压力变送器的原理

压力变送器的原理
力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用
1、应变片压力变送器原理与应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力变送器、半导体应变片压力变送器、压阻式压力变送器、电感式压力变送器、电容式压力变送器、谐振式压力变送器及电容式加速度传感器等。

但应用最为广泛的是压阻式压力变送器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式压力变送器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构
如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。

而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。

一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

金属导体的电阻值可用下式表示：
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω?cm2/m）
S——导体的截面积（cm2）
L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。

当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情
2、陶瓷压力变送器原理及应用
抗腐蚀的压力变送器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。

通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。

高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力变送器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力变送器。

3、扩散硅压力变送器原理及应用
工作原理
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

4、蓝宝石压力变送器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，
因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和压力变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。

印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。

被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。

在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。

在绝压压力传感器和压力变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测
量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制
成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

热电偶技术标准
（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶
铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。

该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。

S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。

S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶
铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。

R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。

1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。

R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶
铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。

偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。

该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。

B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。

适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。

B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。

仪表小常识之五
性能特性performance characteristic
确定仪器仪表功能和能力的有关参数及其定量的表述。

参比性能特性reference performance characteristic
在参比工作条件下达到的性能特性。

范围range
由上、下限所限定的一个量的区间。

注："范围"通常加修饰语。

例如：测量范围，标度范围。

它可适用于被测量或工作条件等。

测量范围measuring range
按规定准（精）确度进行测量的被测量的范围。

测量范围下限值measuring range lower limit
按规定准（精）确度进行测量的被测量的最小值。

测量范围上限值measuring range higher limit
按规定准（精）确度进行测量的被测量的最大值。

量程span
范围上限值与下限值的代数差。

例如：范围为-20℃至100℃时，量程为120℃。

标度scale
构成指示装置一部分的一组有序的标度标记以及所有有关的数字。

标度范围scale range
由标度始点值和终点值所限度的范围。

标度标记scale mark
指示装置上对应于一个或多个确定的被测量值的标度线或其它标记。

注：对于数字示值，数字本身等效于标度标记。

零[标度]标记zero scale mark
同义词：零标度线。

标度盘（板）上标有"零"数字的标度标记或标度线。

标度分格scale division
任何两个相邻标度标记之间的标度部分。

标度分格值value of scale division
又称格值。

标度中对应两相邻标度标记的被测量值之差。

标度分格间距scale spacing, length of a scale division
沿着表示标度长度的同一线段上所测得的任何两个相邻标度标记中心线之间的距离。

标度长度scale length
在给定的标度上，通过所有最短标记中点的线段在始末标度标记之间的长度。

注：此线段可以是实在的或假想的曲线或直线。

标度始点值minimum scale value
标度始点标记所对应的被测量值。

标度终点值maximum scale value
标度终点标记所对应的被测量值。

标度数字scale numbering
标在标度上的整组数字，它对应于标度标记所确定的被测量值，或只表示标度标记的数字顺序。

线性标度linear scale
标度中各分格间距与对应的分格值呈常数比例关系的标度。

注：标度分格间距为常数的线性标度称为规则标度。

非线性标度nonlinear scale
标度中各标度分格间距与对应的分格值呈非常数比例关系的标度。

注：某些非线性标度有专门的名称，例如对数标度、平方律标度。

抑零标度suppressed-zero scale
标度范围内不包含与被测量零值相对应的标度值的标度。

例如：医用温度计的标度。

扩展标度expanded scale
标度范围内，不成比例的扩展部分占了大部分标度长度的标度
仪表基础知识
1.常用标准节流装置（孔板）、（喷嘴）、（文丘利管）。

2.常用非标准节流装置有（双重孔板）、（圆缺孔板）、（1/4圆喷嘴）和（文丘利喷嘴）。

3.孔板常用取压方法有（角接取压）、（法兰取压），其它方法有（理论取压）、（径距取压）和（管接取压）。

4.标准孔板法兰取压法，上下游取压孔中心距孔板前后端面的间距均为（2
5.4±0.8）mm，也叫1英寸法兰取压。

5.1151变送器的工作电源范围（12）VDC到（45）VDC，负载从（0）欧姆到（1650）欧姆。

6.1151DP4E变送器的测量范围是（0～6.2）到（0～3
7.4）Kpa。

7.1151差压变送器的最大正迁移量为（500％），最大负迁移量为（600％）。

8.管道内的流体速度，一般情况下，在（管道中心线）处的流速最大，在（管壁）处的流速等于零。

9.若（雷诺数）相同，流体的运动就是相似的。

10.当充满管道的流体流经节流装置时，流束将在（缩口）处发生（局部收缩），从而使（流速）增加，而（静压力）降低。

11.1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于是低压侧的电容量（增加），高压侧的电容量（减少）
12.1151差压变送器的最小调校量程使用时，则最大负荷迁移为量程的（600％），最大正迁移为（500％），如果在1151的最大调校量程使用时，则最大负迁移为（100％），正迁移为（0％）。

