测 控 基 础(2)-2压力

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1、 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变 送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、流量 、温度、液位等），变换成统一标准信号，然后根据系 统的需要，传送到有关单元控制和显示或记录。变送单元根据被测参数的不同，可分为压力变送器、差 压变送器、液位变送器和温度变送器等。根据能源来分，有气动变送器和电动变送器，下面我们 先介绍气动变送器。 第五节 压力、差压变送器（一）气动仪表基本元部件气动仪表中常遇到的元件及组件： 1气阻：在气动单元组合仪表中，如同电子线路中“电 阻”的作用一样，气阻在气动管路中起着压力降和改变 气体流量的作用。气阻按其结构，可分为恒气阻与可调气阻两类。 恒气阻：在

2、气动单元组合仪表中称为恒节流孔。即流通 截面积不能调整的节流元件，在气路中恒气阻用下列符 号表示。压力、差压变送器（续）气动仪表基本元部件（续）恒气阻的结构一般有三种形式，如下图所示。可调气阻：即流通截面积可以调整、气体通过时压力降 可以改变的节流元件。在气路中可调气阻用下列符号表示。在气动单元组合仪表中是个关键元件。通过它可以整定微 分时间、积分时间、比例度和配比值。可调气阻的结构形式很多，常见的结构形式如图所示 气动仪表基本元部件（续）气阻对空气流动的阻碍程度，一般用气阻R来定量的表 示。气阻值的大小等于每增加单位质量流量的气体所需 要增加的压力差，即：式中： P 气阻前后的压降；M 流过

3、气阻的质量流量；R 气阻值。 气动仪表基本元部件（续）2气容 凡是气体流过时，能储存或放出气体的气室称为气容。气 容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用。气容在数值上定义：使气室内压力增加或减少单位数值， 所需要增加（或减少）的空气量。可表示为在气动仪表中很少单独使用气容，往往与气阻组成阻容藕 荷组件 气动仪表基本元部件（续）3、节流通室 由一个变气阻、一个气容和一个恒气阻串联而成的组件 叫节流通室。如图所示。 在稳定的状态下，单位时间内流过气阻R1的流量M1，应等 于单位时间流过气阻R2的流量M2。由于所以 节流通室示意图气动仪表基本元部件（续）当P3通大气，即P3（表压）= 0 上式整理可得

4、式中 可见，当可调气阻R1一定时，即K为定值时，P2随P1成比例变化。改变R1的阻值，就可以改变P1与P2的比例关系。 气动仪表基本元部件（续）4喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控 制元件，也是最基本的元件之一，一般用下面符号表示 。喷嘴挡板机构是由恒气阻、 气容和喷嘴挡板构成的变气阻 串联而成的节流通室， 其机结构如右图所示喷嘴后的气容称为喷嘴背压室，室内压力称为喷嘴背压P背，此压力即为喷嘴挡板机构的输出压力。 压缩空气（约0.14MPa）作为气源，经恒气阻进入背压室 后，再由喷嘴挡板间隙排出（一般排入大气）。气动仪表基本元部件（续）气动仪表基本元部件（续）气流经过恒气阻时，由于

5、恒节流孔孔径很小（一般为 0.150.3mm），它将对压缩空气的流动造成很大的阻力 ，只是很少流量的气流通过恒节流孔进入背压室。而背压 室中的压力是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板 靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升；反之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，由于喷嘴内径（一般为0.81.2mm）比恒节流孔径大，所以压缩空 气很自由地跑到大气中，则P背下降。因此喷嘴挡板间的 距离h不同，就有不同的P背，从而完成了挡板的微小位移 转换成气压信号的任务。喷嘴挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系一般由实 验求得。特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，曲线不 够陡，也不直，即喷

