第二章壓力檢測(cè)儀表

1、第二章第二章 壓力檢測(cè)儀表壓力檢測(cè)儀表2.1 概述 2.1.12.1.1壓力的概念與壓力單位壓力的概念與壓力單位1壓力的概念工程上統(tǒng)稱介質(zhì)垂直作用在單位面積上的力為壓力。工程上統(tǒng)稱介質(zhì)垂直作用在單位面積上的力為壓力。2壓力的單位國(guó)際單位制法定單位：帕斯卡（國(guó)際單位制法定單位：帕斯卡（Pa）。）。常用壓力單位換算關(guān)系。常用壓力單位換算關(guān)系。1MPa=10.1972 Kgf/cm21atm=101.325 kPa=760 mmHg1mmH2O=9.80662 Pa（1）絕對(duì)壓力P ：介質(zhì)的真實(shí)壓力。 （2）表壓力： aPPp （3）負(fù)壓力： PPpa 壓力儀表指示的壓力均為表壓力。3壓力的表示方法

2、2.1.22.1.2壓力測(cè)量?jī)x表的分類壓力測(cè)量?jī)x表的分類（1）液柱式壓力計(jì)gH p （2）彈性式壓力計(jì) （3）活塞式壓力計(jì)（4）電測(cè)式壓力計(jì)2.2.12.2.1彈性元件彈性元件特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、測(cè)量范圍寬，附加電氣變換、控制裝置，可實(shí)現(xiàn)壓力遠(yuǎn)傳、報(bào)警、控制等。彈性元件：壓力作用下產(chǎn)生彈性變形，是彈性式壓力計(jì)的測(cè)壓敏感元件。常用彈性壓力計(jì)彈性元件：2.2 彈性式壓力計(jì)（1）彈簧管 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍很廣，最高可達(dá)109Pa。（2）波紋管 剛度小、位移量大，靈敏度高，用來(lái)測(cè)量較低的壓力。（3）膜片膜盒 膜片剛度大、位移量小，靈敏度低。彈性元件的材料:有金屬（銅基、鐵基、鎳基、鈮基

3、彈性合金合金）、石英、陶瓷和硅材料等。彈性元件的基本特性：剛度：產(chǎn)生單位位移所需要的壓力。彈性滯后：是指彈性材料在加載、卸載的正反行程中,相同壓力下變形不同,位移曲線是不重合的。彈性后效：是指載荷在停止變化之后，彈性元件在一段時(shí)間之內(nèi)還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生類似蠕動(dòng)的位移。溫度系數(shù)：溫度改變1度引起的剛度的變化。2.2.22.2.2彈簧管壓力表彈簧管壓力表1彈簧管測(cè)壓原理被測(cè)壓力p作用于彈簧管內(nèi)腔后，其截面變形-變園。但是，彈簧管弧長(zhǎng)度拉伸變形可以忽略不計(jì)，彈簧管微元截面繞管軸心逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。所有彈簧管截面微元變形累積的結(jié)果，使整個(gè)彈簧管中心角減小，彈簧管產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形，自由端向右上方位移。圖2

4、.3 彈簧管的測(cè)壓原理PKPabbhRE22222)1 (1、彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模量； R彈簧管圓弧外半徑；a、b彈簧管截面長(zhǎng)半軸、短半軸；h彈簧管的壁厚； k彈簧管的幾何參數(shù)， 系數(shù)； k與彈簧管結(jié)構(gòu)、尺寸、材料有關(guān)的常數(shù)。 結(jié)論（1）彈簧管變形與彈簧管結(jié)構(gòu)及尺寸有關(guān)。（2）彈簧管變形與彈簧管材料性能有關(guān)。（3）彈簧管變形與被測(cè)壓力P成正比。彈簧管的截面形狀：有扁圓形、橢圓形、D型、雙零形、8字形。彈簧管的材料：磷錫青銅（QSn4-0.3）、彈簧銅（50CrVA）；不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）或恒彈性合金鋼（N42CrTi,Ni42Cr6Ti）。2彈簧管的結(jié)構(gòu)和材料 圖2.4 常見

