第三章 压力检测仪表

3.弹性式压力计 工程中应用最广泛的压力仪表 弹性压力计利用弹性元件受压变形的原理。弹性元件在弹性 限度内受压变形，其变形大小与外力成比例，外作用力取消 后，元件将恢复原有形状。利用变形与外力的关系，对弹性 元件的变形大小进行测量，可以求得被测压力。 弹性压力计的组成一般包括弹性元件、变换放大机构、指 示机构和调整机构等几个主要环节。弹性元件是仪表的核心 部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何 种形式要根据测量要求选择和设计；变换放大机构作用是将 弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构如指针与刻度标 尺，用于给出压力示值；调整机构是用于调整仪表的零点和 量程。

lOA lOB
5． 微小位移电变换方法 5.1）霍尔元件 霍尔效应： 一块长为l、宽为b、厚d为的半导体薄片置于磁感 应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如下图所示。当 有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。 这种现象称为霍尔效应。
假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流I(称为控制电 流)。那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。 由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL作用而发生偏转。结果 在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端 面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的 电场力FE 阻止电子继续偏转。当FE 与FL 相等时，电子积累达到动态 平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向) 建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH。
弹性元件主要有以下几种形式。 (1)弹性膜片 这是一种外缘固定的片状弹性元件 ，膜片的弹性特性一般由中心位移与压力的关系 表示。按剖面形状及特性，弹性膜片又分为平膜 片、波纹膜片和挠性膜片。平膜片的使用位移很 小，弹性特性有良好的线性关系。波纹膜片是压 有环状同心波纹的圆膜片，波纹的形状有正弦形 、锯齿形、梯形等。其位移与压力的关系，由波 纹的形状、深度和波纹数确定。为了测量微小压 力，还可以制成膜盒，以增大膜片位移。挠性膜 片仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。
(2)机械力平衡方法 这种方法是将被测压力经变换元件转换成一 个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的 外力可以测知被测压力。力平衡式仪表可以达到 较高精度，但是结构复杂。这种类型的压力、差 压变送器在电动组合仪表和气动组合仪表系列中 有较多应用。
(3)弹性力平衡方法 此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测 量。被测压力使测压弹性元件产生变形，因弹性 变形而产生的弹性力与被测压力相平衡，测量弹 性元件的变形大小可知被测压力。此类压力计有 多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压 差，其应用最为广泛。
H
H
K
霍尔元件材料及构造： 用于制造霍尔元件的材料主要有以下几种。 锗(Ge)，N型及P型均可。其电阻率约为10-2(Ω · m)。在室 温 下 载 流 子 迁 移 率 为 3.6×103(cm2·-1s-1) 。 霍 尔 系 数 可 达 v 4.25×103(cm2·-1)。而且提纯和拉单晶都很容易，故常用于 c 制造霍尔元件。 硅(Si)，N型及P型均可。其电阻率约为1.510-2(Ω · m)，N 型硅的载流子迁移率高于P型硅。N型硅霍尔系数可达 2.25×103(cm2·-1)。 c 砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相 似。纯砷化铟样品的载流子迁移率可达3×104(cm2·-1s-1)， v 电阻率较小，约为2.5×10-3(Ω · m)。锑化铟的载流子迁移率 可达6×104(cm2·-1s-1)，电阻率约为7×10-3(Ω · v m)。它们的 霍尔系数分别为350和1000。由于两者迁移率都非常高，而且 可以用化学腐蚀方法将其厚度减薄到10um，因此用这两种材 料制成的霍尔元件有较大的霍尔电势。
第三章 压力检测仪表 压力是工业生产过程中重要工艺参数之一。 许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才 能取得预期的效果；压力的监控也是安全生产的 保证。压力的检测和控制是保证工业生产过程经 济性和安全性的重要环节。压力测量仪表还广泛 地应用于流量和液位测量方面。
1． 压力概念和单位 压力概念：在工程上，“压力”定义为垂直均匀地作用于 单位面积上的力，通常用P表示，对应于物理学中的压强。 单位：国际标准单位为帕斯卡，简称为帕，符号为Pa，加 上词头又有千帕、兆帕等，我国规定帕斯卡为压力的法定 单位。目前，工程技术中仍常用的单位还有工程大气压、 物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。
这些优点可通过其方框图来分析。
作用力矩 M i与反馈力矩 M f 之差

