第二章 压力测量及仪表第一节 压力测量的根本知识第二节 弹性式压力表第三节 霍尔式压力传感器第四节 应变式压力传感器第五节 扩散硅式压力传感器第六节 电容式压力传感器第七节 膜盒式压力〔差压〕变送器第八节 压力测量仪表的应用第九节 压力测量仪表实训 一、概述一、概述在工程上将垂直而均匀作用在单位面积在工程上将垂直而均匀作用在单位面积上的力称为压力，两个测量压力之间的上的力称为压力，两个测量压力之间的差值称为压力差或压差，工程上习惯叫差值称为压力差或压差，工程上习惯叫差压在国际单位制和我国的法定计量单位中，在国际单位制和我国的法定计量单位中，压力的单位采用牛顿压力的单位采用牛顿/米米2(N/m2)，通常，通常称为帕斯卡或简称帕称为帕斯卡或简称帕(Pa)帕(Pa)这个这个单位在实际应用中太小，不方便，目前单位在实际应用中太小，不方便，目前我国生产的各种压力表都统一用我国生产的各种压力表都统一用 kPa(103Pa)或或 MPa(106Pa)为压力或差为压力或差压的根本单位压的根本单位 在工程上，被测压力通常有绝对压力、表压和负压 ( 真空度 ) 之分三者关系如图 2.1 所示。
二、压力的检测方法和检测仪表二、压力的检测方法和检测仪表 〔〔1〕液柱式压力检测〔〕液柱式压力检测〔P—h转换〕转换〕〔〔2〕弹性式压力检测〔〕弹性式压力检测〔P—χ转换〕转换〕〔〔3〕电气式压力检测〔〕电气式压力检测〔P—U、、P—R 或或 P—C 转换等〕转换等〕〔〔4〕活塞式压力检测〔零位法，〕活塞式压力检测〔零位法，P—W=0〕〕 第二节 弹性式压力表 一、弹性元件一、弹性元件弹性元件是弹性式压力表的测压敏感元件，弹性压力表的测量性能主要取决于弹性元件的弹性特性，与弹性元件的材料、形状、工艺等有关不同的弹性元件测压范围也不同，工业上常用的弹性式压力表所使用的弹性元件主要有膜片、波纹管、弹簧管等，如图 2.2 所示 膜片膜片：是一种圆形薄板或薄膜，周边固定在壳体或基座上波纹管波纹管：是一种具有同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的压力弹性元件当它受到轴向力作用时能产生较大弹簧管弹簧管：是一根弯曲成圆弧形、横截面呈椭圆形或近乎椭圆形的空心管 二、弹簧管压力表的结构及工作原理二、弹簧管压力表的结构及工作原理弹簧管式压力表主要由弹簧管、传动机构、指示机构和表壳组成，如图2.3所示图 2.3 弹簧管压力表1－弹簧管；2－拉杆；3－扇形齿轮；4－中心齿轮；5－指针；6－面板；7－游丝；8－调节螺钉；9－接头 1. 弹簧管压力表的结构和各部件作用弹簧管压力表的结构和各部件作用弹簧管：是一个压力弹簧管：是一个压力-位移的转换元件〔可用符号表位移的转换元件〔可用符号表示为示为P→χ〕。
〕传动机构〔又称机心〕：其作用是将自由端所产生的传动机构〔又称机心〕：其作用是将自由端所产生的位移传送并放大〔可用符号表示为位移传送并放大〔可用符号表示为χ→φ〕它由拉〕它由拉杆、扇形齿轮、中心齿轮、游丝等组成杆、扇形齿轮、中心齿轮、游丝等组成拉杆：仅起传送位移的作用拉杆：仅起传送位移的作用游丝：用来克服因机械传动机构间的间隙而产生的仪游丝：用来克服因机械传动机构间的间隙而产生的仪表变差调整螺钉：改变其位置，即可改变机械传动的放大系调整螺钉：改变其位置，即可改变机械传动的放大系数，从而实现压力表量程的调整数，从而实现压力表量程的调整指示机构：包括指针、刻度盘等其主要作用是将位指示机构：包括指针、刻度盘等其主要作用是将位移移φ通过指针转动指示出来，并在刻度盘上读取压力通过指针转动指示出来，并在刻度盘上读取压力值表壳〔又称机座〕：其主要作用是固定和保护仪表的表壳〔又称机座〕：其主要作用是固定和保护仪表的零部件 2. 弹簧管压力表的工作原理弹簧管压力表的工作原理如图2.3所示，被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端向右上方扩张，自由端的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，进而带动中心齿轮4作顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的指针5也作顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。
三、弹簧管的材料及弹簧管压力表的特点三、弹簧管的材料及弹簧管压力表的特点弹簧管式压力表结构简单、使用方便、价格低廉，使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛根据制造的要求，仪表精度最高可达 0.15 级在生产中，常需要把压力控制在一定范围内，以保证生产正常进行这就需采用带有报警或控制触点的压力表将普通弹簧管式压力表增加一些附加装置，即成为此类压力表，如电接点信号压力表 第三节 霍尔式压力传感器霍尔式压力计是利用霍尔元件基于霍尔效应原理实现压力-位移-霍尔电势转换的 一、霍尔效应一、霍尔效应设有一霍尔片〔设有一霍尔片〔N 型半导体薄片〕，在型半导体薄片〕，在其其 Z 轴方向施加一个磁场，在轴方向施加一个磁场，在 Y 轴方向轴方向通入电流，那么在其通入电流，那么在其 X 轴方向将产生电轴方向将产生电势，该电势就是霍尔电势势，该电势就是霍尔电势 VH ，这一物，这一物理现象称为霍尔效应理现象称为霍尔效应 因在因在 N 型〔硅〕半导体薄片的型〔硅〕半导体薄片的 Y 轴方向轴方向施加电场，那么半导体薄片内的带电粒施加电场，那么半导体薄片内的带电粒子将沿子将沿 Y 轴方向运动；又因半导体薄片轴方向运动；又因半导体薄片同时处于磁场中，根据物理学原理，在同时处于磁场中，根据物理学原理，在磁场中运动的带电粒子必然要受到力的磁场中运动的带电粒子必然要受到力的作用，故这些沿作用，故这些沿 Y 轴方向运动的粒子将轴方向运动的粒子将偏转方向运动，如图偏转方向运动，如图2.5所示，带电粒子所示，带电粒子受力方向符合左手定那么，从而造成霍受力方向符合左手定那么，从而造成霍尔片左端面电子过剩呈负电位，而右端尔片左端面电子过剩呈负电位，而右端面相应地显示出正电位，从而产生霍尔面相应地显示出正电位，从而产生霍尔电势。