5、彈簧管截面形狀3彈簧管壓力表的組成原理彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)：由彈簧管、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)（包括拉桿、扇形齒輪、中心齒輪等）、指示裝置（指針和表盤）以及外殼等幾部分組成。圖2.5 彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)工作原理：被測(cè)壓力由接頭9通入彈簧管內(nèi)腔，使彈簧管1產(chǎn)生彈性變形，自由端B向右上方位移。通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)中心齒輪4作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是固定在中心齒輪上的指針5也作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而指出被測(cè)壓力的數(shù)值。由于自由端B的位移量與被測(cè)壓力之間成正比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是均勻的。量程調(diào)整：改變調(diào)整螺釘8在扇形齒輪的槽孔中位置，以改變傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。變差校正

6、：游絲7始終給中心齒輪施加一個(gè)微小的力矩，使中心齒輪和扇形齒輪始終有一側(cè)齒面嚙合，以克服齒輪傳動(dòng)嚙合間隙而產(chǎn)生的儀表變差。（1）按彈簧管結(jié)構(gòu)分：有單圈彈簧管壓力表、多圈彈簧管壓力表。（2）按測(cè)量精度分：有工業(yè)用壓力表（0.5級(jí)以下）、校驗(yàn)用精密壓力表。（3）按其用途分：有耐腐蝕壓力表、耐震壓力表、隔膜壓力表，氧氣壓力表、氨用壓力表等。4. 彈簧管壓力表的形式 圖2.6 彈簧管壓力表的形式(a)徑向無(wú)邊 (b)徑向后邊 (c)徑向前邊 (d)軸向無(wú)邊 （e）軸向前邊 （f）隔膜式壓力表公稱直徑（40、60、100、150、250）。壓力計(jì)的測(cè)量范圍：常用的有01.0、1.6、2.5、4.0、6.

7、010n系列。精度等級(jí)：4.0、2.5、1.5、1.0、0.5、 0.4、0.25、0.2、0.1級(jí)等。 彈簧管壓力表的外形：徑向、軸向、直接安裝式、凸裝式、嵌裝式。 2.2.32.2.3電接點(diǎn)壓力表電接點(diǎn)壓力表作用：壓力越限報(bào)警、控制。結(jié)構(gòu)：在普通彈簧管壓力表上附加觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)而成。原理：當(dāng)壓力超過上限設(shè)定值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)B和靜觸點(diǎn)A接觸，紅色信號(hào)燈LH的電路被接通，使紅燈點(diǎn)亮。若壓力低到下限設(shè)定值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)B與靜觸點(diǎn)C接觸，綠色信號(hào)燈LL的電路接通,綠燈亮，依此警示壓力超限。而當(dāng)壓力回到上（下）限以內(nèi)時(shí)，靜觸點(diǎn)被上（下）限指針1、3擋住，動(dòng)、靜觸點(diǎn)脫離接觸，信號(hào)燈均不亮。圖2.7 電接點(diǎn)信號(hào)壓力表

8、2.3 霍爾式壓力計(jì)組成：由霍爾式壓力傳感器和顯示儀組成。2.3.1 2.3.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)圖2.8 霍耳效應(yīng)原理霍爾元件：是置于磁場(chǎng)中的一半導(dǎo)體材料片。原理：磁場(chǎng)中的霍爾元件在Y向通入恒定電流I，自由電子受洛倫磁力F的作用發(fā)生偏移，霍爾片-X方向端面上有電子積累，+X方向端面上正電荷過剩，產(chǎn)生電位差E，即“霍爾電勢(shì)”IBKblfhIBREhh )(h2.3.2 霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器霍爾式彈簧管壓力傳感器結(jié)構(gòu)：兩個(gè)完全相同的磁鐵相對(duì)安裝，磁鋼兩對(duì)極靴形狀特殊，使磁極間形成的磁場(chǎng)成線性分布，兩側(cè)方向相反。(a)傳感器結(jié)構(gòu) (b)非均勻磁場(chǎng)圖2.9 YSH-3型霍爾片式壓力傳

9、感器 原理：當(dāng)被測(cè)壓力為零時(shí)，霍爾片處于極靴中央位置，左右兩半磁場(chǎng)方向相反、互相對(duì)稱，霍爾片總電勢(shì)之和為零。當(dāng)被測(cè)壓力大于零時(shí)，彈簧管帶動(dòng)霍爾片左移，霍爾片總電勢(shì)大于零。當(dāng)輸入壓力是負(fù)壓時(shí)，霍爾元件向右移動(dòng)，霍爾電勢(shì)為負(fù)。并且壓力越大，霍爾片偏移越大，輸出電勢(shì)也越大。此霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例。利用該電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的遠(yuǎn)傳。2.4 電感式壓力計(jì)2.4.1 2.4.1 差動(dòng)變差器差動(dòng)變差器差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)：次級(jí)線圈由兩個(gè)完全對(duì)稱的線圈L21、L22反相串接。鐵芯的位置，影響次級(jí)線圈的磁耦合，使線圈L21、L22上的磁通及感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生變化，其輸出電壓隨之改變。(a)結(jié)構(gòu) (b)等效電路 (c)

