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壓力變送器是一種將壓力變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。其輸出信號與壓力變量之間有一給定的連續函數關系。

 

1阻尼系數

在壓力計量中，阻尼系數直接影響儀表的輸出特性，在需要快速響應的應用場合一般都將阻尼系數調低甚至置0處理，而在告警動作的應用場合都將阻尼系數調高甚至置#大值來避免誤報警的產生。以Rosemount儀表為例，其阻尼系數的計算公式為：

式（1）中，P=previousdampedvalue

N=newsensorvalue

T=dampingtimecosntant

U=updaterate

進一步分析計算，t是運行時間，T為阻尼時間常數，隨著時間t的不斷增加，輸出值由上次值變為本次值，整個變化過程呈階梯上升[1]。

當t為0時，即開始階段的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×（1-1）=上次

當t為T時，即經過一個時間常數后的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×63.212%

當t為正無窮時，即#后階段的輸出值：輸出值=上次+（本次-上次）×（1-0）=本次

 

類似上述阻尼系數計算方式，另一種重慶川儀的濾波阻尼計算公式如下：

式（2）中，P為經過濾波阻尼計算的終值，P0為前一次濾波阻尼計算值，P1為本次濾波阻尼的計算值，D為0s~32s之間的數值。通過D值的大小調整濾波阻尼的響應效果，將上述兩種濾波算法加入儀表中實現C語言示例代碼如下：

 

doublePreviousValue,NewValue,DampValue,Tconst,t;

DampValue=PreviousValue+(NewValue-PreviousValue)*(1-exp(-t/Tconst));

DampValue=PreviousValue*Tconst/(Tconst+0.4)+NewValue*0.4/(Tconst+0.4);

 

2輸出函數

Rosemount3051型壓力變送器中，3051CD為差壓（DP）變送器、3051CG為表壓（GP）變送器、3051CA為絕壓（AP）變送器、3051L為液位變送器。3051有兩種輸出設置：線性輸出和開方輸出。開方輸出是為了配合流量測量，讓儀表的輸出壓力值與流量值成正比例。當用戶選擇壓力變送器為開方輸出模式，當變送器檢測到輸入壓力過小接近于零時，變送器會自動切換到線性輸出模式，以確保在接近零點處輸出更為平緩而不是突變（見Rosemount說明書3.9.2）。在坐標上X為滿量程流量值%，Y軸為滿量程輸出mA值[2]。詳細的說明如下：

由壓力傳感器元件的特性限制，當0＜X≤0.6%時，K＜1.0；當0.6＜X＜0.8%時，K=42.0；當X≥0.8%時，K根據所設置量程變化。

 

例如，在K=0.36時，如果依舊用開方輸出，則K變為0.6比原來的0.36變化更劇烈，影響小壓力的變送輸出效果。因此，當小于0.6%時，開方輸出變為線性輸出。而當K>0.6時，如K由42.0變為6.48則變化更平緩，變送輸出效果變好。因此，將0.6%作為線性輸出到開方輸出的轉換點。

 

需要注意的是K值往往隨著量程比變化，當量程比越大，X值量程越大，Y值量程不變，K值越小越平緩。反之，量程比越小，X值量程越小，K值越大越陡峭，輸出變化越劇烈影響變送輸出效果。常用的做法是量程比小時（小于10:1），變送器本地開方輸出保證變送效果；量程比大時（大于10:1），變送器線性輸出保證變送效果（在后端系統中開方）[3]。

 

3051變送器為兩線制4mA～20mA輸出，硬件具有自我診斷功能。當診斷檢測到故障之后，變送器會把環路電流強置到正常飽和值范圍之外，變送器可以根據故障模式報警跳線的位置，把輸出強制設置為高值或低值。依據4mA～20mA的HART報警定義：低時，4mA～20mA飽和電流為3.9mA，報警電流≤3.75mA；高時，4mA～20mA飽和電流為20.8mA，報警電流≥20.75mA。在進行3051的零點調整時，零壓力下的變送器PV值必須在URL的3%范圍之內，才能夠使用零點調整功能進行校準操作。

 

3開方運算

壓力變送器和差壓變送器的輸出方式有線性輸出和開方輸出。上述文中已經對兩種方式的輸出特點做了說明，但是針對開方輸出，輸出的具體計算公式一直未明確。如變送器設置為開方輸出，后端的積算儀設置為開方采集。如果變送器的下限為0時，開方的計算公式不會混淆，但一旦不為0時，積算儀二次表采集就會出現混亂造成瞬時流量和累積流量錯誤，且不易發現問題。

舉例說明：變送器的下限為2kPa（4mA）、上限為10kPa（20mA）。

當變送器設置為線性輸出，差壓為5kPa時，輸出量程37%，電流10.0mA。

當變送器設置為變送輸出，差壓為5kPa時，輸出量程37.961%，電流13.8mA。開方的內容是指電流值（百分比），而不是針對具體的電壓值進行逐個開方，可以理解為將線性輸出的電流百分比值計算好以后再進行開方運算得到的結果。

錯誤的計算公式計算電流為11.52mA：

由計算公式可以很明顯地看出，當變送器下限為0時，兩個計算公式的結果相同，沒法察覺錯誤的產生。目前，市場在用的積算儀、流量計算機針對變送器的開方運算也在用上述錯誤的計算公式。因此，沒有特殊原因的情況下，盡可能把變送器的下限設置為0[5,6]。

 

4溫度補償

壓力傳感器的元件特性受溫度影響較大，做溫度測量的感溫元件一般有RTD和NTC[7]，電阻封裝的RTD溫度特性遵循Callender-vanDusen公式：

依據IEC標準，α為3.9083E-3，δ為-5.775E-7，β為-4.183E-12。

式（4）中：Rt是t℃時的電阻值。

R0是0℃時的電阻值。

A、B、C是傳感器的特定常數。

依據IEC標準，A為3.9083E-3，B為-5.775E-7，C為-4.183E-12。

 

針對壓力和差壓傳感器溫度補償的資料有很多，傳統的壓力傳感器有藍寶石壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器和電容式差壓傳感器及單晶硅壓力傳感器。傳感器受元件的自身特性影響，在20℃標定的數值，一旦環境溫度發生較大變化就會對傳感器自身的非電量特性產生影響。溫度補償方式分為硬件補償和軟件補償，硬件補償的穩定性較好，利用元件自身的溫度特性將壓力傳感器的溫度偏移抵消掉。軟件補償是目前較為常用的補償方法，針對傳感器現在的應用環境分幾個溫區（-30℃、-10℃、20℃、50℃和70℃）進行逐點標定，然后將這些數據結合坐標軸的壓力和溫度點一起寫入傳感器后端的處理電路中，保存校準數據的介質一般為flash、eeprom或者鐵電存儲器，溫度補償的過程會影響變送器的輸出準確度及變送效果。

 

5結論

詳細闡述了壓力變送器阻尼系數、輸出函數、開方運算和溫度補償，讓使用者更明確壓力變送器上述幾個參數的設置過程，對變送器線性輸出和開方輸出在壓力零點附近的函數切換做了詳盡的解釋，變送器斜率大時選擇開方輸出，斜率小時選擇線性輸出。并說明了當變送器下限不為零時，變送器的開方計算過程。本文有助于儀表從業者對工業變送器的正確設置和應用，達到了預期的應用效果。