13.1151差压变送器的精度为（±0.2%）和（±0.25%）。

注：大差压变送器为±0.25%
14.常用的流量单位、体积流量为（m3/h）、（t/h），质量流量为（kg/h）、（t/h），标准状态下气体体积流量为（Nm3/h）。

15.用孔板流量计测量蒸汽流量，设计时，蒸汽的密度为4.0kg/m3，而实际工作时的密度为3kg/m3，则实际指示流量是设计流量的（0.866）倍。

16.用孔板流量计测量气氨流量，设计压力为0.2MPa（表压），温度为20℃，而实际压力为0.15MPa（表压），温度为30℃，则实际指示流量是设计流量的（0.897）倍。

17.节流孔板前的直管段一般要求（10）D，孔板后的直管段一般要求（5）D，为了正确测量，孔板前的直管段最好为（30～50）D，特别是孔板前有泵或调节阀时更是如此。

18.为了使孔板流量计的流量系数α趋向定值，流体的雷诺数应大于（界限雷诺数）。

19.在孔板加工的技术要求中，上游平面应和孔板中心线（垂直），不应有（可见伤痕），上游面和下游面应（平行），上游入口边缘应（锐利无毛刺和伤痕）。

20.图中的取压位置，对于哪一种流体来说是正确的？（A ）
A. 气体
B. 液体
C. 蒸汽
D. 高粘度流体
E. 沉淀性流体
原理：测量气体时，为了使气体内的少量凝结液能顺利地流回工艺管道，而不流入测量管路和仪表内部，取压口应在管道的上半部，即图中1处。

测量液体时，为了让液体内析出的少量气体能顺利返回工艺管道，而不进入测量管路和仪表内部，取压口最好在与管道水平中心线以下成0～45度夹角内，如图中2处。

对于蒸汽介质，应保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时也防止工艺管道底部的固体介质进入测量管路和仪表内，取压口最好在管道水平中心线以上成0～45度夹角内，如图中3处。

21.灌隔离液的差压流量计，在开启和关闭平衡阀时，应注意些什么？什么道理？
答案：对于隔离液的差压流量计在启用前，即在打开孔板取压阀之前，必须先将平衡阀门切断，以防止隔离液冲走，在停用时，必须首先切断取压阀门，然后方可打开平衡阀门，使表处于平衡状态。

当工艺管道中有流体流动时，在节流装置两边便有差压存在，对于灌隔离液的仪表，若是两个取压阀门都是打开的话，此种情况类似"U"型管中液体不能连通，正压端压不进，负压端抽不出，能保证"U"型管中的液体不会跑掉。

所以灌隔离液的流量差压计，强调注意平衡阀门的相对位置，其道理也就在这里。

22.何谓差压变送器的静压误差？
答案：向差压变送器正、负压室同时输入相同压力时，变送器的输出零位会产生偏移，偏移值随着静压的增加而发生变化，这种由于静压而产生的误差，称为静压误差。

23.试述节流装置有哪几种取压方式？
答案：1.角接取压 2.法兰取压 3.理论取压 4.径距取压 5.管接取压。

24.用差压变送器测流量时，何种条件下需要安装封包？如何安装？
答案：当被测介质是有腐蚀性的气体或液体时，为了保护差压变送器的膜盒和测量导管不被腐蚀需要加装封包；当被测介质是粘性介质时，为了保证测量准确，也需安装封包。

封包与节流件的连接口为“进口”，与测量导管的接口为“出口”，则被测介质密度小于封液密度时，封包要“上进下出”，则被测介质密度大于封液密度时，封包要“下进上出”。

量计技术论文
一种新型的车载音速喷嘴气体流量检定系统Douglas E. Dodds 摘要：本文介绍了一种新型的车载气体涡轮流量计检定系统。

该系统由计算机控制一台数控喷嘴切换阀，可以根据流量计的口径自动选择11个音速喷嘴中的任一个对气体涡轮流量计在工况条件下进行检定；同时该系统中还有一台气相色谱仪与音速喷嘴结合起来完成气体质量流量的运算。