10、輸入輸出關(guān)系 圖2.10 差動(dòng)變壓器2221 - eeu 12221iju)( 當(dāng)鐵芯在中間位置時(shí)，由于兩個(gè)次級(jí)線圈的參數(shù)和磁路尺寸相等，則 ，輸出電壓；當(dāng)鐵芯偏離中間位置向上位移時(shí)，L21磁耦合加強(qiáng)，互感增加； L22磁耦合減弱，互感減小。 222112iju 其輸出電壓有效值xKIUx 12 2.4.22.4.2電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器1、膜盒電感式遠(yuǎn)傳微壓力計(jì)結(jié)構(gòu)：膜盒、差動(dòng)變壓器。原理：當(dāng)被測(cè)壓力P增加時(shí)，膜盒產(chǎn)生變形，產(chǎn)生軸向位移，帶動(dòng)鐵芯在差動(dòng)變壓器線圈中移動(dòng)，從而使差動(dòng)變壓器產(chǎn)生正比于被測(cè)壓力的電壓輸出。圖2.11 電感式遠(yuǎn)傳微壓計(jì)圖2.12 CPC型差壓計(jì)結(jié)構(gòu)圖1-高壓

11、導(dǎo)管；2-低壓導(dǎo)管；3-蓋板；4-罩殼；5-緊固螺母；6-繞組；7-彈簧；8-導(dǎo)管螺母；9、10-密封墊圈；11-膜片；12-高壓室；13-保護(hù)環(huán)；14-正壓保護(hù)擋板；15-負(fù)壓保護(hù)擋板；16-基座；17-低壓室；18-導(dǎo)管；19-連桿；20-鐵芯；21-調(diào)節(jié)螺母；22-低壓閥；23-平衡閥；24-高壓閥2、電感式差壓傳感器組成：三閥組、膜片、差動(dòng)變壓器。原理：當(dāng)P1、P2分別進(jìn)入高、低壓室時(shí)，推動(dòng)膜片向低壓側(cè)移動(dòng)。通過連桿帶動(dòng)鐵芯右移，差動(dòng)變壓器有電壓信號(hào)輸出，此輸出電壓的大小與所測(cè)的差壓成比例關(guān)系。單向受壓保護(hù)：當(dāng)差壓太大或單向受壓時(shí)，保護(hù)擋板壓緊在保護(hù)環(huán)上，封閉高低、壓室，利用工作液的不

12、可壓縮性，防止膜片繼續(xù)變形損壞。2.5 應(yīng)變式壓力計(jì)2.5.1 2.5.1 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變：壓力作用下產(chǎn)生的相對(duì)變形。應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。設(shè)應(yīng)變片電阻絲在未受力時(shí)，原始電阻為ALR 當(dāng)電阻絲受到軸向拉力作用變形時(shí)AALLRRdddd 2r ArrAAd2d rrLLRRd2ddd LdL為電阻絲的軸向應(yīng)變； rdr為電阻絲的徑向應(yīng)變。 根據(jù)材料力學(xué)原理 - dRdR)(21 )(21 項(xiàng)是由于材料變形產(chǎn)生的電阻變化，為電阻的幾何效應(yīng)。 d項(xiàng)是由于材料電阻率改變引起的電阻變化，稱為壓阻效應(yīng)。 對(duì)于金屬材料， 1 d KRdR )(21K為其靈敏度系數(shù)。K =

13、 1.73.6之間。對(duì)于半導(dǎo)體材料， )(21 d KEdRdRl 為縱向壓阻系數(shù)，E為材料彈性模量。常用硅、鍺半導(dǎo)體材料,K = 100170。 l （1）絲式應(yīng)變片: 由稱為敏感柵、絕緣基底、引線、保護(hù)膜等組成。（2）箔式應(yīng)變片：用金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕制成。（1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片：將半導(dǎo)體材料切割成小片，壓焊引線后制成。（2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片：利用真空蒸鍍技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在基片上制成。（3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片：將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到不導(dǎo)電的N型單晶硅基片上，形成一層導(dǎo)電的P型擴(kuò)散硅擴(kuò)散電阻。2、半導(dǎo)體應(yīng)變片2.5.2 2.5.2 應(yīng)變片應(yīng)變片1、金屬應(yīng)變片(a) 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 （b）薄膜