电势 图2.5 霍尔效应原理 霍尔电势 VH 的大小与霍尔片的材料、几何尺寸、所通过的电流〔称控制电流〕I、磁感应强度 B 等因素有关，可用下式表示 式中 RH——霍尔系数； d——霍尔片厚度； b——霍尔片的电流通入端宽度； ——霍尔片的电势导出端宽度； ——霍尔片的形状系数 KH——霍尔片的灵敏度系数 二、霍尔式压力计的结构及工作原理二、霍尔式压力计的结构及工作原理如图如图 2.6 所示，它是由单圈弹簧管的自由所示，它是由单圈弹簧管的自由端安装在半导体霍尔元件〔也称霍尔片〕端安装在半导体霍尔元件〔也称霍尔片〕上构成的其工作原理为：利用弹簧管将上构成的其工作原理为：利用弹簧管将被测压力转换为位移，再利用霍尔片和两被测压力转换为位移，再利用霍尔片和两对磁极相反的磁钢将位移转换为磁场，最对磁极相反的磁钢将位移转换为磁场，最后利用霍尔效应将磁场转换为霍尔电势，后利用霍尔效应将磁场转换为霍尔电势，将上述信号能量形式的转换用符号可高度将上述信号能量形式的转换用符号可高度概括为概括为 P→χ→B→VH 。
2.6霍尔式压力计的结构示意图 1. 压力压力-霍尔片位移转换霍尔片位移转换 将霍尔片固定在弹簧管自由端当被测压力作用于弹簧管时，压力被转将霍尔片固定在弹簧管自由端当被测压力作用于弹簧管时，压力被转换成霍尔片位移且为线性关系〔换成霍尔片位移且为线性关系〔P→χ〕2. 霍尔片位移霍尔片位移-磁场转换磁场转换在霍尔片的上下方向分别安装两对极性相反、呈靴形的磁钢，使霍尔片置在霍尔片的上下方向分别安装两对极性相反、呈靴形的磁钢，使霍尔片置于一个非均匀的磁场中〔如图于一个非均匀的磁场中〔如图2.7〕3. 磁场磁场-霍尔电势转换霍尔电势转换在测量过程中，直流稳压电源给霍尔元件提供恒定的控制电流在测量过程中，直流稳压电源给霍尔元件提供恒定的控制电流 I，根据霍，根据霍尔效应〔尔效应〔VH=KHIB〕，即可实现磁场〕，即可实现磁场-霍尔电势转换霍尔电势转换 (B→VH) 图2.7 极靴间磁感应强度的分布情况 三、霍尔式压力传感器的特点及使用本三、霍尔式压力传感器的特点及使用本卷须知卷须知 通常情况下，以使用在测量上限值通常情况下，以使用在测量上限值 1/2 左左右为宜，且瞬间超负荷应不大于测量上右为宜，且瞬间超负荷应不大于测量上限的二倍。
由于霍尔片对温度变化比较限的二倍由于霍尔片对温度变化比较敏感，当使用环境温度偏离仪表规定的敏感，当使用环境温度偏离仪表规定的使用温度时要考虑温度附加误差，采取使用温度时要考虑温度附加误差，采取恒温措施〔或温度补偿措施〕此外，恒温措施〔或温度补偿措施〕此外，还应保证直流稳压电源具有恒流特性，还应保证直流稳压电源具有恒流特性，以保证电流的恒定以保证电流的恒定 第四节 应变式压力传感器应变式压力计是利用应变片基于应变效应实现压力-电阻转换，再由桥式电路将电阻转换成毫伏信号供显示仪表显示出被测压力的大小 一、应变效应一、应变效应金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻将随之发生变化，这种物理现象称为应变效应 用来产生应变效应的细导体称为应变丝把应变丝粘贴在衬底上，组成的元件称为应变片，如图2.8 所示 图2.8 应变片结构示意图 设有一圆形截面导线，长度为L，截面积为A，材料的电阻率为ρ，这段导线的电阻值R为 r——导体半径当导体受力作用时，其长度L、截面积〔πr2〕、电阻率ρ相应变化为dL、d〔πr2〕、dρ，因而引起电阻变化dR对式〔2-2〕全微分，那么为根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝轴向应变与径向应变存在如下关系式中 μ为材料的泊松系数。
负号表示二者变化方向相反，μ=0~0.5 将式〔2-4〕代入式〔2-3〕得：式〔2-5〕说明应变片电阻变化率是几何效应 [〔1+2μ〕ε] 项和压阻效应 [dρ/ρ] 项综合的结果〔1〕对于金属材料，由于压阻效应很小，即 dρ/ρ≪1，因此有〔2〕对于半导体，由于dρ/ρ项的数值远比〔1+2μ〕ε 项大, 即半导体电阻变化率取决于材料的电阻率变化,因此 二、应变式压力计的结构及工作二、应变式压力计的结构及工作原理原理1. 应变式压力计的结构及各部件作用应变式压力计的结构及各部件作用应变式压力传感器包括三个主要局部：应变式压力传感器包括三个主要局部：压力敏感元件〔一般为弹性元件〕：利用它把压力敏感元件〔一般为弹性元件〕：利用它把被测压力的变化转换为弹性体应变量〔位移量被测压力的变化转换为弹性体应变量〔位移量〕的变化，即〕的变化，即P→ε ；；应变片：贴在压力敏感元件上的应变片，其作应变片：贴在压力敏感元件上的应变片，其作用是把应变量的变化转换为电阻量的变化，即用是把应变量的变化转换为电阻量的变化，即 ε→dR/R ；；测量电路：通过测量电路将应变片电阻值的变测量电路：通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量〔如电压〕，即化转换为便于输出测量的电量〔如电压〕，即 dR/ R→ΔU ，从而实现被测压力的测量。