6、嘴挡板机构的灵敏度与线性均不好。常 常只用中间ab段。在此段，挡板位移h与P背的变化比较符 合线性规律，并且斜率也较陡。在此段内各点均有较稳定的 放大倍数，机构工作既灵敏又稳定. 与曲线a至b这一段相应 的位移hbha，一般只有百分只几毫米。压力变化范围PaPb只有0.008MPa，但经放大器放大10倍后，输出压力在0.020.1MPa范围内变化。 气动仪表基本元部件（续）5功率放大器利用喷嘴挡板机构，可以将挡板微小的位移量转换成相 当大的喷嘴背压P背，而且在一定的工作范围内，两者近 似成线性关系。在输出气压之前，要先把背压进行功率放大（压力和流 量都放大），使它变为标准统一信号并有足够的功率

7、将 信号远传。因此，功率放大器是气动仪表的主要部件之一，功率放大器一般用符号表示。 气动仪表基本元部件（续）耗气型功率放大器原理图1一阀杆； 2一膜片： 3一弹簧片：4一球阀耗气型功率放大器：主要由金属膜片2、阀杆1、弹簧片3和球阀4组成。阀杆的 上下端各构成一个变气阻。一个是圆球圆柱形，一个是圆 锥圆柱型组成的节流通室。功率放大器的输入是喷嘴背压 室的压力。而通室B中的压力就是功率放大器输出的压力。气动仪表基本元部件（续）通室压力的变化取决于两个变节流阀的开度比。当挡板靠近喷嘴时，背压增大，作用于金属膜片2上的压力 就增大。因此，通过金属膜片2对阀杆产生的推力就增大， 阀杆向下位移。使球阀开

8、大，锥阀关小，改变了两个变节流 阀之间的开度比，即决定了放大器的输出。因为锥阀的变小 ，C气室的排气量减少。球阀的打开使气源由A室大量进入B 室，由于排气量减少，进气量增加，所以B气室的输出气压 增加。反之，如背压减少，阀杆上移，关小进气球阀开大排气锥阀 ，故B室的输出气压降低。气源A室与输出B室之间仅有一个球阀控制，只要球阀一微小 的位移，就可保证有足够的气量从A室进入B室，输出由B室 引出。这个气流输出量大大地超过了进入D室的气流量，实 现了气流量的放大，同时把背压也放大了约610倍。气动仪表基本元部件（续）（二）气动压力变送器压力变送器的作用是，连续测量生产过程中各种液体、 蒸汽和气体压

9、力，并把这一压力成比例地转换成统一的气 压信号（0.020.1MPa），送至有关的气动单元仪表， 以实现压力的显示和调节。压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对 压力的绝对压力变送器。1基本原理：气动压力变送器，是根据力矩平衡原理工 作的。它是由测量部分和气动转换部分组成。前者接受被 测压力，并将其转换成力；后者将此力再转换成0.02 0.1MPa的气压信号。压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力 的范围而定。常用的有下列几种：气动仪表基本元部件（续）（1）波纹管式波纹管式用来测量低压力（02.5MPa）的敏感元件一般 采用黄铜或不锈钢制成的波纹管，其结构原理如图所示。

10、当被测压力通入测量室时，波纹管产生一轴向推力，经测 量波纹管转换成测量力，通过推杠作用在主杠杆上，传递 到气动转换部分。波纹管式1-测量波纹管；2测量室 3推杆；4螺帽；5主杠杆 6出轴膜片 气动压力变送器（续）（2）弹簧管式测量中、高压（2.510MPa、1060MPa）的敏感元 件一般采用铬钒钢制成的弹簧管，其测量部分的结构原 理如图所示。当被测压力P进入弹簧管内时，弹簧管末 端便产生一径向力，这个力经过拉杆传递到气动转换部 分的主杠杆上。弹簧管式 1弹簧管；2推杆；3主杠杆 4-出轴膜片；5支架；6-螺帽 7壳体 气动压力变送器（续）（3）双波纹管真空补偿式双波纹管真空补偿式，用来测量绝

11、对压力，测量部分结 构原理如图所示。它是由安装在同一轴线上有效面积相 同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管1为测量波纹管，波 纹管2为补偿波纹管，预先抽成真空，然后密封。其工 作原理如下。双波纹管式 1测量波纹管；2补偿波纹管 3推杆；4主杠杆气动压力变送器（续）由于两个波纹管的有效面积相同，即A1 = A2，当被测的 绝对压力P1进入测量波纹管1时，在被测压力P1与大气压 力P2的差压作用下，测量波纹管底部产生一个推力F1， 其值为： F1P 1 A 1P 2 A 2 由于补偿波纹管内部已抽成真空，所以它仅仅受到周围 大气压力P2的作用，在它的底部所产生的轴向压缩力:F 2 = P2A2因此，作