14、型半導(dǎo)體應(yīng)變片 (c)擴(kuò)散硅半導(dǎo)體應(yīng)變片圖2.14 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片圖2.15 電橋電路電橋輸出開路時(shí)輸出電壓為)(32413142RRRRRRRREVsR 1R 3=R 2R 4時(shí) ，電橋平衡，輸出電壓V =0。（1）等臂電橋： R 1=R 3=R 2=R 4=R 應(yīng)變片電阻R 4變化R，2R R時(shí)RRERRREVss422 KEVs4（2）等臂電橋四個(gè)橋臂均為應(yīng)變電阻時(shí) )(43214433221144 KERRRRRRRREVss2.5.3 2.5.3 應(yīng)變電阻測(cè)量橋路應(yīng)變電阻測(cè)量橋路2.5.4 2.5.4 應(yīng)變片式壓力傳感器應(yīng)變片式壓力傳感器1、膜片式應(yīng)變壓力傳感器（a）結(jié)構(gòu)； （b）

15、應(yīng)變片布置；（c）膜片應(yīng)變圖2.16 膜片式應(yīng)變壓力傳感器原理：膜片各處產(chǎn)生的徑向應(yīng)變r(jià)在中心區(qū)域?yàn)檎驊?yīng)變（拉伸），在邊緣區(qū)域?yàn)樨?fù)向應(yīng)變（壓縮）。R2、R4貼在膜片的正應(yīng)變區(qū)，壓力作用下電阻增加；R1、R3貼在膜片的負(fù)應(yīng)變區(qū)，壓力作用下電阻減小。在測(cè)量橋路上，同區(qū)電阻置于電橋的相對(duì)橋臂上。這樣可以得到最大的差動(dòng)靈敏度，并且具有溫度補(bǔ)償特性。KERRRRRRRREVss4433221142、應(yīng)變筒式壓力傳感器BPR-3型壓力傳感器：彈性應(yīng)變筒固定在外殼和鋼密封膜片1之間。測(cè)量應(yīng)變片R1 沿應(yīng)變筒軸向粘貼，補(bǔ)償應(yīng)變片R2 沿應(yīng)變筒圓周方向粘貼。圖2.18 BPR應(yīng)變式壓力傳感器1-膜片;2-測(cè)量

16、應(yīng)變片；3-應(yīng)變筒；4-接座； 5-冷卻水咀；6-墊圈；7-出線接頭；8-電纜（插頭座）；9-護(hù)蓋；10-定位銷；11-補(bǔ)償應(yīng)變片;12-安全孔；13-壓蓋原理：壓力P使膜片凸起，應(yīng)變筒軸向變形，變粗、變短。R 1壓縮變??； R 4拉伸變大。但當(dāng)P =0時(shí)，R 1=R 2=R 3=R 4=R ，電橋平衡，輸出電壓V =0。當(dāng)被測(cè)壓力P 0時(shí)，R 1 = R -R 1 ， R4 = R +R4 ，電橋失去平衡，輸出電壓：414122RRRRREVs考慮到2R-R1+R4，則 KERRREVss)( 14441壓力傳感器敏感元件 -“硅杯”底部形成膜片，制成四個(gè)擴(kuò)散電阻構(gòu)成橋式測(cè)量電路。圖2.19

17、 壓阻式壓力傳感器 （a）擴(kuò)散電阻布置 （b）硅膜片上應(yīng)力分布圖2.20 硅膜片電阻及應(yīng)力分布使R1和R3布置在壓應(yīng)力區(qū)，壓力作用下電阻減小；R2和R4布置在拉應(yīng)力區(qū)，壓力作用下電阻增加。2.5.5 2.5.5 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器1工作原理與結(jié)構(gòu)2擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器組成：半導(dǎo)體硅杯、電橋檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路和標(biāo)準(zhǔn)電流輸出電路。圖2.22 擴(kuò)散硅差壓變送器測(cè)量電路圖檢測(cè)原理：P=0時(shí)， R1=R2=R3=R4，Ia=Ib= 0.5mA。I2為3mA， Ubc=Uac，Uba=0,電橋平衡FFabRIRRIRRI2152 )()(P0時(shí)， Uac減小，Ubc增大。Uba=Ubc