文章中还介绍了用音速喷嘴检定气体涡轮流量计的质量流量公式和客积流量公式，以及检定系统的工艺流程图。

采用该系统检定气体涡轮流量计，可以由计算机直接进行温度、压力修正，提高检定准确度。

一、简介Arkla管道集团研究了一种车载音速喷嘴检定装置，可以在实际工作条件下检定气体涡轮流量计，检定的流量计口径在3-16 in。

这种检定系统与气相色谱仪结合，完成气体质量流量计算。

这个检定系统较过去的方法有很大的提高。

在大多数情况下，在大气压下检定的涡轮流量计用于工作状态，原来的仪表常数将发生飘移。

而采用音速喷嘴在实际工作压力、温度条件下检定克服了这一不足。

另外，音速喷嘴系统使用天然气为介质而不是空气，也去掉了由空气引入的误差。

车载检定系统可以检定整个涡轮计量系统，而不仅仅是检定一台涡轮流量计。

这意味着由脉动引起的误差可以被检测出来，这是其它任何检定系统所不能做到的。

二、定义音速喷嘴流量的基本定义是：在其它参数维持不变的情况下，当喷嘴下游的压力降低到某一点时，即使下游压力继续下降，也不会引起喷嘴喉管的质量流量进一步增加。

在这一点，气体在喷嘴喉管处的运动速度为音速，被称为"临界流"、"音速流"或称为"扼流"。

气体的质量流量可以在喷嘴喉管被精确地确定出来。

早期，需在喷嘴的进口和出口的压力降低到50％时，才能获得音速，然而现在压力降可以小到5％，而典型的压降不会超过10％，即可以得到音速。

三、车载检定装置的设备1、一台车载板房，将其间隔成微机间、阀组间、空气压缩机间和电源间。

这样可将危险区与非危险区分开。

2、一个计算机控制系统，包括一台IBM。

386微机，其具有120兆硬盘32台打印机和一个远程终端(RTU)。

远程终端是微机与数控阀的接口，它有控制输出、状态输入和模拟输入控制输出开关电磁气动阀-每一个喷嘴有一个电磁阀。

每一个执行器由2个舌簧开关提供状态输入信号，反映执行器的位置，由微机判定哪些喷嘴在工作状态。

来自空气压缩机的状态输入信号可以指示出空气压力是否降至751b／in2(表)以下，该压力是数控阀的最小操作压力。

模拟输人代表涡轮流量计的工作温度和压力(两个输入)、阀进口和出口的压力(三点输入)和阀进口的温度(一点输入)。

3、一台Daniel气体色谱仪，其在检定系统中是一台关键设备。

气相色谱仪每6min对气体进行一次实时组分
分析，并将结果通过一个RS。

232的通讯接口输送到计算机。

计算机应用分子百分量计算出用于质量公式的两个可变量。

气体色谱仪条型记录仪和控制器安装在非危险区的微机房内。

色谱仪的取样探头安装在危险区内的数控阀的管线上。

4、2个供电单元使检定系统维持运转。

一个2.8kW单元驱动小的负载，如色谱仪、计算机和RTU。

一个7kw电机带动一个空气压缩机和空气调节器。

5、一台1hp的空压机提供100lb/in2(表)压力的空气给数控阀的电磁阀，用以操作喷嘴。

该气源也用于开动小型的手动工具。

6、连接管线，由2根口径为4in，长为14ft的挠型管连接被检仪表和检定系统。

一根连接被检表到检定装置的进口，另一根连接检定装置出口到返回管线。

每一个连接头都采用高压快速接头，管线的工作压力为550lb/in2(表)。

7、数控切换阀，如图1所示的数控阀重1100lb，它有11个供选择的音速喷嘴通道，其以二进制方式控制。

由于最大的两个喷嘴分为最大通道功能和逻辑控制。

二进制控制给数控阀10bit的分辨率。

结果是流量的增量阶程为58．7Ac勋。

RIU的电控信号控制着气动电磁阀的开关，同时又控制气动操作电磁阀以使音速喷嘴进入工作状态。

气缸在阀的中间，其具有足够的能量，即使空气供应中断仍可使阀门旋转两次。

数控阀体上有4个连接孔：2个进口和2个出口。

连接口用于连接进口的温度变送器和进口、出口的压力变送器。

由于进口压力应十分精确，一个进口应安装2个压力变送器，其量程范围分别是0-75lb/in2(表)和0-200lb/in2(表)。

当压力达到第一个压力变送器量程的95％时，计算机将测压仪表从第一个压变转换到第二个压变。

一次有一个喷嘴打开，气体从入口进入喷嘴，再从壳体的4
个管口流出进入外壳体，然后流出阀体。

四、基本流量公式检定装置计算质量流量用以下公式
式中: M-工况状态下的质量流量，lb；P-壳体内压力，1b/in2(绝)；A-喷嘴喉部的截面积，in2；Arkla喷嘴直径的范围为0.0620-0.9941in，因此，其面积范围约为0.00 3-0.776in2；C-临界流量系数，它是比热值的函数(等炳流量常数)。

它是一个与气体流动状态下的气体声速有关的参数。

在Arkla的系统中，有代表性的天然气估算的临界流量系数值是0.7(无量纲)。

该值与压力和温度有关。

C是用色谱仪分析计算出的分子。