从而实现被测压力的测量 2. 应变式压力计的工作原理应变式压力计的工作原理以以BPR-2型压力传感器为例，如图型压力传感器为例，如图2.9所示应变筒所示应变筒 1 的上端与外壳的上端与外壳 2 固定在一固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片起，它的下端与不锈钢密封膜片 3 紧密接触，两片紧密接触，两片PJ-320型康铜丝应变片型康铜丝应变片 r1 和和 r2 用特殊胶合剂〔用特殊胶合剂〔201胶、胶、204胶等〕贴近在应变筒胶等〕贴近在应变筒 1 的外壁上的外壁上r1 沿应变筒的沿应变筒的轴向贴放，作为测量片；轴向贴放，作为测量片；r2 沿径向贴放，作为温度补偿片应变片与筒体之间不沿径向贴放，作为温度补偿片应变片与筒体之间不发生滑动现象，且应保持电气绝缘当被测压力发生滑动现象，且应保持电气绝缘当被测压力 P 作用于不锈钢膜片而使应变筒作用于不锈钢膜片而使应变筒轴向受压产生变形，沿轴向贴放的应变片轴向受压产生变形，沿轴向贴放的应变片 r1 将产生轴向压缩应变将产生轴向压缩应变 εx ，于是，于是 r1 的阻值变小与此同时，沿径向贴放的应变片的阻值变小与此同时，沿径向贴放的应变片r2 也将产生径向拉伸应变也将产生径向拉伸应变 +εy ，根据公式，根据公式 -εy=+μεx ，于是，于是 r2 的阻值变大。
由于的阻值变大由于 μ 小于小于1，故实际上，故实际上 r1 的减的减小量比小量比 r2 的增大量大的增大量大r1 和和 r2 由直径为由直径为 0.025mm 的康铜丝制成，电阻值均为的康铜丝制成，电阻值均为 320Ω图2.9 压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片 三、应变式压力传感器的材料及特点三、应变式压力传感器的材料及特点目前工程上使用最广泛的电阻应变片有金属电阻应变片和半目前工程上使用最广泛的电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应导体应变片常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约变片约2左右，但不超过左右，但不超过4~5；半导体应变片约为；半导体应变片约为100~200需要指出的是半导体应变片虽然具有比金属导体应变片大得需要指出的是半导体应变片虽然具有比金属导体应变片大得多的灵敏度，但温度对其影响也比对金属的大，因此使用时，多的灵敏度，但温度对其影响也比对金属的大，因此使用时，应采取相应的温度补偿措施或采用温度特性较好的半导体材应采取相应的温度补偿措施或采用温度特性较好的半导体材料应变片式压力计具有较大的测量范围，被测压力可达几百兆应变片式压力计具有较大的测量范围，被测压力可达几百兆帕，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。
帕，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量但尽管测量电桥具有一定的温度补偿作用，应变片式压力计但尽管测量电桥具有一定的温度补偿作用，应变片式压力计仍具有比较明显的温漂，因此，这种压力检测仪表多应用于仍具有比较明显的温漂，因此，这种压力检测仪表多应用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在一般要求的动态压力检测，测量精度一般在 0.5%～～1.0% 左左右使用时，测量上限一般以不超过仪表量程的使用时，测量上限一般以不超过仪表量程的 80% 为宜，各为宜，各种技术条件不得超过规定的指标当用于高频压力测量时，种技术条件不得超过规定的指标当用于高频压力测量时，不得附加管道和使用隔离介质此外，还应采取适当措施，不得附加管道和使用隔离介质此外，还应采取适当措施，以免引入干扰而造成测量误差以免引入干扰而造成测量误差 第五节 扩散硅式压力传感器扩散硅压力(差压)传感器是以压阻式传感器为检测元件的一种压力检测仪表，主要由扩散硅压阻传感器和电磁放大局部组成的，如图 2.10 所示图 2.10 扩散硅压力(差压)变送器原理框图扩散硅压阻传感器实质是硅杯压阻传感器，是基于压阻效应实现压力-电阻转换的。
一、压阻效应：当在半导体〔例如：单晶体〕的一、压阻效应：当在半导体〔例如：单晶体〕的晶体结构上施加压力时，会暂时改变晶体结构的晶体结构上施加压力时，会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机构，表现为对称性，因而改变了半导体的导电机构，表现为它的电阻率它的电阻率 ρ 的变化，这一物理现象称为压阻的变化，这一物理现象称为压阻效应如前应变效应所述，它是应变效应的组成效应如前应变效应所述，它是应变效应的组成局部而且，根据半导体材料情况和所加压力的局部而且，根据半导体材料情况和所加压力的方向可使电阻率增加或减小见关系式〔方向可使电阻率增加或减小见关系式〔2-7〕 二、扩散硅压阻传感器的结构及工作原理二、扩散硅压阻传感器的结构及工作原理硅杯膜片：用作压阻式传感器的基片材料，主要为硅片和锗片，硅杯膜片：用作压阻式传感器的基片材料，主要为硅片和锗片，通常都是周边固定的圆膜片，是具有弹性的敏感元件通常都是周边固定的圆膜片，是具有弹性的敏感元件扩散电阻：扩散电阻是在半导体材料〔硅片或锗片〕的基片上扩散电阻：扩散电阻是在半导体材料〔硅片或锗片〕的基片上利用集成电路工艺制成的，如在利用集成电路工艺制成的，如在N型单晶硅膜片上通过扩散杂质型单晶硅膜片上通过扩散杂质使其形成四个使其形成四个P型电阻，并组成电桥。