18、-Uac0。經(jīng)運(yùn)算放大器A、VT放大，I2增大。RF上反饋電壓U F增加，導(dǎo)致Uac增加，直至bcacUU 電橋在壓力作用下達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。如果各擴(kuò)散電阻的變化R相同 )()(5221RRRIRIRRRIbFFa)(312mAIRRIFI2隨應(yīng)變電阻的改變線性正比變化。在被測(cè)壓差量程范圍內(nèi)，I2=319 mA。I0=I1+I2=420mA。圖2.24 石英晶體石英晶體沿X軸方向、沿Y軸方向均有壓電效應(yīng)。壓電電荷Q與作用力F成正比關(guān)系式中，Kd為壓電系數(shù)。Kdx=2.3110-12 C/NsdPAKQ 2.6 壓電式壓力計(jì)2.6.1 2.6.1 壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)：

19、電介質(zhì)材料受力變形時(shí)引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移，使介質(zhì)表面上產(chǎn)生電荷及電勢(shì)的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)：電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下，分子正負(fù)電荷中心相對(duì)位移導(dǎo)致介質(zhì)的形變的現(xiàn)象。2.6.2 2.6.2 壓電傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器的測(cè)量電路壓電元件等效電路(a)電荷源 (b）電壓源圖2.26 壓電傳感器的等效電路hACra0A為壓電片面積；h為壓電片厚度。 r0AaCQU為壓電材料相對(duì)介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)（8.85X 10-12F/m)壓電元件本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量微弱，其測(cè)量電路用高輸入阻抗的電荷放大器。圖2.27 電荷放大器整機(jī)原理框圖圖2.28 活塞式壓電壓力傳感器1-插頭座；2-壓蓋；3

20、-螺母；4-壓電元件；5-絕緣套；6-砧盤；7-活塞；8-橡皮墊片；9-殼體；10-測(cè)壓油2膜片式壓電壓力傳感器結(jié)構(gòu)：金屬膜片起到了傳遞壓力和密封作用。膜片質(zhì)量、剛度小，相應(yīng)振頻率高（100kHz）。2.6.3 2.6.3 壓電式壓力傳感器典型結(jié)構(gòu)壓電式壓力傳感器典型結(jié)構(gòu)1活塞式壓電壓力傳感器測(cè)量壓力：達(dá)300-400MPa。結(jié)構(gòu)：被測(cè)壓力通過活塞、砧盤將壓力傳到壓電晶體上。圖2.29 膜片式壓電壓力傳感器1一預(yù)壓圓筒2一殼體3, 5一絕緣4, 6-電極7一壓電片堆8一膜片圖2.30 結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)結(jié)構(gòu)輸入輸出關(guān)系為PKKKKKKILfLi000110KKKLfPKKIfi02.7 電動(dòng)力平衡式

21、差壓變送器變送器采用了負(fù)反饋原理，引入電磁反饋?zhàn)饔闷胶鉁y(cè)量力。輸入輸出關(guān)系消除了主放大倍數(shù)K0、KL影響，提高了變送器性能。圖2.31 電動(dòng)矢量杠桿式差壓變送器1-高壓室；2-低壓室；3-膜盒；4-密封膜片；5-主杠桿；6-零點(diǎn)遷移彈簧；7-量程調(diào)整螺釘；8-矢量機(jī)構(gòu)；9-支點(diǎn)；10-副掃桿；11-檢測(cè)片；12-差動(dòng)變壓器；13-放大器；14-永久磁鐵；15-反饋線圈2.7.1 2.7.1 結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成由測(cè)量部分、轉(zhuǎn)換部分組成。1、測(cè)量部分檢測(cè)元件：膜盒。被測(cè)壓力Pl、P2作用于膜盒兩側(cè)，產(chǎn)生一個(gè)“測(cè)量力”Fi。使主杠桿以密封膜片為支點(diǎn)產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)。PAFi（2-43） 2、轉(zhuǎn)換部分作用

