器件,因此很难达到高精度。

2)RC振荡

    这种方式产生脉冲,测量时间常数、频率或周期就可以得到电容值,是一种很简单可行的实现方法,但一般很难获得很高精度,而且会受电阻温漂影响。

3) 交流阻抗测量

    这种方式比较繁琐,要精确测量端电压和电流,可以通过四线比例测量法和同步解调器获得很高精度,但电路复杂,器件数量较多。

4)基于电荷放大器

    这种方式用电荷放大器将传感器电容与参考电容的比值转化为电压值,需要ADC将电压转化为数字量。

5)SIGMA-DELTA CDC

    原理框图如图4所示:

 
4  

    采用基于Sigma-Delta的反馈电荷平衡环实现高精度的电容到数字信号(CDC)的转化。

    这种方式具有很高的精度和而且能很好地抑制寄生电容影响,甚至使用于小电容的精确测量。

    为获得高精度,T型传感器采用SIGMA-DELTA CDC来进行电容的测量。下面结合传感器特点来分析其原理。

    平行板电容的计算公式为:

 

    差动电容的表达式如下:

 

    式中kP表示差压引起的弹性位移。

    测量的目标是差压,差压引起测量膜片位移,因此计算公式如下:

 

    显然,计算结果与差压成线性关系,只要测量出两个电容值就能计算出差压。这里假设传感器加工绝对对称,极板面积和介电常数均被约掉,与测量结果无关。实际会存在极板不对称,以及膜片位移的非线性。就算这些都是理想的,也必须虑寄生电容和引线分布电容,因此实际公式如下:

 

    式中C0表示寄生电容和引线分布电容

    显然计算结果和差压已经不是线性关系了。为得到一个线性关系,必须改造公式为:

 

    怎样实现呢?可以在电路中加一电容,其值正好为C0,并通过电路构造实现电容相减。也可以通过软件来计算C0,直接构造计算公式。T型传感器为解决这一问题采用后一种方法,因此实际直接测量的是两个电容。

    显然,通过这一系列的测量和处理后,就能得到精确的差压值,精度可以达到0.02%

三、T型悬浮压力/差压送器综合可靠性

    变送器的可靠性应从两个方面来考虑,即传感器力学部件和电路。从金属电容式传感器的多年应用来看,其力学方面的可靠性是硅传感器和陶瓷传感器所不能比拟的。所以T型悬浮式传感器本体在力学方面的可靠性是是毋庸置疑的,而且一旦传感器组装完成,将封闭于壳体内,不会为外力破坏。电路上,由于传感器本体和壳体是完全隔离的,接线端子与壳体的耐压非常高,上千伏也不会造成损坏,同时外界干扰不能通过壳体传导,电磁干扰也会被壳体阻隔,因此信号电路受外界的干扰和冲击非常之小。而且,信号电路完全封闭于壳体内,不受潮气影响,稳定度大大提高。由于采用了抗寄生电容的测量方式,使寄生电容的影响微乎其微。所以从部件到测量系统,整个变送器的综合可靠性大大提高,测量分辨率达到0.01%以内,综合精度达0.05%,长期稳定性误差<0.1%,传感器封接结构具有非常好的保护作用,保证传感器免维护。

    本文分析了T型悬浮式传感器的结构和特点,表明这种结构具有许多先天的优良特性。作为工业现场仪表,T型悬浮式变送器具有很高的精度、稳定性和可靠性,是1151传感器及硅传感器所无法比拟的。可以预见,在未来的工业现场,T型悬浮式变送器必将为中国的工业生产作出巨大的贡献。

 

参考文献:

樊尚春  传感器技术及应用

M.Elwenspoek, R."硅微机械传感器"

B PUERS, E PEETERS, A VAN DEN BOSSCHE and W SANSEN "A Capacitive Pressure Sensor with Low Impedance Output and Active Suppression of Parasitic Effects"

Mitsuhiro Yamada, Takashi Takebayashi, Shun-Ichi Notoyama, and Kenzo Watanabe“A Switched-Capacitor Interface for Capacitive Pressure Sensors”