扩散电阻一般要依附于弹型电阻，并组成电桥扩散电阻一般要依附于弹性元件〔如硅杯膜片〕才能正常工作性元件〔如硅杯膜片〕才能正常工作在膜片上扩散电阻时，四个应变电阻排成直线，如图在膜片上扩散电阻时，四个应变电阻排成直线，如图2.11，其中，其中两个电阻两个电阻 R2 、、R3 处于中心位置〔处于中心位置〔r<0.635r0〕，使其受拉应力；〕，使其受拉应力；而另外两个电阻而另外两个电阻 R1、、R4 处于边缘位置〔处于边缘位置〔r>0.635r0〕，使其受〕，使其受压应力只要位置适宜，可满足压应力只要位置适宜，可满足 图2.11 硅杯膜片上的电阻布置 图 2.12 为压阻式压力传感器的结构示意图在硅杯膜片上用离子注入和激光修正方法形成四个阻值相等的扩散电阻，并连接成惠斯顿电桥形式，如图 2.13 所示电桥用恒压源或恒流源鼓励通过 MEMS 技术在硅膜片上形成一个压力室，一侧与取压口相通，另一侧与大气相连，或做成标准的真空室当被测压力作用在膜片上产生差压时，使得膜片一局部压缩一局部拉伸，位于膜片压缩区的电阻变小，位于膜片拉伸区的电阻变大，电桥失去平衡电桥的输出电压反映了膜片上所受的压力差图 2.12 压阻式压力传感器结构示意图 图 2.13 惠斯顿电桥1－低压室；2－高压室；3－硅杯；4－引线；5－硅膜片 v三、扩散硅压阻传感器的特点三、扩散硅压阻传感器的特点v单晶硅材料纯度高、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳单晶硅材料纯度高、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，所以以扩散硅压阻传感器作为检测元件的好的兼容性，所以以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的应用。
压力检测仪表得到了广泛的应用v 扩散硅式压力传感器具有体积小、重量轻、结构简单、扩散硅式压力传感器具有体积小、重量轻、结构简单、稳定性好和精度高等优点通常硅杯尺寸十分小巧紧凑，稳定性好和精度高等优点通常硅杯尺寸十分小巧紧凑，直径约为直径约为1.8~10mm膜厚 δ=50~500μmv上海调节器厂引进山武上海调节器厂引进山武·霍尼威尔〔霍尼威尔〔Yamatake-Honeywell〕公司的〕公司的 ST3000 系列智能压力、差压变送系列智能压力、差压变送器，就是根据扩散硅应变电阻原理工作的在硅杯上除器，就是根据扩散硅应变电阻原理工作的在硅杯上除制作了感受差压的应变电阻外，还同时制作出感受温度制作了感受差压的应变电阻外，还同时制作出感受温度和静压的元件，即把差压、温度、静压三个传感器中的和静压的元件，即把差压、温度、静压三个传感器中的敏感元件，都集成在一起组成带补偿电路的传感器，将敏感元件，都集成在一起组成带补偿电路的传感器，将差压、温度、静压这三个变量转换成三路电信号，分时差压、温度、静压这三个变量转换成三路电信号，分时采集后送入微处理器微处理器利用这些数据信息，能采集后送入微处理器。
微处理器利用这些数据信息，能产生一个高精确度的，温度、静压特性优异的输出产生一个高精确度的，温度、静压特性优异的输出 四、四、ST3000系列智能压力、差压变送器简介系列智能压力、差压变送器简介v1. ST3000系列智能压力、差压变送器的结构及各部件作用系列智能压力、差压变送器的结构及各部件作用 图2.14 ST3000系列智能变送器原理结构框图 如图 2.14 为 ST3000 系列智能压力、差压变送器原理结构框图 ROM：ROM 里存有微处理器工作的主程序，它是通用的RAM：微处理器运算过程中必不可少的存储器，它也是通过现场通讯器对变送器进行各项设定的记忆硬件例如变送器的标号、测量范围、线性或开方输出、阻尼时间常数、零点和量程校准等，一旦经过现场通讯器逐一设定之后，即使把现场通讯器从连接导线上去掉，变送器也应该按照已设定的各项数值工作，这是因为 RAM 已经把指令存储起来EEPROM：RAM 的后备存储器，它是电可擦除改写的 PROM I/O：数字输入输出接口 I/O 的作用，一方面使来自现场通讯器的脉冲信号能从 4~20mA DC 信号导线上别离出来送入CPU现场通讯器：现场通讯器为便携式，既可在控制室与某个变送器的信号导线相连，用于远方设定或检查，也可到现场接在变送器信号线端子上，进行就地设定或检查。
2. 智能变送器的特点智能变送器的特点智能变送器与现场通讯器配合起来，给运智能变送器与现场通讯器配合起来，给运行维护带来很大方便维护人员不必往返行维护带来很大方便维护人员不必往返于各个生产现场，更无需攀登塔顶或探身于各个生产现场，更无需攀登塔顶或探身地沟去拆装调整这样，既节省了时间和地沟去拆装调整这样，既节省了时间和人力，也保证了维护质量微处理器的应人力，也保证了维护质量微处理器的应用也直接提高了变送器的精度，主要表达用也直接提高了变送器的精度，主要表达于在于在 PROM 中存入了针对本变送器的特中存入了针对本变送器的特性修正公式，使其能到达性修正公式，使其能到达0.1级的精确度级的精确度而且在较大的量程和而且在较大的量程和 50% 以上的输出下，以上的输出下，平方根输出的精度也能到达平方根输出的精度也能到达 0.1 级，这在级，这在常规差压变送器很难做到常规差压变送器很难做到 第六节 电容式压力传感器差动电容式压力传感器由测量局部和转换放大电路组成，如图 2.15所示图2.15 差动电容式压力变送器结构图 一、电容式压力〔差压〕传感器的结构及工作原理一、电容式压力〔差压〕传感器的结构及工作原理差动电容式压力变送器的测量局部常采用差动电容结构，差动电容式压力变送器的测量局部常采用差动电容结构，如图如图 2.16所示。