22、：把測(cè)量力轉(zhuǎn)換為4-20mA D.C信號(hào)輸出。組成：杠桿-矢量機(jī)構(gòu)、差動(dòng)變壓器、位移檢測(cè)放大器、電磁反饋裝置等。（1）杠桿-矢量機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)測(cè)量力轉(zhuǎn)換主杠桿 FiF1：iFLLF211矢量機(jī)構(gòu)F1F2 副杠桿tan12FF （2）差動(dòng)變壓器 位移-電壓轉(zhuǎn)換F2使副杠桿偏轉(zhuǎn)，其上檢測(cè)片與磁芯間的氣隙改變，上副邊感應(yīng)電壓e2變化、下副邊感應(yīng)電壓e/2不變，其輸出電壓uCD= e2-e/2隨檢測(cè)片位置而變。(a) 差動(dòng)變壓器 b)位移檢測(cè)放大器 電磁反饋裝置圖2.32 位移檢測(cè)放大器1-銅環(huán)；2-永久磁鋼；3-接鐵；4-磁分路調(diào)整螺；5-導(dǎo)磁體；6-反饋線圈；7-副杠桿；8-軟鐵心（3）位移檢測(cè)放大器

23、 -I0 放大振蕩器輸出電壓uAB隨檢測(cè)片與磁芯間隙而變。當(dāng)-減小時(shí)，uCD增大， uAB隨之增大。經(jīng)VD4整流、R8-9、C5濾波、VT2、VT3功放，轉(zhuǎn)換為420mA電流I0輸出。（4）電磁反饋裝置 I0通入反饋線圈，在永久磁鐵的磁場(chǎng)中,會(huì)受到一個(gè)電磁反饋力的作用00IKIDBnFff式中 B永久磁鐵中的磁感強(qiáng)度；D反饋線圈的直徑；n反饋線圈的匝數(shù)；Kf系數(shù)，Kf =nDB。反饋力作用于副杠桿上，產(chǎn)生反饋力矩Mf以便和測(cè)量部分在副杠桿上產(chǎn)生的測(cè)量力矩Mi相平衡。2.7.2 2.7.2 工作原理工作原理tan231iiFLLLM000FLM0ILKMfff0MMMfi解出00iPKIPtan

24、231AKLLLLKffP )(4000mAFKLLiff , 由于KP為常數(shù)，所以輸出電流I0和被測(cè)壓差P成線性關(guān)系。i0是由調(diào)零彈簧確定的零點(diǎn)電流，P = 0時(shí)，i0=4mA。2.8 電容式差壓變送器2.8.1 2.8.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理組成：由檢測(cè)部分和轉(zhuǎn)換部分組成。圖2.34 電容式差壓變送器1差動(dòng)電容膜盒；2-低壓室壓蓋3低壓側(cè)導(dǎo)壓孔；4連接螺栓；5-“O”型密封圈； 6高壓室壓蓋；7高壓側(cè)導(dǎo)壓口；8排氣螺釘；9電容膜盒聯(lián)結(jié)頭；10-引線；11-中心殼座；12-前殼蓋；13-表玻璃；14-顯示表頭；15、17-電路板；16-出線孔；18-后殼蓋1、檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)：檢測(cè)部分的核心是差動(dòng)

25、電容膜盒。基座8內(nèi)嵌一對(duì)柱形絕緣玻璃體3，其球冠形表面鍍金形成電容的固定電極。中間夾一測(cè)量膜片2，作為電容的可動(dòng)電極板?；鶅蛇叿謩e焊接隔離膜片6將基座密封，內(nèi)充工作液（硅油）。圖2.36 差動(dòng)電容膜盒1固定極板（鍍金薄膜）；2-測(cè)量膜片（可動(dòng)極板）；3絕緣玻璃體；4硅油；5-焊接密封； 6隔離膜片；7引線；8-基座原理：測(cè)量膜片和兩邊固定電極分別形成電容CH和CL。壓力P1、P2通過隔離膜片、硅油傳遞到測(cè)量膜片上。使測(cè)量膜片向低壓測(cè)凸起。從而使高壓側(cè)電容極板間距增大，電容CH減小，低壓側(cè)電容極板間距減小，電容CL增大。這一電容量變化經(jīng)引出線送往傳送部分放大，轉(zhuǎn)換為420mA DC信號(hào)輸出。由

26、于膜片位移量很小，可近似認(rèn)為 rrd12204)(式中 r0-膜片半徑；膜片張力；Kl比例系數(shù) ddACL0ddACH0dddCCCCHLHL0102、轉(zhuǎn)換部分 圖2.38 電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)方框圖 LeCi 2式中 一振蕩角頻率；e一振蕩器激勵(lì)電壓。 當(dāng)被側(cè)壓差增加，使CH減小、CL增加時(shí)，i2減小、i1增加。經(jīng)解調(diào)器相敏整流后輸出兩個(gè)電流信號(hào)，一個(gè)是Ii=i2 -i1為差動(dòng)信號(hào)，另一個(gè)是Icm=I2+I1為共模信號(hào)。Ii與被側(cè)差壓成正比，經(jīng)電流放大器放大成420mA DC輸出。Icm通過標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生的電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，以反饋控制振蕩器的供電電壓，使得Icm保持不變，可以消除振蕩器電

