压力检测仪表及其变送器

第一节压力检测仪表及变送器

一、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馏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是指垂直而均匀地作用于单位面积上的力。其数学表达式为

p＝（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1Pa ＝1N/m2。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：

1Mpa＝1×103kPa＝1×106Pa

工程上习惯用的压力单位还有工程大气压（kgf/cm2）、标准大气压（atm）、毫米水柱（mmH2O）、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。

单位名称帕（斯卡）

PPa

千克力每平方厘米

（工程大气压）

kgf/cm2

毫米汞柱

mmHg

毫米水柱

mmH2O

标准大气压

atm

巴

bar

1Pa（帕） 1 0.0197×10-50.75×10-2 1.0197×10-10.987×10-51×10－5

1kgf/cm2(1千克

力每平方厘米)

0.9807×106 1 0.73556×1031040.9678 0.9807

1mmHg

（1毫米汞柱）

1.332×102 1.3595×10-3 1 1.3595×10 1.316×10-3 1.332×10－3

1mmH2O

（1毫米水柱）

0.9807×10 10-40.731556×10-1 1 0.9678×10-40.9807×10－4

1atm

（1标准大气压）1.01325×

105

1.0332 760 1.0332×104 1 1.01325

1bar（1巴）1×105 1.0197 0.75×103 1.0197×1040.9869 1 压力检测中，常用绝对压力、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

：是指高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即

表

p表＝p绝－p大

：是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即负压p

负

p负＝p大－p绝

绝对压力、表压、负压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，既能检测表压又能检测负压的仪表称为压力真空表。由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：

（一）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、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20～100kPa统一标准的气压信号或0～10mA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砝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

（一）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所示的几种

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，其自由端产生位移，但位移较小。为了增加自由端的位移量以提高灵敏度，可以采用多圈弹簧管（图b）。

2、弹性膜片

膜片（图c）由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，由于其结构简单、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由感压元件、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，从而使弹簧管的自由端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。当弹簧管自由端向外挺直变形时，这一位移牵动拉杆2，带动扇形齿轮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。由于弹簧管自由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1000Mpa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p<20Mpa 时，采用磷青铜或黄铜；当p>20Mpa时，采用不锈钢或合金钢。当选用压力表时，还必须注意被测介质的化学性质。例如测量氨气压力时，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窨，其自由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