中心可动极板〔测量膜片〕与两侧固定极所示中心可动极板〔测量膜片〕与两侧固定极板构成两个平面型电容可动极板与两侧固定极板形成两板构成两个平面型电容可动极板与两侧固定极板形成两个感压腔室，介质压力是通过两个腔室中的填充液作用到个感压腔室，介质压力是通过两个腔室中的填充液作用到中心可动极板一般采用硅油等理想液体作为填充液，被中心可动极板一般采用硅油等理想液体作为填充液，被测介质大多为气体或液体隔离膜片的作用既传递压力，测介质大多为气体或液体隔离膜片的作用既传递压力，又防止电容极板受损又防止电容极板受损图 2.16 差动电容式压力变送器的差动电容结构 当正负压力(差压)由正负压导压口加到膜盒两边的隔离膜片上时，通过腔室内硅油液体传递到中心测量膜片上，中心感压膜片产生位移，使可动极板和左右两个极板之间的间距不相对称，如图 2.17 所示，形成差动电容，假设不考虑边缘电场影响，该差动电容可看作平板电容图2.17 有差压时两侧电容的变化 二、差动电容式压力变送器的电容二、差动电容式压力变送器的电容-电流转换放大电路电流转换放大电路其作用是将式其作用是将式 (2-10 )差动电容的相对变化量提取出来，并转差动电容的相对变化量提取出来，并转化为化为 DC4～～20mA 输出。
输出1151 型电容式差压变送器是这类变型电容式差压变送器是这类变送器的典型产品，其转换电路原理图送器的典型产品，其转换电路原理图2.18所示 图 2.18 1151 型电容式差压变送器转换电路原理图 三、差动电容式压力变送器的特点三、差动电容式压力变送器的特点差动电容式压力变送器结构简单、体积小、质量轻、动态性能好、电容相对变化大、灵敏度高、零点和量程调整互不干扰，其性能较为优越，获得广泛应用与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高可达 0.2 级 第七节 膜盒式压力〔差压〕变送器一、膜盒式压力〔差压〕变送器的组成及工作原理一、膜盒式压力〔差压〕变送器的组成及工作原理膜盒式压力〔差压〕变送器如图膜盒式压力〔差压〕变送器如图 4.13 所示，它由测量所示，它由测量局部和转换局部组成局部和转换局部组成测量局部：由测量波纹管、正负压测量室、毛细管、硅测量局部：由测量波纹管、正负压测量室、毛细管、硅油、膜片组成其作用是把被测压力油、膜片组成其作用是把被测压力P或差压或差压ΔP即即P1–P2)转换成作用于主杠杆下端的输入力转换成作用于主杠杆下端的输入力F。
转换局部：由杠杆、密封片、喷嘴、挡板、反响波纹管、转换局部：由杠杆、密封片、喷嘴、挡板、反响波纹管、弹簧等组成其作用是将作用于主杠杆下端的输入力弹簧等组成其作用是将作用于主杠杆下端的输入力F进一步转换为进一步转换为 20KPa~100KPa 的标准气信号的标准气信号P0输出 二、差压变送器的特点二、差压变送器的特点差压变送器广泛应用于工业生产中差压变送器不仅可以用于测量压力、差压，也可以用来测量液位高度，其原理将在后续章节讲到在测量液位时，要考虑零点迁移问题在差压变送器的规格中 , 一般都注明是否带正、负迁移装置型号后面加 "A" 的表示正迁移 ; 加 "B" 的表示负迁移一台差压变送器只具备一种性质 ( 或正、或负 ) 的迁移，所以使用者必须根据现场条件和要求针对选购差压变送器与单元组合仪表配套使用，组成压力检测系统和压力控制系统 第八节 压力测量仪表的应用 工业压力变送器工业压力变送器工业压力变送器工业压力变送器数字压力变送器数字压力变送器数字压力变送器数字压力变送器通用压力变送器通用压力变送器通用压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器隔离压力变送器隔离压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器高温压力变送器高温压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离压差变送器隔离压差变送器隔离压差变送器隔离液位变送器隔离液位变送器隔离液位变送器隔离液位变送器微压变送器微压变送器微压变送器微压变送器电容压力变送器电容压力变送器电容压力变送器电容压力变送器隔膜压力变送器隔膜压力变送器隔膜压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器绝压变送器绝压变送器绝压变送器双膜压差变送器双膜压差变送器双膜压差变送器双膜压差变送器微型探针压力计微型探针压力计微型探针压力计微型探针压力计暖风空调压力计暖风空调压力计暖风空调压力计暖风空调压力计湿式压力变送器湿式压力变送器湿式压力变送器湿式压力变送器本安压力变送器本安压力变送器本安压力变送器本安压力变送器OEMOEM血压计血压计血压计血压计OEMOEM压力芯片压力芯片压力芯片压力芯片2.5 2.5 压力检测压力检测 一、压力测量仪表的选择一、压力测量仪表的选择压力表的选用应根据生产要求和使用环压力表的选用应根据生产要求和使用环境做具体分析。
