压力检测仪表

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。

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。

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～Mpa；精确度通常为%～±%。

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±%、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～2500MPa，此外还有测量低压和微压的其他类型的负荷式压力计。

(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。

(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。

液柱式压力计3．弹性式压力计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。

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)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。

(3)弹簧管弹簧管是一根弯成圆弧状的、具有不等轴截面的金属管。

常见的不等轴截面是扁圆和椭圆形。

弹簧管的一端封闭并处于自由状态为自由端，另一端开口为固定端，被测压力由固定端通人弹簧管内腔。

在压力的作用下，弹簧管横截面有变圆的趋向，弹簧管亦随之产生向外伸直的变形，从而引起自由端位移。

自由端的位移量与所加压力有关，可以由此得知裤被测压力的大小。

单圈弹簧管中心角一般是2700，为了增加位移量，可以做成多圈弹簧管型式。

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。

弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表，其一般结构如下图所示。

被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。

通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。

转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。

直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。

工程中应用最广泛的压力仪表：弹性式压力计是利用弹性元件受压力作用后产生弹性形变，将变形转换成位移，通过位移变化来测试压力大小。

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。

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。

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。

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i F 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o I 。

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 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o I 正比于被测量压力P 。

这种闭环式的力平衡结构的优点：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。

为了说明这些优点，通过这种变送器的静态结构图（方框图）来分析。

作用力矩i M 与反馈力矩f M 之差M ∆使杠杆绕支点O 旋转，转角τθM ∆=。

这里τ是杠杆系统的扭转刚度，它的大小表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θ⨯=OC l d ，其中OC l 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o I 。

图中K 表示位移检测放大器的传递系数。

输出电流o I 流过反馈线圈，产生电磁反馈力o f I C F ⨯=，其中C 为电磁铁的传递系数。

此力乘力臂OB l即为反馈力矩f M 。

系统的闭环传递函数为：i OA OB OC OC o P l S l C K l K l I ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=ττ111 当开环增益很大，即11>>⋅⋅⋅⋅OB OC l C K l τ时，上式可简化为：i OBOA o P l C l S I ⋅⋅= 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τ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o I 。

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OA l 、OB l 不变，便可得到较好的变换精度。

5． 微小位移电变换方法）霍尔元件霍尔效应一块长为l 、宽为b 、厚为d 的半导体薄片置于磁感应强度为月的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如下图所示。

当有电流I 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势H U 。

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)。