L. K. Baxter  Capacitive Sensors”  

Publication dates:2006年2月24日 - Writer:SuperUser Account
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By Anonymous User on 2010年9月10日
选用热(冷)能量调节阀
2009-9-30
自从瓦特发明了蒸汽机车以来,就开始了现代生活,可是谁又曾想过,这麽长的时间岁月中,人们都是在一种不知道的状态下,送走了每一天,又迎来了每一天,这其中由于生活质量的不断提高,认识到还有一种能量以热能量的形式存在着,在日常生活中,对于电、水、煤气已是再熟悉不过的了,然而今天对于广大的生活在长江以北地区的人们,又多出了一项不可避免的热能量,这是日常生活中必不可少的事,就提出了如何调节的问题,如同电表,水表,煤气表一样,上述三种表都是根据日常生活中使用的多少,而进行着手工调节(指的是最后的调节),但是在进入整栋楼房或者是一片小区时,由于使用的不确定性,而必然要加上调节阀,以满足日常生活的需要以及要求,需要调节阀来满足需求。
以往的生活中,由于没有热能量调节阀,不得不想其它的方法来解决当前的需求,有些像前些日子的户用热能量表,先拿来用,关于好用不好用那是下一步的问题,先解燃眉之急,但是长时间以来,热能量调节阀都没能很好解决,例如:某热电厂的供热问题就是由供热方热电厂向供热公司供应热能量,只能以流量计的流量为准,然后再乘上焓值,最终给出热能量值。如果要改变供应的热能量,就只好改变流量了,然后在经过换算成为热焓值,这还是较为简单的,如果到了居民供热采暖的整栋楼前,有操作工操作变化,是很麻烦的,是很不方便的,而且每一个小区由数栋楼组成,每一个都要相对变化调节,甚至是不可能的。就如同电表、煤气表、水表一样,在前置的有关能量的调节部分,是不可少的前置调节装置,可就是这样一种要求,由于没有相应的调节装置,而仅能用压差与温度的两种装置,进行反复调试,找到一个相应的热能量值,但是当变化时,还需要再一次调试,而不能进行随机的进行变化。正是因此,研发出的热能量调节阀,正好满足了此项要求,非常便于使用与调节。
人类经过长期的生活实践,在不断的摸索与探讨中,逐渐掌握和认识了大自然,这个过程通过热能量调节阀的出现,而更加深刻的说明了这个探索的过程的长期性与艰苦性。对于热能量调节阀来说,如同添加了一个非常得心应手的、可以对于以往不便于操作的热能量也可以如同其它户用表类一样,运用自如的进行使用和操作了,这对于今天的人类而言是多么值得感到欣慰的事。尽管今天的人们仍然还是按照习惯在运作,可以看到在不久的将来会有一天,会最终认识的,因为世界每天都在前进和发展。
作为现代人,对于生活在至少长江以北广大区域的人们,对于日常生活工作中的供热取暖并不陌生,对于人们对于供热取暖之中的要求,也由于广大的从事供热取暖工程技术人员不懈的努力,为了人们生活工作有一个舒适的环境,设计出了供热取暖使用的自力式压差调节阀、自力式温度调节阀、自力式流量调节阀、自力式温度流量调节阀等等,也正在不断的满足人们日常生活与工作中供热取暖的要求,但是相对于其他行业而言,供热取暖对于我国在走向市场经济的时候,是一个新兴行业,也正在走入市场,所以他的发展也要滞后一些,从现在分析还不能满足日常生活工作对于供热取暖的要求,主要问题就是不能从热能量角度上,去满足日常生活与工作供热取暖的要求,上述几种调节阀均能够从某些方面满足供热取暖要求,而不能够从热能量方面给予满足要求,既是是自力式流量温度调节阀也仅仅从流量或温度的一个角度,设定优先控制指标,要么满足温度要求,要么满足流量,不能同时满足温度与流量这样两个参数,仅此而已。所以要求热能量调节阀必须满足上述调节阀所不能达到的要求,具体可以详见《热能量调节阀合作》。