在符合生产过程提出的境做具体分析在符合生产过程提出的技术条件下，本着节约的原那么技术条件下，本着节约的原那么 , 进行进行种类、型号、量程、精度等级的选择种类、型号、量程、精度等级的选择普通压力表的主要技术指标列于表普通压力表的主要技术指标列于表 2-1 表表2.1 普通压力表主要技术指标普通压力表主要技术指标 v2. 变送器、传感器的选择变送器、传感器的选择v(1) 以标准信号 ( 4~20mA或20~100KPa) 传输时，应选变送器v(2) 易燃易爆场合，选用气动变送器或防爆型电动变送器v(3) 对易结品、堵塞、粘稠或有腐蚀性的介质，优选法兰变送器v(4) 使用环境好，测量精度和可靠性要求不高时，可选取电阻式、电感式、霍尔式远传压力表及传感器v (5) 测压小于 5kPa 时，可选用微差压变送器 v3. 外型尺寸选择外型尺寸选择v〔〔1〕在管道或设备上安装的压力表，〕在管道或设备上安装的压力表，Dg=ф100mm 或或 150mmv〔〔2〕在仪表气动管路的辅助设备上装压力表，〕在仪表气动管路的辅助设备上装压力表，Dg=ф60mmv〔〔3〕安装照度较低或较高〕安装照度较低或较高 , 指示不易观察的压力指示不易观察的压力表，表，Dg=ф200 或或 250mm。
2.5 2.5 压力检测压力检测2.5.4 2.5.4 压力表的选择与安装压力表的选择与安装v量程的选择量程的选择→根据被测压力的大小确定仪表量程根据被测压力的大小确定仪表量程v 对于弹性式压力表对于弹性式压力表v 测量稳定压力时，最大压力值应不超过满量测量稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的程的3/4 ；；v 测量波动压力时，最大压力值应不超过满量程测量波动压力时，最大压力值应不超过满量程的的2/3v 最低测量压力值应不低于满量程的最低测量压力值应不低于满量程的1/3v精度的选择精度的选择→根据生产允许的最大测量误差〔引用根据生产允许的最大测量误差〔引用误差〕误差〕v 确定仪表的精度等级确定仪表的精度等级v 一般工业： 一般工业：1.5级或级或2.5级级v 科研或精密测量： 科研或精密测量：0.05级或级或0.02级 级 1.1.压力表的选择压力表的选择 2.5 2.5 压力检测压力检测有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为13.513.5～～16 MPa 16 MPa ，，工艺要求最大测量误差为工艺要求最大测量误差为0.8 MPa0.8 MPa，试选一适宜的压力表〔包括测，试选一适宜的压力表〔包括测量范围、精度等级〕。
可供选择量程规格为量范围、精度等级〕可供选择量程规格为(0(0～～2020、、0 0～～3030、、0 0～～40MPa) 40MPa) 解解缓冲罐的压力视为脉动压力缓冲罐的压力视为脉动压力(1)(1)仪表量程选择仪表量程选择EX4: EX4: 压力表的选择压力表的选择设压力表量程为设压力表量程为0 0～～A MPaA MPa根据题意根据题意选择量程为选择量程为0～～40MPa 2.5 2.5 压力检测压力检测(2)(2)确定精度等级确定精度等级最大引用误差最大引用误差精度等级精度等级工艺要求最大测量误差工艺要求最大测量误差不大于不大于压力示值的压力示值的±5%±5%，，如何求解精度等级？如何求解精度等级？思考思考 二、二、 压力测量仪表的校验压力测量仪表的校验校验：就是将被校压力表和标准压力表通以相同的压力校验：就是将被校压力表和标准压力表通以相同的压力 , 比较它们的指示数值比较它们的指示数值 标准压力表的选择：在标准表的量程大于等于被校表量标准压力表的选择：在标准表的量程大于等于被校表量程情况下程情况下 , 所选用的标准表的绝对误差一般应小于被校所选用的标准表的绝对误差一般应小于被校仪表绝对误差的仪表绝对误差的 1/3。
此时标准表的误差可以忽略此时标准表的误差可以忽略 , 认认为标准表读数就是真实值为标准表读数就是真实值 第二节 压力检测及仪表1.1.1.1.压力计的安装压力计的安装压力计的安装压力计的安装 〔〔〔〔1 1 1 1〕测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小〕测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小〕测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小〕测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小① 要选在被测介质直线流动的管段局部，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方② 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺③ 测量液〔气〕体压力时，取压点应在管道下〔上〕部，使导压管内不积存气〔液〕体 58 三、三、 压力测量仪表的安装压力测量仪表的安装1. 取压口的选择取压口的选择2. 导压管的安装导压管的安装3. 压力表的安装压力表的安装 1. 取压口的选择取压口的选择取压口是被测对象上引取压力信号的开口选择取压取压口是被测对象上引取压力信号的开口选择取压口的原那么是要使选取的取压口能反映被测压力的真口的原那么是要使选取的取压口能反映被测压力的真实情况，具体选用原那么如下。
