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1、第三章检测仪表与传感器 本章主要内容：本章主要内容：3.1 概述概述3.2 温度检测温度检测3.3 流量检测流量检测3.4 压力检测压力检测3.5 物位检测物位检测3.8 变送器变送器3.9 现代传感器技术的发展现代传感器技术的发展基本要求v1、掌握仪表精度的意义与测量仪表误差的关系v2、掌握仪表的性能指标v3、了解压力、流量、液位和温度的测量原理及相关测量仪表的选用及安装的注意事项检测检测是实施正确控制的第一步，也是关键的一是实施正确控制的第一步，也是关键的一步没有准确无误的检测，就不可能有良好的控制步没有准确无误的检测，就不可能有良好的控制变送变送是将检测元件输出的各种信号、微弱信号转是将
2、检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成化成统一统一(标准标准)的电气信号的电气信号。这是进行控制的保证，这是进行控制的保证，是重要的一步是重要的一步 静态：静态：正确正确y(t)正确反映正确反映P(t)的值的值 可靠可靠长期工作长期工作动态：动态：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映P(t)的变化的变化过程控制对检测仪表要求过程控制对检测仪表要求：检测变送的重要性检测变送的重要性一、一、 测量过程与测量误差测量过程与测量误差 1 1、测量过程、测量过程参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。参数
3、检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。被测被测变量变量传感器传感器参数检测的基本过程参数检测的基本过程被测对象被测对象变送器变送器显示装置显示装置 传传传传感感感感器器器器又又又又称称称称为为为为检检检检测测测测元元元元件件件件或或或或敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件，它它它它直直直直接接接接响响响响应应应应被被被被测测测测变变变变量量量量，经经经经能能能能量量量量转转转转换换换换并并并并转转转转化化化化成成成成一一一一个个个个与与与与被被被被测测测测变变变变量量量量成成成成对对对对应应应应关
4、关关关系系系系的的的的便便便便于于于于传传传传送送送送的的的的输输输输出出出出信信信信号号号号，如如如如mVmV、V V、mAmA、HzHz、位移、力等等。位移、力等等。位移、力等等。位移、力等等。 第一节第一节第一节第一节 测量仪表基本知识测量仪表基本知识测量仪表基本知识测量仪表基本知识 由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步往很微弱，一般都需要经过变送
5、环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如处理，把传感器的输出转换成如处理，把传感器的输出转换成如处理，把传感器的输出转换成如0 010mA10mA、4 420mA20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特等标准统一的模拟量信号或者满足特等标准统一的模拟量信号或者满足特等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为定标准的数字量信号，这种检测仪表称为定标准的数字量信号，这种检测仪表称为定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送变送变送变送器器器器。 2 2、测量误差、测量误差测量误差测量误差仪表测得的仪表测得的测量值测量值 与与被测真实值被测真实值 之差之差 由由由由于于于于真
6、真真真实实实实值值值值在在在在理理理理论论论论上上上上是是是是无无无无法法法法真真真真正正正正被被被被获获获获取取取取的的的的，因因因因此此此此，测测测测量量量量误误误误差差差差就就就就是是是是指指指指检检检检测测测测仪仪仪仪表表表表（精精精精度度度度较较较较低低低低）和和和和标标标标准准准准表表表表（精精精精度度度度较较较较高高高高）在在在在同同同同一一一一时时时时刻刻刻刻对对对对同同同同一一一一被被被被测测测测变变变变量量量量进进进进行测量所得到的行测量所得到的行测量所得到的行测量所得到的2 2 2 2个读数之差。个读数之差。个读数之差。个读数之差。 即：即：即：即：x x0 0标准表读数
7、标准表读数标准表读数标准表读数测量误差的几种表示形式测量误差的几种表示形式：绝对误差绝对误差绝对误差绝对误差实际相对误差实际相对误差实际相对误差实际相对误差标称相对误差标称相对误差标称相对误差标称相对误差相对百分误差相对百分误差相对百分误差相对百分误差二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标1 1、测量仪表的准确度（精确度）、测量仪表的准确度（精确度）一一台台测测量量范范围围01000kPa的的压压力力测测量量仪仪表表，其其最最大大绝绝对对误误差差10kPa(在在整整个个量量程程范范围围内内)，另另一一台台测测量量范范围围0400kPa的的压压力力测测量量仪仪表表，其其最最大大绝绝对对误误差差5k