12、用在主杠杆4上的合力（即测量力）为：FF.1F.2P1A1P 2 A 2P 2 A 2P 1 A 1从上式可以看出，测量力F与被测绝对压力P1成正比， 而与大气压力无关，故测得的压力为绝对压力。补偿了 由于大气压力变化而引起的测量误差。 气动压力变送器（续）气动压力变送器（续）2单杠杆压力变送器 单杠杆压力变送器是根据力矩平衡 原理工作的。被测压力P通过弹性元 件转换为测量力F1，作用在主杠杆的 下端，对支点（即密封膜片）产生 一个顺时针方向的力矩M1，使主杠 杆作顺时针方向偏转。主杠杆上端 的挡板靠近喷嘴，引起喷嘴背压增 加，此压力经过功率放大器放大后 作为P出输出。变送器输出也进入反 馈波

13、纹管内，并产生一个反馈力F2， 由于反馈力的作用使主杠杆对支点 产生一个逆时针方向力矩M2，这样 ，主杠杆上作用着两个力矩.单杠杆压力变送器（续）主杠杆上作用着两个力矩，即由测量部分产生的 顺时针方向力矩M1和由反馈波纹管产生的逆时针 方向力矩M2，这两个力矩决定着主杠杆的运动状 况。当两者相等时，主杠杆就处于平衡状态，喷 嘴挡板间的距离就不再改变。这时，就有一个与 压力P相对应的气压信号P出输出。根据力矩平衡原理推导出P出与P的关系。 假定反馈波纹管的有效面积为A2，波纹管内的压力为P出， 则有反馈力F2为：F2P出A2 (1) 同理测量力F1可以写成F1PA1 (2) 式中 P被测压力A1

14、-决定于弹性元件特性的一个系数。假定测量力F1离支点的距离为l1，反馈力F2离支点的距离 l2，则作用在主杠杆上的两个力矩分别为M1F1 l1 =PA1 l1 (3)M2F2 l2=P出A2l2 (4) 单杠杆压力变送器（续）当M1M2时，则有PA1l1P出A2l2 （5）(6)由此可见，根据上述力矩平衡关系，A1、A2近似常数，l1 是恒定不变的，而l2调整到某一固定值，主杠杆平衡时， 变送器输出信号P出与输入压力P之间具有固定的一一对应 的比例关系。若令 (7) 则（6）式可写成 P出K1P (8) 式中K1称为单杠杆压力变送器的放大系数，改变K1就可改变 变送器的测量范围。单杠杆压力变送

15、器（续）当变送器结构确定后，A1、A2、l1都是固定的，要 改变K1唯一可变的是l2。l2可以通过移动量程支点（ 即反馈波纹管的支点）来改变。当l2变大（负反馈 力矩变大）时，则K1变小，在输出范围（0.02 0.1MPa）相同时，量程就可以变大；反之，l2减小 ，K1值就增加，量程就变小。当量程支点移到主杠 杆的最上端时，l2增至最大，K1最小，变送器达到 它的最大量程。要使这种变送器的最大和最小量程之比越大，主杠 杆就应越长。主杠杆过长，一方面影响变送器的精 度；另一方面使仪表体积变大。所以，单杠杆压力 变送器的最大和最小量程之比不能太大（一般为 6.25），这是它的缺点。为了提高量程的可变范围 ，可以采用双杠杆压力变送器。单杠杆压力变送器（续）（三）力平衡式电动差压变送器力平衡式电动变送器是DDZ-型表，采用 了420mA DC的信号制，可使电源及信号传 递共有二根线，构成二线制变送器，同时24V 电源供电提高了安全性。变送器量程调整方便，可采用更换动圈抽头和 改变矢量角的办法调整量程，比改变杠杆活动 支点的方法方便