M 。这里
M
使杠杆绕支点O旋转，
是杠杆系统的扭转刚度，它的大小表 转角 示要使杠杆产生单位转角所需的力矩。 当杠杆转动时，位移检测点C处就有位移 d l OC ，
其中 lOC 为检测点C到支点O的距离。该位移被检测并转换为 电流输出 I o 。图中K表示位移检测放大器的传递系数。
弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈 钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。近 来半导体硅材料得到了更多的应用。下表给出几 种弹性元件的结构示意及特性。各种弹性元件组 成了多种型式的弹性压力计，它们通过各种传动 放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压 仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压 力计等。
f
优点：首先在于当弹性材料的弹性模数温度系数 较大时，可以减小温度的影响。因为这里的平衡 状态不是靠弹性元件的弹性反力来建立的，当位 移检测放大器非常灵敏时，杠杆的位移量很小， 若整个弹性系统的刚度设计的很小，那么弹性反 力在平衡状态的建立中无足轻重，可以忽略不计 。这样，弹性元件的弹性力随温度的漂移就不会 影响这类变送器的精度。此外，由于变换过程中 位移量很小，弹性元件的受力面积能保持恒定， 因而线性度比较好。由于位移量小，还可以减小 弹性迟滞现象，减小仪表的变差。
(2)波纹管 波纹管由整片弹性材料加工而成，是 一种壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭的薄壁 圆管。波纹管的开口端固定，由此引人被测压力。 在其内腔及周围介质的压差作用下，封闭端将产生 位移，此位移与压力在一定的范围内呈线性关系。 在使用时一般要应用在线性段，也可以在波纹管内 加螺旋弹簧以改善特性。用波纹管作弹性元件的压 力计，一般用于测量较低压力或压差。
(2)波纹Βιβλιοθήκη Baidu 波纹管由整片弹性材料加工而成， 是一种壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭的 薄壁圆管。波纹管的开口端固定，由此引人被测 压力。在其内腔及周围介质的压差作用下，封闭 端将产生位移，此位移与压力在一定的范围内呈 线性关系。在使用时一般要应用在线性段，也可 以在波纹管内加螺旋弹簧以改善特性。用波纹管 作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或 压差。
压力检测的主要方法及分类： 根据不同工作原理，主要的压力检测方法及分类有如下几种 （1）重力平衡方法 液柱式压力计 基于液体静力学原理。被测压力与一定高度的 工作液体产生的重力相平衡，将被测压力转换为液柱高度来测量 ，其典型仪表是U形管压力计。这类压力计的特点是结构简单、 读数直观、价格低廉，但—般为就地测量，信号不能远传；可以 测量压力、负压和压差；适合于低压测量，测量上限不超过0.1 ～0.2 Mpa；精确度通常为0.02%～±0.15%。高精度的液柱式压 力计可用作基准器。 负荷式压力计 基于重力平衡原理。其主要型式为活塞式压 力计。被测压力与活塞以及加于活塞上的砝码的重量相平衡，将 被测压力转换为平衡重物的重量来测量。这类压力计测量范围宽 、精确度高(可达±0.01%、性能稳定可靠，可以测正压、负压和 绝对压力，多用作压力校验仪表。单活塞压力计测量范围达0.04 ～2500MPa，此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力 计。
输出电流 I o 流过反馈线圈，产生电磁反馈力 F f C I o ， 其中C为电磁铁的传递系数。此力乘力臂 即为反馈力 lOB 矩Mf 。