8、Pa， 请请问问哪哪一一台台压压力力检测仪表的精度更高？检测仪表的精度更高？虽虽然然后后者者的的最最大大绝绝对对误误差差较较小小，但但这这并并不不说说明明后后者者较较前前者者精精度高。度高。在在自自动动化化仪仪表表中中，通通常常是是以以最最大大相相对对百百分分误误差差来来衡衡量量仪仪表表的的精确度，定义仪表的精度等级。精确度，定义仪表的精度等级。 由于仪表的由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分
9、误差差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差: :仪表的仪表的精度等级精度等级（精确度等级精确度等级）是指仪表在）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。 1 1、仪表的精确度等级、仪表的精确度等级仪仪仪仪表表表表的的的的精精精精度度度度等等等等级级级级（精精精精确确确确度度度度等等等等级级级级）是是是是指指指指仪仪仪仪表表表表在在在在规规规规定定定定的的的的工工工工作作作作条条条条件件件件下下下下允允允允许许许许的的的的最最最最大大大大相相相相对对对对百百百百分分分分误误误误差差差差。把把把把仪仪仪仪表表表表允允允允许许许许的的的的
10、最最最最大大大大相相相相对对对对百百百百分分分分误误误误差差差差去去去去掉掉掉掉“ “”号号号号和和和和“ “” ”号，便可以用来确定仪表的精度等级。号，便可以用来确定仪表的精度等级。号，便可以用来确定仪表的精度等级。号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有： 0.0050.0050.0050.005，0.020.020.020.02，0.050.050.050.05，0.10.10.10.1，0.20.20.20.2，
11、0.40.40.40.4，0.50.50.50.5，1.01.01.01.0，1.51.51.51.5，2.52.52.52.5，4.04.04.04.0等。等。等。等。所所所所谓谓谓谓的的的的0.50.50.50.5级级级级仪仪仪仪表表表表，表表表表示示示示该该该该仪仪仪仪表表表表允允允允许许许许的的的的最最最最大大大大相相相相对对对对百百百百分分分分误误误误差差差差为为为为 0.50.50.50.5，以以以以此此此此类推。类推。类推。类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：精度等级一般用
12、一定的符号形式表示在仪表面板上：1.51.0仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级精度等级数值小于等于数值小于等于0.050.05的仪表通常用来作为标准表的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的而工业用表的精度等级数值一般大于等于精度等级数值一般大于等于0.50.5。 例例1 1 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，其最，其最大绝对误差为大绝对误差为4 ，试，试确定确定该仪表的该仪表的精度等级精度等级。 由于国家规定的精
13、度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级仪表，级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了而该仪表的最大引用误差超过了0.50.5级仪表的允许级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.01.0级。级。解解 仪表的最大允许误差为仪表的最大允许误差为 例例2 2 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，工艺要工艺要求求该仪表指示值的误差不得超过该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选，应选精度等精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。级为多少的仪表才能满足工艺要求。0.8%介介于于允允许许误误差差0.5%与与1.0%之之间间
