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bar1Pa（帕） 1 0.0197×10-50.75×10-2 1.0197×10-10.987×10-51×10－51kgf/cm2(1千克力每平方厘米)0.9807×106 1 0.73556×1031040.9678 0.98071mmHg（1毫米汞柱）1.332×102 1.3595×10-3 1 1.3595×10 1.316×10-3 1.332×10－31mmH2O（1毫米水柱）0.9807×10 10-40.731556×10-1 1 0.9678×10-40.9807×10－41atm（1标准大气压）1.01325×1051.0332 760 1.0332×104 1 1.013251bar（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围时，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。

（一）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，将由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锗薄片，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V H。

这一物理现象称为霍尔效应。

霍尔电势V H的大小与霍尔片的材质及几何尺寸、恒定电流I、磁场强度B 等有关，用数学式表示为V H＝K H BI（3－16）对于材料和结构已定的霍尔元件，其霍尔电势V H仅与B和I有关。

当I恒定时，霍尔电势V H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。

它主要由弹簧管1、固定在弹簧管自由端上的霍尔片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由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V H。

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。