27、源電壓波動(dòng)造成的干擾。)(HLcmCCeiiI 12)(HLiCCeiiI 12PKIICCCCiiIcmcmHLHLi 12差動(dòng)電容由高頻振蕩器供電，兩個(gè)電容量變化，被轉(zhuǎn)換為電流變化。HeCi 1圖2.39 電容電流轉(zhuǎn)換電路（1）高頻振蕩器 作用是向CL、CH提供高頻交流電壓。振蕩幅度e 大小取決于電源電壓，由控制放大器IC1控制。（2）解調(diào)器 在高頻信號(hào)的正、負(fù)半周，VD2-VD3、VD1-VD4分別導(dǎo)通，分別對(duì)電容CL、CH充電或放電。通過R0的充放電電流i2、i1方向相反，相當(dāng)于得到差動(dòng)測(cè)量信號(hào)Ii=i2-i1，送到電流放大器IC3。通過R6R9的充放電電流i2、i1方向相同，相當(dāng)于得

28、到共模信號(hào)Icm=i2+i1，送振蕩控制放大器IC1。（3）振蕩控制放大器 其輸入電壓等于電橋上ES 產(chǎn)生的固定電壓U1與 Icm產(chǎn)生的電壓U2差。所以當(dāng)Icm增大時(shí)，IC1輸出電壓增加，晶體管VT1的UCE下降，導(dǎo)致振蕩器輸出電壓e降低，維持Icm不變。（4）電流放大電路 是將轉(zhuǎn)換部分的輸出電流Ii=i2-i1，放大成變送器的4-20mA的電流輸出。圖2.41 智能差壓變送器原理框圖CPU：具有運(yùn)算功能，控制變送器各部分工作。ROM：存儲(chǔ)CPU工作主程序。PROM：存儲(chǔ)電容膜盒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)（輸入輸出特性和溫度壓力補(bǔ)償參數(shù)）、設(shè)定測(cè)量范圍、阻尼、零點(diǎn)、量程等各項(xiàng)設(shè)定數(shù)據(jù)。EEPROM：是RAM的后

29、備存儲(chǔ)器，遇到意外停電保存數(shù)據(jù)?；謴?fù)供電后，EEPROM中的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到RAM中，起到停電保護(hù)作用。數(shù)字通訊接口I/O：將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)通信器的脈沖數(shù)字信號(hào)從4-20mA直流信號(hào)線上分離出來(lái)送入CPU，還可將變送器工作狀態(tài)、已設(shè)定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、初診斷結(jié)果、測(cè)量結(jié)果等送入現(xiàn)場(chǎng)通信器的顯示器上。A/D和D/A：分別進(jìn)行模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換2.9 智能壓變送器2.9.1 2.9.1 組成組成2.9.3 2.9.3 典型產(chǎn)品簡(jiǎn)介典型產(chǎn)品簡(jiǎn)介1ST-3000智能差壓（壓力）變送器2.9.2 2.9.2 特點(diǎn)特點(diǎn)測(cè)量精度高，基本誤差僅為0.075或0.1%，且性能穩(wěn)定、可靠、響應(yīng)快。具有溫度、靜壓補(bǔ)償功能以保證儀表的

30、精度。具有較大的量程比（20：1至100：1）和較寬的零點(diǎn)遷移范圍。輸出模擬、數(shù)字混合信號(hào)或全數(shù)字信號(hào)（支持現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議）。除有檢測(cè)功能外，智能變送器還具有計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能，與智能執(zhí)行器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路。利用手持通訊器或其它組態(tài)工具可以對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)。（1）組成：ST3000差壓變送器檢測(cè)元件采用擴(kuò)散硅復(fù)合型壓阻傳感器。在單片超大規(guī)模集成電路上集成了差壓、溫度、靜壓三種傳感傳感器，并集成了電子多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器。（2）原理 被測(cè)差壓作用于正、負(fù)壓側(cè)隔離膜片，通過工作液傳遞到復(fù)合傳感器上，使傳感器擴(kuò)散電阻變化。通過電橋檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微處理器。與