14、，如如果果选选择择允允许许误误差差为为1.0%,则则其其精精度度等等级级应应为为1.0级级。量量程程为为6001100，精精确确度度为为1.0级级的的仪仪表表，可可能能产产生生的的最最大大绝绝对对误误差差为为5=1%（1100-600），超超过过了了工工艺艺的的要要求求( 5 4)。所所以以只只能能选选择择一一台台允允许许误误差差为为0.5%，即即精精确确度度等等级级为为0.5级级的的仪仪表表，才才能能满满足足工工艺艺要求。要求。 0.5 %（1100-600）=2.54解解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：结论：校表：校表： 选表：选表：上下限的选择
15、上下限的选择:仪表量程的上限：仪表量程的上限：Ymax: 4/33/2倍（被测变量）倍（被测变量） 波动较大时：波动较大时：3/22倍（被测变量）倍（被测变量）下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。可以减小测量误差，提高测量准确性。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越
16、高。计计=0.8=0.8校表只能是校表只能是1.01.0级级选表要选选表要选0.50.5级级例题分析举例举例举例举例1.1.某某台台往往复复式式压压缩缩机机的的出出口口压压力力范范围围为为25252828MPa，测测量量误误差差不不得得大大于于1 1MPa。工工艺艺上上要要求求就就地地观观察察，并并能能高高低低限限报报警警，试试正正确确选选用用一一台台压压力力表，指出型号、精度与测量范围。表，指出型号、精度与测量范围。 解由由于于往往复复式式压压缩缩机机的的出出口口压压力力脉脉动动较较大大，所所以以选选择择仪表的上限值为仪表的上限值为 根根据据就就地地观观察察及及能能进进行行高高低低限限报报警
17、警的的要要求求，由由本本章章附附录录，可可查查得得选选用用YX-150-150型型电电接接点点压压力力表表，测测量量范范围围为为0 06060MPa。 例题分析 由于于 ，故被测压力的最小值不低于满量程的，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/31/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为算得允许误差为 所以，精度等级为所以，精度等级为1.51.5级的仪表完全可以满足级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX- -150150型电接点压力表，测量范围为型电接点压力表，测量范
18、围为0 06060MPa，精度等，精度等级为级为1.51.5级。级。 课堂练习vP101 v52.2.变差变差 变变差差是是指指在在外外界界条条件件不不变变的的情情况况下下，用用同同一一仪仪表表对对被被测测量量在在仪仪表表全全部部测测量量范范围围内内进进行行正正反反行行程程（即即被被测测参参数数逐逐渐渐由由小小到到大大和和逐逐渐渐由由大大到到小小）测测量量时时，被被测测量量值值正正行行和和反反行行所所得到的两条特性曲线之间的差值得到的两条特性曲线之间的差值。 图3-1 测量仪表的变差仪表的变差不能超出仪表的允仪表的变差不能超出仪表的允仪表的变差不能超出仪表的允仪表的变差不能超出仪表的允许误差，
19、否则应及时检修。许误差，否则应及时检修。许误差，否则应及时检修。许误差，否则应及时检修。 二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标产生原因产生原因: :传动机构间存在间隙和摩擦力、传动机构间存在间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等弹性元件的弹性滞后等3.3.3.3.灵敏度与灵敏限、分辨力与分辨率灵敏度与灵敏限、分辨力与分辨率灵敏度与灵敏限、分辨力与分辨率灵敏度与灵敏限、分辨力与分辨率 仪仪表表的的灵灵敏敏度度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即 式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。 仪仪表表的的灵灵敏敏限限是指能引起仪表指针
20、发生动作的被测参数的最最小小变变化化量量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 注注意意：上上述述指指标标仅仅适适用用于于指指针针式式仪仪表表。在在数数字字式式仪仪表表中中，往往用分辨率表示往往用分辨率表示。 二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标分辨力分辨力-对于对于数字式仪表数字式仪表而言，分辨力而言，分辨力就是数字显示器就是数字显示器最末位数字间隔最末位数字间隔代表被测代表被测量的变化量的变化与量程的比值与量程的比值。 不同量程的分辨率是不同的，相对应于最低量不同量程的分辨率是不同的，相对应于最低量程的分辨力称为该程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度表的最高分辨力，也