对于供热取暖工程设计人员,提供了一个比较好的工具,设计时首先考虑到日常生活热能量调节阀与工作空间,据此给予合适的热能值,这样就可以做到省能,而不用以前那样给予一个估计值,然后对此进行估算,然后再根据温度或者是压力进行计算,但是尽管如此也只能是对于热能量曲线而言给出仅仅一点比较合理的供热区间,否则就是需要花费大量的时间去调整与计算,才能满足对于热能量合适区间。这是因为再热能量调节过程中,人们都无疑是把两个过程参数当做一个过程参数了,当然这是由于长期从事的工作于热能量无关所致,细细分析一下热能量,就不难发现,之所以称之为热能量,而不称为热量的原因,恐怕也是因此所致。热能量之中所含有的能量,分析主要有以下两个来源,一是来源于流量的压差,二是来源于加了热的载体水所带来的焓值热能量。这两个缺一不可,所以说现在所进行的调节都是基于流量调节,这样当然也解决了一大部分的能量调节,但是还缺少对于焓值的调节,所以还要加上温度调节阀,来凑着调节,与其说是调节还不如说是人为的凑出一个相对合理的不得已的一个值,这当然是指在供热取暖过程中,做的比较好的情况,再次一点的就是仅仅用一个流量调节阀来调节整个热能量网,虽然解决了一些问题,但是尚没有从根本上解决问题,此时为了解决供热取暖当中上述问题,不得已增加了热能量的供应,换句话说也就是大马拉小车,这样一来无形之中就浪费了热能量,这些问题都是一些常见的问题。怎样才能解决这些个问题呢?一直是困扰着供热取暖行业的大问题。对于这样一个问题,而不能很好的给予科学的解决,而只能是在某一个领域里边碰碰看,碰到了才算,这样不仅费工费时,而且还有就是对于广大的供热取暖行业来说,不能不说是一种不幸,在今天有着这样先进控制技术,对于热能量而言,就是轻而易举之事了.
在此之前,广大的暖通设计人员再设计用户的热能量时,至少要根据用户的体积和空间所需的总热能量,除上流量计的流量,一般情况下,是处以流量调节阀的70%左右开度时的流量,再以此为根据计算温度值,一般取80C°为最佳,据此一个温度与流量的计算过程完成,根据此项选择,至少需要选用两台调节阀来实现这个热能量的调节,因此热能量调节阀的出现,给广大的暖通设计人员提供了一条便捷而又好省的调节阀,只要根据热能量值就可以轻松确定所选择的热能量。
对于热能量用户而言,取暖空间是固定的,所以对于热能量需求量是一个相对比较固定的量,随着设计人员的合理选用,与此相对应的设备,就可以一次选定,不需要多次比较确定。同时也可以易于使用者调试与操作,不需要以往那样要经过比较复杂运算、调试与操作。以往都是从用户的热能量出发,要经过温度与压差的换算,但是往往是不能准确的掌握所用的热能量,有了热能量调节阀这样就可以根据厂家的说明书,或者是根据热能量曲线与根据热能量调节阀的调节范围一次到位,就可以一目了然的调节热能量了。
还有一个更为重要的问题,对于热力管网而言,就是热力平衡问题,到目前为止,已有大量的文章与文献,对此进行了大量的分析,并有一些相应的措施来解决这个问题,例如采用流量调节阀或者压力平衡阀,对此进行水力平衡的调节,这样虽然解决了一部分的问题,但是由于此类问题属于动力学与热力学的问题,采用压差或者是流量调节,只不过是解决了由于水泵带来的动力学问题,即水力平衡问题,而对于热力学所带来的焓值,由于锅炉给与水的热量或者说是温度,实际上严格讲应该是赋予了水的做功能力,才使得供热采暖中所产生的舒适环境,也就是通常所说的适宜温度。如何解决目前尚无定论,提出了一个很好的问题,要求供热采暖中,设法将两个参数组合起来,通过一台阀来调节解决,因此出现了热能量调节阀,这样一种全新的调节阀。当然这也不是就是说与以往无关,而是密切相关的,在原有的基础之上所构成的,所以说这是调节阀方面的一个进步。
所以说为设计者和操作者提供了一种非常便于使用与操作的热能量调节阀。为本来就很丰富的调节阀家族,又添加了一个有关热能量调节方面的新兄弟,为我国供热取暖行业有添加了一块砖。
中国农业机械化研究院 赵和平 电话:010-64883049
电邮:zhaoheping836@hotmail.com