31、此同時(shí)，復(fù)合傳感器上的溫度傳感器和靜壓傳感器檢出環(huán)境溫度和靜壓參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入微處理器。微處理器從EEPROM中取出在變送器校驗(yàn)時(shí)存入的各種補(bǔ)償數(shù)據(jù)（如差壓、溫度、靜壓特性參數(shù)和輸入輸出特性等），對(duì)三種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，得到一個(gè)與輸入差壓對(duì)應(yīng)的420mA直流信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，作為變送器的輸出。（3）特點(diǎn)：ST3000差壓變送器采用復(fù)合型傳感器和綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)，有效克服了擴(kuò)散硅壓阻傳感器的缺點(diǎn)，提高了變送器的測(cè)量精度，拓寬了量程范圍。 圖2.45 3051C型智能差壓變送器原理框圖（1）結(jié)構(gòu)：檢測(cè)元件采用高精度的電容式壓力傳感器，還配置了溫度傳感器，用來(lái)補(bǔ)償溫度誤差。兩個(gè)傳感器的信號(hào)通

32、過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到電子組件，微處理器完成對(duì)輸入信號(hào)的線性化、溫度補(bǔ)償、數(shù)字通信、自診斷等處理后，得到一個(gè)與輸入差壓相對(duì)應(yīng)的420mA直流電流或HART數(shù)字信號(hào)作為變送器的輸出。23051C差壓變送器2.10 壓力計(jì)的選擇、校驗(yàn)與安裝2.10.1 2.10.1 壓力計(jì)的選擇壓力計(jì)的選擇1壓力計(jì)類型的選擇壓力計(jì)類型的選擇必須滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)遠(yuǎn)、記錄、報(bào)警要求；滿足介質(zhì)性質(zhì)、環(huán)境條件的限制。（1）壓力表的選擇 在腐蝕性較強(qiáng)、粉塵較多和淋液等環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，宜選用密閉式不銹鋼及全塑壓力表。測(cè)量弱酸、堿、氨類及其它腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)選用耐酸壓力表、氨壓力表或不銹鋼膜片壓力表。測(cè)量具有強(qiáng)腐蝕性、含

33、固體顆粒、結(jié)晶、高粘粘稠液體介質(zhì)時(shí)，可選用隔膜壓力表。在機(jī)械振動(dòng)較強(qiáng)的場(chǎng)合，應(yīng)選用耐震壓力表或船用壓力表。在易燃、易爆的場(chǎng)合，如需電接點(diǎn)訊號(hào)時(shí)，應(yīng)選用防爆電接點(diǎn)壓力表。測(cè)量氨、氧、氫氣、氯氣、乙炔、硫化氫等介質(zhì)應(yīng)選用專用壓力表。（2）變送器、傳感器的選擇需要標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(4-20mA )傳輸時(shí)，應(yīng)選變送器。易燃易爆場(chǎng)合，選用氣動(dòng)變送器或防爆型、本安型電動(dòng)變送器。對(duì)易結(jié)晶、堵塞、粘稠或有腐蝕性的介質(zhì)，可選用法蘭型變送器。根據(jù)測(cè)量環(huán)境、測(cè)量精度選取變送器類型。2測(cè)量范圍的選擇壓力計(jì)量程范圍的選擇根據(jù)被測(cè)壓力的大小確定。 被測(cè)壓力比較平穩(wěn)時(shí) 被測(cè)壓力波動(dòng)較大時(shí) 測(cè)量高壓壓力時(shí) minpmaxP3SP23 minpmaxP3SP2 minpmaxP3SP35 式中 maxP 被測(cè)壓力的最大值；minP 被測(cè)壓力的最小值。 3壓力計(jì)精度的選取所選壓力計(jì)的精度等級(jí)值：100 pmaxcSeA式中 maxe 工藝允許的最大誤差； 所選壓力計(jì)量程。 pS將被校壓力計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)通以相同的壓力，用標(biāo)準(zhǔn)表的示值作為真值，比較被校表的示值，以確定被校表的誤差、精度、變差等性能。所選標(biāo)準(zhǔn)表的允許最大絕對(duì)誤差起碼應(yīng)小于被校表允許最大絕對(duì)誤差的三分之一。認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)就是真實(shí)壓力的數(shù)值。壓力計(jì)校驗(yàn)儀器：活塞式壓力計(jì)。2.10.2 2.10.2 壓力計(jì)的校驗(yàn)壓力計(jì)的校驗(yàn)1.壓力發(fā)生部分壓力發(fā)生部分是一種螺旋液壓