21、叫灵敏度所以分辨力也是灵敏度的一种反映。所以分辨力也是灵敏度的一种反映。当数字仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，当数字仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标4.4.4.4.反应时间反应时间反应时间反应时间 反反应应时时间间是是用用来来衡衡量量仪仪表表能能不不能能尽尽快快反反映映出出参参数数变变化化的的品品质质指指标标。是是指指当当仪仪表表对对被被测测量量进进行行测测量量时时，被被测测量量突突然然变变化化以以后后，仪仪表表指指示示值值要要准准确确显显示示出出来来所所需需要要
22、的的时时间间。反反应应时时间间长长，说说明明仪仪表表需需要要较较长长时时间间才才能能给给出出准准确确的的指指示示值值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。那就不宜用来测量变化频繁的参数。 仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性仪表动态特性的好坏的好坏。 仪表的反应时间有不同的表示方法 当当输输入入信信号号突突然然变变化化一一个个数数值值后后，输输出出信信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。 仪仪表表的的输输出出信信号号由由开开始始变变化化到到新新稳稳态态值值的的63.263.2（9595）所所用用的的时时间间，可可用用来来表表示
23、反应时间。示反应时间。二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标5.5.5.5.线性度（又称非线性误差）线性度（又称非线性误差）线性度（又称非线性误差）线性度（又称非线性误差） 线线性性度度是是表表征征线线性性刻刻度度仪仪表表的的输输出出量量与与输输入入量量的的实实际际校校准准曲曲线线与与理理论论直直线线的的吻吻合合程程度度。通通常常总总是是希希望望测测量量仪仪表的输出与输入之间呈线性关系。表的输出与输入之间呈线性关系。 式式中中，f为为线线性性度度（又又称称非非线线性性误误差差）；fmax为为校校准准曲曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计
24、算）。 二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标图3-2 线性度示意图理理论论理理论论实实际际 6.6.6.6.重复性重复性重复性重复性 重复性重复性表示表示检测仪表在被测参数按检测仪表在被测参数按同一方向作全量同一方向作全量程连续多次变动程连续多次变动时所得标定特性时所得标定特性曲线不一致的程度曲线不一致的程度。若。若标定的特性曲线一致标定的特性曲线一致, ,重复性就好重复性就好, ,重复性误差就小。重复性误差就小。 重复性示意图重复性示意图二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标 由于仪表动作的由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然，当被测量突然变化后必须经过一段
25、时间才能准确显示出来，这样造成的误变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。差。注：注：在工业生产中被测量变化较快也是不能忽略动态误差。在工业生产中被测量变化较快也是不能忽略动态误差。 7.7.7.7.动态误差动态误差动态误差动态误差二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标 作作用用于于测测量量装装置置输输入入端端的的被被测测信信号号，要要转转换换成成以以下下几几种种便便于于传传输输和和显显示示的的信信号号类型：类型：v1、 位移信号位移信号： 是是一一种种机机械械信信号号，包包括括直直线线位位移移和和角角位位移移。在在测测量量力力、压压力力、质质量量、振振动动等物理量时，要先把它们
26、转换成位移量再处理。等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。v2、 压力信号压力信号： 包括气压信号和液压信号包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。，工业检测中主要应用气压信号。v3、 电气信号电气信号： 有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。 传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。v4、 光信号光信号： 包包括括光光通通量量信信号号、干干涉涉条条纹纹信信号号、衍衍射射条条纹纹信信号号、莫莫尔尔条条纹纹信信号号等等。可可是是连连续得，也可是断续（脉冲）式的。续得，也
