压力检测仪表与变送器

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1、第一节压力检测仪表及变送器、概述 在化工、炼油等生产过程中，经常需要对压力和真空度进行检测和控制。 根据生 产过程的不同要求有的需要检测比大气压力高很多的高压，例如高压聚 乙烯要在 150Mpa 的压力下进行反应。而有的生产过程却需要检测比大气压力 低的真空度，例如 炼油厂的减压蒸憎则需要在一定的负压下才能进行正常操作。 此外，通过检测压力还 可以间接测量液位的高低、流量的大小等，也可以判断 设备的工作善。因此，为了保 证产品质量、提高生产效率、确保生产安全顺利 地进行，必须对压力进行检测或按一 定的要求对压力进行控制。所谓压力p是指垂直而均匀地护用于单位面积上的力。其数学表达式为p = g（

2、 3_15）式中p为压力，F为垂直作用力，S为受力面积。在国际单位制（代号si）和我国法定计量单位中规定，压力的单位是帕斯卡，简称 帕，符号Pa,它表示每平方米的表面上垂直作用1牛顿的力，即IPa = lN/m20由于帕的单 位太小，因此，工程上还常用千帕（kPa）和兆帕（MPa）压力单位，它们之间的关系为： lMpa= 1 X 10*kPa= 1 X 106Pa工程上习惯用的压力单位还有工程大气压（kgf/cm?）、标准大气压（atm） 毫米水 柱（mmHzO）、毫米汞柱（mmHg）等，按照有关规定，这些单位已不再使用，但为了 解这些单位与国际单位制中压力单位的关系，列出 表 3 5供参考。

3、表 3-5 各种压力单位换算表魏位名称帕（斯卡）PPa千克力每平方厘米 （工程大气压） kgf/cm2毫米汞柱mmHg亳米水柱mmHzO标准大气压alm巴barIPa (帕)10.0197X1050.75X10-1.0197x1a10.987 Xio-51 X 105Ikgf/cm2l 千克力毎平方厘米）0.9807 X JO610.73556x2I(H0.96780.98071 mmHg（1临米汞柱）L332X1O21.3595 x 10311.3595X101.3I6X1 (rx1332X161ImmH.O（1吃米水柱）0.9807X101040.731556X10410.9678 X 1

4、040.9807 X 10-4latm（1标准人气圧）1.01325 X1051.03327601.0332X 1211.01325Ibar (1 E)lXltP1.01970.75 X1051.0197XKH0.9869压力检测中，常月冃绝对压力、大气压力、表压（力）、负压（力）或真空度等概念，它们各自的意义及相互之间的关系为绝对压力P绝：是指物体上所受的实际压力（包含大气压力）。 大气压力 P 大：是空气柱形成的压力。表压 P 如是指高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即P&=pAp 火负压 P 负：是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即p Vj P 大 P 绝绝对压力、表压、负压

5、和大气压力的关系如图 3-21所示。检测绝对压力的仪表称为绝对压力表，检测表压的仪表称为压力表。真空 空用低于 大气压力的数值表示，绝对压力为零的表示为绝对真空。检测负压的 仪表称为真空表， 既能检测表压乂能检测负压的仪表称为压力真空表。山于各 种工艺设备本身就处于大 气之中，因此工程上多采用压力表或真空表测量各种 设备的压力，只要无特殊要求，一 般采用表压加大气压力的方法来求得被测压 力的绝对压力值。检测压力的仪表类型很 多，如果按其转换原理的不同，大致 可分为以下四类：（-）液柱式压力计它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来进行测量。利用 这一原理 检测压力的仪表有U型管压力计

6、、单管压力计及斜管微压计等。（二）弹性式压力表及压力变送器它是基于弹性元件受压后产生的弹性变形位移与被测压力间呈一定关系的 原理制 成的。例如，单圈（或多圈）弹簧管压力表、膜片（或膜盒）压力表及 波纹管压力表 等。如果通过波纹管（测低压）或单圈弹簧管（测中、高压）把所测压力转换 为 20lOOkPa统一标准的气压信号或010mA的直流电流信号输出则为气动 或电动压力变 送器。压力变送器输出的标准信号可以送往显示仪表进行压力显 示；也可以送往调节 器，作为自动控制的依据。有关十四行诗为送器的工作原 理，将在差压变送器一节予 以介绍。（三）电气式压力计它是通过机械和电气元件把被测压力转换成电量来进