实情况，具体选用原那么如下〔〔1〕〕 取压口要选在被测介质直线流动的管段上，不取压口要选在被测介质直线流动的管段上，不要选在管道拐弯、分岔、死角及流束形成涡流的地方要选在管道拐弯、分岔、死角及流束形成涡流的地方〔〔2〕〕 就地安装的压力表在水平管道上的取压口，一就地安装的压力表在水平管道上的取压口，一般在顶部或侧面般在顶部或侧面〔〔3〕〕 引至变送器的导压管，其水平管道上的取压口引至变送器的导压管，其水平管道上的取压口方位要求如下方位要求如下 ：： 测量液体压力时，取压口应开在管道测量液体压力时，取压口应开在管道横截面的下部，与管道截面水平中心线夹角范围在横截面的下部，与管道截面水平中心线夹角范围在 45°以内；测量气体压力时，取压口应开在管道横截面以内；测量气体压力时，取压口应开在管道横截面的上部；对于测量水蒸气压力，在管道的上半部及下的上部；对于测量水蒸气压力，在管道的上半部及下半部半部 , 与管道截面水平中心线在与管道截面水平中心线在 45°夹角内〔〔4〕取压口处在管道阀门、挡板前后时，其与阀门、〕取压口处在管道阀门、挡板前后时，其与阀门、挡板的距离应大于挡板的距离应大于 2~3 倍的倍的 D〔〔D为管道直径为管道直径 〕〕 2. 导压管的安装导压管的安装安装导压管应遵循以下原那么。
安装导压管应遵循以下原那么〔〔1〕在取压口附近的导压管应与取压口垂直，管口应〕在取压口附近的导压管应与取压口垂直，管口应与管壁平齐，并不得有毛刺与管壁平齐，并不得有毛刺〔〔2〕导压管的粗细、长短应选用适宜，防止产生过大〕导压管的粗细、长短应选用适宜，防止产生过大的测量滞后，一般内径为的测量滞后，一般内径为6~10mm，长度一般不超过，长度一般不超过60m〔〔3〕水平安装的导压管应有〕水平安装的导压管应有 1∶ ∶10~1∶ ∶20的坡度，坡向的坡度，坡向应有利于排液应有利于排液 ( 测量气体压力时测量气体压力时 ) 或排气或排气 ( 测量水的压测量水的压力时力时 ) 〔〔4〕当被测介质易冷凝或易冻结时，应加装保温伴热〕当被测介质易冷凝或易冻结时，应加装保温伴热管〔〔5〕测量气体压力时，应优选变送器高于取压点的安〕测量气体压力时，应优选变送器高于取压点的安装方案，以利于管道内冷凝液回流至工艺管道，也不必装方案，以利于管道内冷凝液回流至工艺管道，也不必设置别离器；测量液体压力或蒸汽时，应优选变送器低设置别离器；测量液体压力或蒸汽时，应优选变送器低于取压点的安装方案，使测量管不易集气体，也不必另于取压点的安装方案，使测量管不易集气体，也不必另加排气阀，在导压管路的最高处应装设集气器；当被测加排气阀，在导压管路的最高处应装设集气器；当被测介质可能产生沉淀物析出时，在仪表前的管路上应加装介质可能产生沉淀物析出时，在仪表前的管路上应加装沉降器。
沉降器〔〔6〕为了检修方便〕为了检修方便 , 在取压口与仪表之间应装切断阀，在取压口与仪表之间应装切断阀，并应靠近取压口并应靠近取压口 3. 压力表的安装压力表的安装〔〔1〕压力表应安装在能满足仪表使用环境条件，并易观察、易检修〕压力表应安装在能满足仪表使用环境条件，并易观察、易检修的地方就地压力表的安装高度一般为的地方就地压力表的安装高度一般为1.5米，以便于读数、维修米，以便于读数、维修为了检修方便，在取压口和仪表之间应加装切断阀，并靠近取压口为了检修方便，在取压口和仪表之间应加装切断阀，并靠近取压口〔〔2〕安装地点应尽量防止振动和高温影响，对于蒸汽和其它可凝性〕安装地点应尽量防止振动和高温影响，对于蒸汽和其它可凝性热气体以及当介质温度超过热气体以及当介质温度超过60℃℃时，取压口和压力表之间应加装冷时，取压口和压力表之间应加装冷凝管如图凝管如图 2.21 (a) 所示，就地安装的压力表选用带冷凝管的安装所示，就地安装的压力表选用带冷凝管的安装方式〔〔3〕测量有腐蚀性、黏度较大、易结晶、有沉淀物的介质时〕测量有腐蚀性、黏度较大、易结晶、有沉淀物的介质时 , 那么那么采用隔离法测量，如图采用隔离法测量，如图6.1和图和图6.2所示。
或优先考虑选取带隔膜的所示或优先考虑选取带隔膜的压力表及远传膜片密封变送器，如图压力表及远传膜片密封变送器，如图 2.21 (b) 所示〔〔4〕压力表的连接处应加装密封垫片，一般低于〕压力表的连接处应加装密封垫片，一般低于 80℃℃ 及及 2MPa 以以下时，用石棉纸板或铝片；温度及压力更高时下时，用石棉纸板或铝片；温度及压力更高时 (50MPa 以下以下 ) 用退火用退火紫铜或铅垫选用垫片材质时，还要考虑介质的影响例如测量氧紫铜或铅垫选用垫片材质时，还要考虑介质的影响例如测量氧气压力时，不能使用浸油垫片、有机化合物垫片；测量乙快压力时，气压力时，不能使用浸油垫片、有机化合物垫片；测量乙快压力时，不得使用铜质垫片否那么它们均有发生爆炸的危险不得使用铜质垫片否那么它们均有发生爆炸的危险〔〔5〕仪表必须垂直安装，假设装在室外时，还应加装保护箱〕仪表必须垂直安装，假设装在室外时，还应加装保护箱〔〔6〕当被测压力不高，而压力表与取压口又不在同一高度时，如图〕当被测压力不高，而压力表与取压口又不在同一高度时，如图 2.21 (c) 所示，对由此高度差所引起的测量误差应进行修正所示，对由此高度差所引起的测量误差应进行修正。