27、可是断续（脉冲）式的。三、测量系统中的常见信号类型三、测量系统中的常见信号类型 1. 1. 模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 在时间上是连续变化的在时间上是连续变化的, , 即在任何瞬时都可以确即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。定其数值的信号。2. 2. 数字信号数字信号数字信号数字信号 数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号, ,通通常用二进制数常用二进制数“0”0”和和“1”1”组合的代码序列来表示。组合的代码序列来表示。 3. 3. 开关信号开关信号开关信号开关信号 用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。用两种状态或用两个数值范围表示的不
28、连续信号。17四、检测系统中信号的传递形式四、检测系统中信号的传递形式v1、按仪表使用的能源分、按仪表使用的能源分v气动、电动、液动气动、电动、液动v2、按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类、按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类v（1）检测仪表）检测仪表v（2）显示仪表）显示仪表v（3）集中控制仪表）集中控制仪表v（4）控制仪表）控制仪表v（5）执行器）执行器五、测量仪表的分类五、测量仪表的分类v3、按仪表的组成形式分、按仪表的组成形式分v（1）基地式仪表）基地式仪表将测量、显示、控制等各部分将测量、显示、控制等各部分集中装集中装在一个表壳里在一个表壳里，形成一个整体，适用于现场就地检
29、测和控制，形成一个整体，适用于现场就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示和控制但不能实现多种参数的集中显示和控制v（2）单元组合仪表）单元组合仪表将测量、显示、控制等各部分将测量、显示、控制等各部分分别分别制成能独立工作的单元仪表制成能独立工作的单元仪表，以统一的标准信号互相联系，以统一的标准信号互相联系，可根据需要任意组合可根据需要任意组合v 电动单元组合（电动单元组合（DDZ），气动单元组合（），气动单元组合（QDZ）五、测量仪表的分类五、测量仪表的分类五、测量仪表的分类五、测量仪表的分类4、根根据据所所测测参参数数的的不不同同，分分成成压压力力（差差压压、负负压压）测测量量仪仪表表
30、、流流量量测测量量仪仪表表、物物位位（液液位位）测测量量仪仪表表、温温度度测测量量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。5、按按表表达达示示数数的的方方式式不不同同，分分成成指指示示型型、记记录录型型、讯讯号号型型、远传指示型、累积型等。远传指示型、累积型等。6、按按精精度度等等级级及及使使用用场场合合的的不不同同，分分成成实实用用仪仪表表、范范型型仪仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。 由于化工生产过程中被测介质形态多样（气态、液态、固态及混合体）；有时还具有特殊性质（强腐蚀、强辐射、高温、高
31、压、深冷、真空、高粘度等）；检测环境比较恶劣，存在众多的影响和干扰，如电源电压、频率波动，温度、压力变化，水汽、湿度、光照、辐射、盐雾、烟雾、粉尘等，这些情况都要求化工检测仪表有稳定的工作特性、高的抗干扰能力和相应的防护措施。检测技术及仪器仪表的发展：v1、 检测技术的现代化：检测技术的现代化：v现代工业过程对控制、计节能降耗和运行可靠性等要求的提高，现代过程检测的内涵和外延均有很大的深化和拓展 如软测量技术的发展（P95）就是利用易过程变量，依据这些易测的过程变量与难测以直接测量的待测变量之间的数学关系，通过计算机和估计的方法实现对待测过程变量的测量六、化工检测的发展趋势六、化工检测的发展趋
32、势v2、 现代传感器技术的发展现代传感器技术的发展v（1）、新材料、新功能的开发、新加工技术的使用v（2）、多维、多功能化的传感器实现多参数测量v（3）微型化、集成化、数值化和智能化微电子技术的使用DCSv（4）新型网络传感器的发展基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统（DMCS） 六、化工检测的发展趋势六、化工检测的发展趋势作业vP101v4、6弹簧压力计弹簧压力计 热电偶的结构温度测量温度测量热电偶热电偶双金属温度计双金属温度计齿轮流量计工作原理图齿轮流量计工作原理图转子流量计转子流量计一体式差压流量计一体式差压流量计电磁流量计电磁流量计常见压力传感器外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片