7、行测量的仪表，例如 应变片 式、霍尔片式、电容式、电阻式等电气式压力计。（四）活塞式压力计它是根据水压机流体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加 舷码的 质量来进行测量的。这是一处标准仪器，通常用来对弹簧管压力表进行 校验或刻度。二、弹性式压力表（-）弹性元件弹性元件是弹性式压力表的感压元件，它在受到压力作用时产生相应的弹 性变形 （位移），根据弹性元件机械位移的程度来度量压力的大小。对于不同的测压范围，所 用的弹性元件也各不相同，常用的弹性元件有如图 3-22所示 的儿种类型。1、弹簧管单圈弹簧管（图a）是弯成圆弧形的金属管子，截面做成扁圆形或椭圆形。当通 入压力p后，其自由端产生

8、位移，但位移较小。为了增加自由端的位移量 以提高灵敬 度，可以采用多圈弹簧管（图 b） O2、弹性膜片膜片（图C）III金属或非金属材料制成，在压力作用下产生变形。此外也有用两张 金属膜片沿周边对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体（例如硅油）称 为膜盒（图 d）。 膜盒常用来测量压差。3、波纹管它是一个周围呈波纹状的薄壁金属筒体（图 e） ,这种弹性元件变形位移 大。上述各种弹性元件中，波纹管和膜片多用于低压和微压检测，而弹簧管则 可用于高 压、中压、低压及负压的检测，特别是单圈弹簧管压力表，山于其结 构简单、价格便宜、 性能可靠、维修方便及测压范围广等优点，在工业上的应用很广泛。因此，下面仅以单

9、 圈弹簧管压力计为代表加以介绍。（二）单圈弹簧管压力表如图 3-23 所示，单圈弹簧管压力表主要曲感压元件、传动放大机构、指 针及刻度 标尺等组成。感压元件单圈弹簧管 1是一根弯成圆弧的扁圆形或椭圆 开截面的金属管。 管子的自由端B封闭，管子的另一端固定在接头9上，当通往被测压力p后，在压力p 的作用下使扁（椭）圆形截面趋向圆形，弯成圆弧 形的弹簧管随之生产向外挺直的扩张 变形，从而使弹簧管的自山端 B 产生位移, 但这个位移量太小，因此，必须通过放大机 构放大最后才能进行显示。传动放 大机构由拉杆、扇形齿轮及中心齿轮组成。当弹簧管 自山端向外挺直变形时， 这一位移牵动拉杆 2,带动扇形齿轮

10、3作逆时针偏转，从而带动 中心齿轮 4及 同轴上的指针 5一起作顺时针偏转，在面板 6的刻度标尺上指示出被测压 力p的数值。山于弹簧管自山端的位移与被测压力大小成正比，因此仪表刻度标尺是线 性的。游丝 7用来消除扇形齿轮和中心齿轮间出现的啮合间隙，并帮助指针准确 回零，以 提高压力表的精确度。改变调螺钉 8的位置即改变机械传动的放大系 数，可以实现压力 表指示值的调整。单圈弹簧管压力表的测压范围极宽，低至高真空度，高达lOOOMpa的超高 压。弹 簧管的材料，随被测介质的性质和被测压力的高低而异。一般是当p20Mpa时，采用不锈钢或合金钢。”选 用圧力表时，还必须注意被 测介质的化学性质。例如

11、测量氨气压力时，绝不能 选用铜质材料的弹簧管；测量氧气压 力时，严禁与油脂接触，否则有爆炸危险。单圈弹簧管式的仪表也可以做成测负压的真空表。这时，弹簧管开口端接 被测的负压客，其自山端的位移方向正好与测表压的相反，所以指针的偏转方 向和刻度标尺 的方向都反过来了。此外，还可将普通单圈弹簧管压力表稍加改变，便可成为电接点信号压力 表，它 能在压力偏离规定范圉时，及时发出信号，提醒操作人员注意或通过中 间继电器实现 压力的自动控制。图 3-24所示为电接点信号压力表的工作原理 示意图。压力表指示指 针上有动触点3,表盘上另有两根可调节的指针，它们 分别带有静触点 1和2。当压力达 到（或超过）规定