By Anonymous User on 2010年9月10日
关于热(冷)能量调节阀的合作
2009-9-5
一、概述
在一般情况下,供热管网中要尽可能使得所有的地方压力均等,以确保使用热能量的用户顺利地按质按量的使用到热能量,这在以往的各个供热公司以及设计单位都花费了不少的心思,与以追求和向往的目标,但这些都是有时是可望而不可即的,受设备的限制还是不能达到与追求和向往的目标。在采暖的管网中,就有近热远冷,冷热不均是多年来困扰热网调节的老问题,其根本问题在于靠近换热站的近端用户处压力过大,导致流量与热能量供求过大,而远端用户处由于压力与流量、热能量的供求不足,设计时所考虑的热能量和流量而由于远近端,不能使充足的热能量和流量无法合理分配给各个用户。造成了同一系统内,近端用户数九寒天开窗降温,远端用户的室温大大低于基本要求,不能满足采暖所要求的室温。导致被迫加大水泵,采用大流量小温差的运行方式,这就大大增加了能耗,且改善效果十分有限。
目前所能见到的均是流速与压差的关系,这就提出了这样一个问题,在给用户提供热能量的过程中,都有哪些个参数是影响到用户的舒适度的呢?有流量、压差值就是流量值。显而易见控制流量也就是控制压差值,是目前通用的做法,这对于采暖供热系统来说是不能完全解决问题的,这是为什么呢?就是在考虑采暖供热的系统中,往往忽略了采暖供热中最重要的就是热能量,或者说是温度,但这不是普通意义上的采暖供热的温度,而是所供应的载热介质水的热能量即这个时候水的温度,此时水的温度直接影响到采暖供热的质量,可就是这样一个重要参数,竟没有控制,以至于到现在还没有清楚的认识到它的重要性,还是采用惯用的控制方法,就是现在的差压控制器控制差压或者说控制流量,或者使用温度调节阀,而没有采用温度与差压值综合控制和调节采暖供热的室温,只能采用上述方法,比如:增大水泵流量、采用大流量小温差的运行方式。但是这些都不过是权宜之计,不能从根本上解决热量不均的问题。
现在的流量与温度结合的调节阀,从原理上是当介质流量和温度组合控制时,阀门按着流量阀、温控器的输出顺序不同而依次动作。流量和温度两个参数中的任何一个参数达到或超过设定值时,阀门都将按其要求进行动作。按优先动作原理工作,不可以同时控制两个参数,由此可以看出实际上这只是两种阀的叠加作用,而不能很好的分别适应供热取暖的热能量要求。
诸如此类问题,从事供热行业的都很清楚,在供热行业中是一个很难解决的问题,就是压力与温度的同时控制,就有了如上所述流量温度调节阀的优先控制问题。经过探讨与研究,现在已经很好的解决了温度与压力同时控制问题,并且设计开发出了热能量调节阀与热能量控制阀。
二、热能量调节阀
热能量调节阀可以按照用户的要求热能量供热,当然要扣除掉中途管道损失,这样可以比较准确的设定所需热能量,从而节省了能源,是不可多得的一种热能量调节阀。
利用现有的电动流量或差压调节阀,以及温度调节阀,增加温度或者差压控制器与单板机控制部分,这样就可以完成热能量调节了,在此基础之上,还可增加热能量控制阀,组成两大系列产品。即热能量调节阀与热能量控制阀。
主体采用原来调节阀的主体部分,所以说可以免去了阀体等的大量试验工作了,只需要进行改装后的调节阀实际认证等工作,可大大加快产品化得进程,约有3个月就可以出产品,见效快,收效好。
具体请于电话联系:010-64883049;
电子信箱:zhaoheping836@hotmail.com



三、技术资料
1)热能量调节阀;
2)热能量流分析;
3)单板机的程序设计;
4)温度与差压控制器的选择;
5)电动直行程执行器;
6)热能量调节阀成本分析。
四、合作与招商方式
1、有资质的企业与生产相关压力容器、阀门的企业;
2、与供热有关设备生产厂以及有产品更新计划;
3、有相关人员技术人员与生产设备;
4、有关申请专利问题;
5、具体合作事宜,如有意向,可以面谈。
6、具体转让等事宜,面谈商定。


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