1
lOC K S lOA Pi 系统的闭环传递函数为：I o 1 1 lOC K C lOB

OA
1
各种弹性元件输出的位移或力必须经过一定的机械 传动（直接指示）或变送器转换成标准信号。 变送器有两种形式：开环式和闭环式。 闭环式：利用负反馈保证仪表精度，目前应用较多 的力平衡式变送器就属于这一类。 开环式：位移（力） R、L、C等电参数，然后经 一定的电路变成标准信号，这种变送器原理简单，但 材料工艺和电路的要求比较高。随着科技进步，此种 压力变送器越来越多。
当开环增益很大，即 式可简化为： S l
lOC K C lOB 1
时，上
Io
C lOB
Pi
由此可知，这种变送器具有一切闭环系统的共同特点，即 在开环增益足够大时，其输入量和输出量的关系只取决于输 入环节及反馈环节的传递函数，而与正向通道环节的传递函 数无关。
在上述的力平衡压力变送器中，杠杆系统(包括弹性测量元 件)的刚度 和位移检测放大器的传递系数K都处于正向通道 内，只要开环增益足够大，它们的变化不会影响输出值 I o 。 因此，弹性测量元件的弹性模数随温度的变化，不会影响仪 表的精度。 这里需要说明，力平衡仪表虽然对弹性反力的变化不甚敏 感，但对杠杆系统任何一处存在的摩擦力却是十分敏感的， 因为摩擦力矩的引入相当于在比较点引入干扰，会直接引起 误差，造成死区和变差。为此，力平衡仪表中支承点都使用 弹簧钢片做成弹性支承，以避免摩擦力的引入。 从上面的分析看到，在力平衡变送器中，只要测压元件的 有效面积S能保持恒定，磁铁的磁场强度均匀稳定，力臂的长 度 、 不变，便可得到较好的变换精度。
(4)物性测量方法 基于在压力的作用下，测压元件的某些物理 特性发生变化的原理。 电测式压力计 利用测压元件的压阻、压电 等特性或其他物理特性，将被测压力直接转换 为各种电量来测量。多种电测式类型的压力传 感器，可以适用于不同的测量场合。 其他新型压力计 如集成式压力计、光纤压 力计等。
2. 液柱式压力计 最早使用的一种压力计。简单、可靠、精度比较高、价格低廉 。历史上曾是准确测量压力的唯一仪器。虽然现在已出现一系 列新型仪表。实际上此种压力计还在使用，有时还用来检验其 它型式的仪表。
UH IB KH I B ned
KH 1 ned 。金属中自由电子浓度n很高，
霍尔元件的灵敏度系数 因此 K H 很小，使输出 U 极小，不宜作霍尔元件，因此霍尔元件都 是由半导体材料制成。如果是P型半导体，其载流于是空穴。一般 电子迁移率大于空穴迁移率。因此霍尔元件多用N型导体材料，霍 尔元件越薄(即d越小)， 就越大，所以一般霍尔元件都比较簿。 薄膜霍尔元件厚度只有1um左右。
在工程上，压力有几种不同的表示方法，并且有相应的测 量仪表。 (1) 绝对压力 被测介质作用在容器表面积上的全部压力 称为绝对压力。用来测量绝对压力的仪表，称为绝对压力 表。 (2) 大气压力 由地球表面空气柱重量形成的压力，称为 大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化， 其值用气压计测定。 (3) 表压力 通常压力测量仪表是处于大气之中，则其测 得的压力值等于绝对压力和大气压力之差，称为表压力。 一般地说，常用的压力测量仪表测得的压力值均是表压力 。 (4) 真空度 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值( 负压力)，其绝对值称为真空度，用来测量真空度的仪表称 为真空表。 (5) 差压 设备中两处的压力之差简称为差压。生产过程 中有时直接以差压作为工艺参数，差压测量还可作为流量 和物位测量的间接手段。
4. 力平衡式压力变送器
工作原理：被测量压力P经波纹管转换成 Fi 作用 于杠杆左端A点，使杠杆绕支点O作逆时针旋转， 稍一偏转，位于杠杆右端的位移检测元件便有感 觉，使电子放大器产生一定的输出电流 I o 。此电 流流过反馈线圈和变送器的负载，并与永久磁铁 作用产生一定的电磁力，使杠杆B点受到反馈 力 F ，形成一个使杠杆作顺时针转动的反力矩。 由于位移检测放大器极其灵敏，杠杆实际上只要 产生极微小的位移，放大器便有足够的输出电流 形成反力矩与作用力矩相平衡。当杠杆处于平衡 状态时，输出电流 I o 正比于被测量压力P。