v 图2.21 压力表安装示意图 1-压力表；2-切断阀；3-回转冷凝器 或隔离装置；4-生产设备 〔7〕信号远传的压力变送器由U形环紧固在垂直安装的管状支架上，管状支架焊接在铁板上，并用膨胀螺栓将铁板固定在地面上，如图2.22所示压力变送器的安装高度一般为1.5米在寒冷多尘的环境下，为了保证仪表正常使用，安装变送器要采用保温箱或保护箱，如图2.23所示〔8〕差压变送器用作气体或液体压差测量时，其仪表本身的安装，同压力变送器的安装相同，但正、负压侧的管路敷设比较复杂为了便于安装、操作和检修仪表，差压变送器前的导压管上应采用三阀组的连接方式，如图2.24所示尽量不用分散的阀门构成的阀门组连接方式，如图2.25所示 v 图2.22 压力变送器在地上的安装图 图2.23压力变送器在保温箱内的安装图 1-地板；2-膨胀螺旋；3-支柱 1-支柱 图2.24 测量气体压差管路连接图〔带三阀组〕 图2.25测量气体压差管路连接图1-无缝钢管；2-直通穿板接头；3-直通终端接头 1-无缝钢管；2-直通穿板接头；3-直 通终端接头4-阀门；5-弯通接头；6-三通接头； 4-弯通接头；5-阀门；6-短节；7-加厚短节；8-短节；9-加厚短节 四、四、压力检测装置常见故障的典型案压力检测装置常见故障的典型案例例v1. 压力联锁故障的处理压力联锁故障的处理v2. 压力指示回零压力指示回零v3. 压力测量不准压力测量不准v4. 单法兰压力测量仪表单法兰压力测量仪表毛细管断裂故障毛细管断裂故障v5. 大风大雨时炉膛负压大风大雨时炉膛负压大幅度波动大幅度波动v6. 裂解炉炉膛负压指示裂解炉炉膛负压指示偏低偏低v7. 压力测量示值波动压力测量示值波动v8. 压力系统的故障诊断压力系统的故障诊断v9. 旁路切断阀泄露引起旁路切断阀泄露引起示值偏低示值偏低 第九节 压力测量仪表实训一、弹簧管压力表的校验一、弹簧管压力表的校验二、扩散硅压阻式压力传感器的压力测量二、扩散硅压阻式压力传感器的压力测量三、扩散硅压阻式压力传感器的差压测量三、扩散硅压阻式压力传感器的差压测量四、直流鼓励时霍尔式传感器的位移特性测试四、直流鼓励时霍尔式传感器的位移特性测试 一、弹簧管压力表的校验一、弹簧管压力表的校验v1. 实训目的及要求v〔1〕熟悉压力表的结构和工作原理。
v〔2〕了解活塞式压力计，并学会具体的使用方法v〔3〕掌握实验室校验弹簧管压力表的方法之一〔标准压力表比较法〕v2. 实训设备v〔1〕 YU-6 型活塞式压力计一台；v〔2〕 YB 型标准压力表〔0.4级〕一块；v〔3〕 Y 型被校压力表〔2.5级〕一块 v3. 实训原理v本实训采用标准压力表比较法校验v选用标准压力表的允许根本误差应小于或等于被校压力表的1/3 ，标准压力表的量程应大于等于被校压力表的量程v校验压力表的主要技术要求：v(1)被校仪表示值的最大根本误差不应超过该仪表精度等级所允许的根本误差v(2)被校仪表的回差不应超过该仪表根本误差的绝对值 v4. 实训步骤v操作使用活塞式压力计前，观察气液式水平器是否处于水平状态，将仪器调整到水平状态v〔2〕将 a、b、c 三阀关死v〔3〕 观察标准压力表、被校压力外表上的标记并记录v〔4〕 活塞式压力计右端装上被校压力表，左端装上标准压力表，管接处应放置垫片，同时用两只扳手拧紧压力表，不漏油为止v〔5〕 重新吸油，加压排气，让气体从油杯处排出 二、扩散硅压阻式压力传感器的压力二、扩散硅压阻式压力传感器的压力〔差压〕测量〔差压〕测量v1. 实训目的v了解利用扩散硅压阻式压力传感器进行压力〔差压〕测量的方法。
v2. 所需器件及模块vYL-CG2003型传感器实验仪：扩散硅压阻式压力传感器模块；压力泵2块，压力指示表两块；差动放大器模块；数显仪表0-2V；直流稳压源 ±4V、±15V；恒流源0.5-10mA v3. 实训原理v原理局部参见第五节扩散硅传感器v4. 实训步骤v〔1〕扩散硅压阻式压力传感器模块VS端连接 +4V电压或5 mA 恒流源，模块上的另两个接线端子用屏蔽线连接到差动放大器模块输入端VIN+、VIN- ，注意正负极对应连接，并接通电源v〔2〕将压力泵的P1、P2加压旋钮旋出，观察压力表指示值，使压力表均指示为零v〔3〕差动放大器输出端Vo2 接到数显表，注意正负极对应连接将显示表选择开关拨到2V档，反复调节 W5、W6 使数显表显示为零v〔4〕旋动P1旋钮加压，如数显表显示值Vo2为正那么所施压力为正压，反之P1松开使压力表为0，旋动P2旋钮加压，数显表显示值Vo2为负那么所施压力为负压记录Vo2随P1的变化数值并填入下表〔1〕中v〔5〕假设测量差压那么旋动P1 旋钮加压，记下Vo2输出,再加P2 压力，使Vo2 输出为零，观察两个压力表并记下比较 三、直流鼓励时霍尔式传感器的位移三、直流鼓励时霍尔式传感器的位移特性测试特性测试v1. 实训目的v掌握霍尔式传感器原理与特性, 了解霍尔式传感器的位移特性测试方法。
v2. 所需器件及模块v YL-CG2003型传感器实验仪：霍尔式传感器模块；测微头模块；数显表0-2V；直流稳压源 ±2V或±4V；直流稳压源 ±15V v3. 实训原理v参见第三节霍尔式传感器v 4. 实训步骤v〔1〕将测微头安装在霍尔式传感器模块上v〔2〕将霍尔式传感器模块接上 ±15V电源模块上的霍尔元件1、3 端子连接直流稳压源±2V或±4V ，2、4端子为霍尔电势VH 输出信号，连接数显表指示, 注意正负极对应连接v〔3〕调节测微头〔测微头前带有磁钢〕使其处于离霍尔元件10mm处 v〔4〕开启电源，调节W3、W4使数显表指示为零v〔5〕将测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变。