12、的上限压力值时，动触点 3与静触点2接触，电路接通红灯亮；若压 力下降至规定的下限压力值时，动触 点 3与静触点 1接触，另一条电路接通黄灯亮。静 触点位置可根据工艺需要灵 活调节。三、电气式压力计将压力转换成电量进行检测的仪表称为电气式压力计。它一般由压力传感 器、测 量线路和显示装置组成，如图 3-25所示。传感器的作用是把被测压力信号转换成电信号输出。转换的方法有两种， 一种是 以弹性元件为感压元件，通过某些电气装置把弹性元件的机械位移转换 为电量的变 化。如电阻式、电感式及霍尔片式压力传感器。这类压力计都是先 经弹簧管把压力变 换成位移后再转化为电量进行测量，所以它们不适应测量快 速变

13、化的脉动压力和超高 压力。另一种转换方法是利用某些机械和电气元件把 被测压力转换成电信号，如应变 片式、压阻式、电容式等。这类仪表由于所用 检测元件本身可以产生远传的电信号， 动态性能较好，且而高压，故适用于测 量快速变化的脉动压力和超高压等场合。下面 简单介绍霍尔片式和应变片式压 力传感器。（-）霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是利用霍尔元件，将山压力引起的弹性元件的位移转 换成相 应的电势信号输出。霍尔元件是一块半导体错薄片，如图3-26 （a）所示，在其Z轴方向加一磁场强 度为B的恒定磁场，沿Y轴方向外加电场（直流稳压电源），使得有恒 定的电流I通 过霍尔片（自由电子则逆Y轴方向运

14、动）。由于电磁力的作用，电子在霍尔片中的运 动轨迹发生偏移，于是在X轴方向的一个端面上有电子积累，而另一端面上则产生等 量正电荷，两者间形成电位差。此电位差称为霍尔 电热VH。这一物理现象称为霍尔效 应。霍尔电势VH的大小与霍尔片的材质及儿何尺寸、恒定电流I、磁场强度B 等有关，用数学式表示为VH=KHBI（ 3-16）对于材料和结构已定的霍尔元件，其霍尔电势VH仅与B和I有关。当I恒 定时， 霍尔电势Vh与磁场强度B有单值函数关系。若霍尔片在一不均匀磁场中位移，那么霍 尔电势的大小就随磁场强度也即位移量而变化。如图3-26 （b）所示的就是利用这一原理工作的霍尔片式压力传感器。它主要山弹 簧

15、管 1、固定在弹簧管自山端上的霍尔片 3以及位于霍尔片上下的两 对磁极 2等组成。 当被测压力 p 山弹簧管固定端引入后，弹簧管自由端位移带 动霍尔片在两对磁极形成 的非均匀磁场中移动，从而产生一个与被测压力成正 比的霍尔电势Vh。霍尔电势送至 动圈指示仪或电子电位差计可进行压力指示和 记录。（二）应变片式压力传感器 应变式压力传感器是利用电阻应变原理测量压力的。被测压力使应变片的 电阻值 变化，然后经过桥式电路转换为毫伏级电压信号输出，再送给显示仪表 进行指示记录。图 3-27 是应变片式压力传感器示意图。应变片是把应变丝（康铜或傑縮 合金等细 丝）粘贴在衬底上而成。将两片应变片门和门粘紧在应变筒1的外壁 上，门沿应变筒轴 向贴放，作为测量片；门沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与应变筒之间不应发生 相对滑动且保持电气绝缘。当被测压力p作用于密封膜片（不锈钢片）3使应变筒作轴 向受压变开时，沿轴向贴放的应变片门也将 产生轴向压缩，门的阻值变小，而沿径向贴 放应变片门受到纵向拉伸，门阻值变大。n r2是测量桥路中相邻两个桥臂的电阻，门、 口是桥路中另两个固定电阻。设计时使得：口二门二！尸口时，电桥平衡，其输出电压 V = o。测压力