過程控制技術(shù)第2章(1)

1、 檢測單元通常由檢測儀表（Detection Instrumentation）來承擔，完成相關(guān)過程參數(shù)的檢測，為顯示儀表和控制決策提供信息。主要有溫度（Temperature）、壓力（Pressure）、物位（Materiel Level）、流量（Flow Rate）和成分（Ingredient）等過程變量的測量。本章主要討論過程參數(shù)檢測問題。第第 2 章章 檢測儀表檢測儀表2.1 檢測儀表與測量誤差檢測儀表與測量誤差2.1.1檢測儀表檢測儀表 檢測儀表是實現(xiàn)過程參數(shù)測量與變送的技術(shù)工具。通過檢測，及時準確地反映生產(chǎn)工藝過程運行情況，為監(jiān)督與處理各種狀態(tài)提供依據(jù)，也為自動化裝置提供決策信息。這

2、對于確保產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量、安全生產(chǎn)、保護環(huán)境，以及節(jié)約能源都具有重要意義。 過程參數(shù)檢測儀表通常是由敏感或轉(zhuǎn)換元件與變送單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 敏感轉(zhuǎn)換元件，是通常說的傳感器。它利用物理或化學材料或部件，直接與被測過程變量相聯(lián)系，感受與反映被測過程變量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，其形式可以是電壓、電流、電阻、電容或電感等。圖 2-1 過程參數(shù)檢測儀表結(jié)構(gòu) 變送器，將敏感轉(zhuǎn)換元件的輸出電信號經(jīng)過加工調(diào)理，如放大、濾波或非線性處理等，變?yōu)楸阌趥鬏敽蛻?yīng)用的標準電信號。對于 DDZ- 型電動組合儀表而言，該標準電信號為 420mA的直流電流，或 15V 的直流電壓。該信號可以送往顯示儀表進行

3、顯示，或者反饋給控制器，或者傳輸給其它通信接口。 在實際測量過程中，由于測量設(shè)備精度的限制、測量方法的不同、測量環(huán)境的影響，都會使測量結(jié)果與測量的真實值不一致。測量結(jié)果與被測量真實值之差，就是測量誤差。其大小反映測量質(zhì)量的好壞。2.1.2 測量誤差與分類測量誤差與分類 誤差公理的概念是：所有測量都有誤差，誤差自始至終存在于所有科學實驗和測量實踐之中。人們研究測量誤差的目的就是尋找產(chǎn)生誤差的原因，認識誤差的規(guī)律，找出減小誤差的方法和途徑，以獲得盡可能接近真實值的測量結(jié)果。測量誤差是不可避免的，測量的精度應(yīng)與測量的目的相符合，盲目追求精準的測量結(jié)果，往往要付出很大的代價，其做法在實踐中并不可取。

4、1. 測量誤差的基本概念 真值（True Value）：被測物體在一定的時間及空間下，所體現(xiàn)的真實數(shù)值。它是一個理想的概念，客觀存在，但不可測量。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量結(jié)果的數(shù)值會不斷接近真值。在實際計量和測量工作中，常常使用 “約定真值” 和 “相對真值” 的概念。 （1） 測量誤差的分類 測量誤差目前有多種分類法，本文介紹的兩種是比較常見的，一是按表示方法分，二是按誤差性質(zhì)分。 按表示方法分的誤差有：絕對誤差、相對誤差、引用誤差、滿度引用誤差和容許誤差等。 1）絕對誤差（Absolute Error, AbsE）：某一被測量的值x與真值 的差 0 x0 xxx 其中，x為測量值，可用測量

5、儀器的示值，標準量具的標稱值，標準信號源的調(diào)定值； 為被測量的 0 x 2測量誤差的分類與處理 示值（Indicating Value）：由測量儀器給出或提供的量值，也稱測量值。 標稱值（Nominal Value）：計量或測量器具上的標注值。如標準砝碼上標出的 1kg。它受制造、測量環(huán)境條件變化影響，標稱值并不一定等于它的實際值，一般在給出標稱值的同時也應(yīng)給出它的誤差范圍或精度等級 相對真值（Relative True Value）：在滿足規(guī)定準確度時，用來代真值使用的值，也稱實際值。 約定真值（Conventional True Value）：按照國際公認的單位定義，利用科技發(fā)展的最高水準

6、復現(xiàn)的單位基準值，它常以法律規(guī)定或指定的形式出現(xiàn)。例如，在標準條件下，水的沸點是100，冰點是 0。真值。由于其不可知性，常用約定真值或相對真值代替。在實際測量中，常用某一被測量多次測量的平均值，或上一級標準儀器測得的示值作約定真值，代替真值 。絕對誤差不能說明測量質(zhì)量的好壞。0 x 2）相對誤差（Relative Error）：用來表示測量精度的高低。它又分為實際相對誤差和標稱（示值）相對誤差。 實際相對誤差是用絕對誤差 與被測量約定真值 的百分比表示，即 x0 xao100 %xrx 標稱（示值）相對誤差是絕對誤差與儀器示值的百分比值，b100 %xrx該誤差是為了評價測量儀表精度而引入的

7、，但實際中常用最大引用誤差（滿度引用誤差）來表述。 滿度引用誤差（簡稱滿度誤差） maxmmm100%xrx其中， 為絕對誤差最大值。 maxx 我國電工儀表中常用的儀表精度等級 S 是按滿度誤差分級，分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5 和 5.0 七級。儀表精度的數(shù)字越小，精度越高。例如，某電壓表 ，則表示它的精度等級為 2.5 級，即滿度誤差不超過 2.5%。假如此時電壓表量程為 0100V，則最大絕對誤差不超過2.5V。 S2.5 4）容許誤差（Admissible Error）：根據(jù)技術(shù)條件的要求，規(guī)定測量儀器誤差不應(yīng)超過的最大范圍。它是衡量儀器的重要指標，儀器的準確

8、度和穩(wěn)定度可用容許誤差來表示。它常用絕對誤差形式來 表達。 按誤差性質(zhì)分，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。 1）系統(tǒng)誤差（Systematic ResidualsFixed Error）：相同條件下，同一被測量被重復測量時，誤差固定不變，或按照一定規(guī)律變化的誤差。它定義為無限多次測量結(jié)果的平均值減去該被測量的真值。 系統(tǒng)誤差的特點是大小和方向恒定不變，或按一定規(guī)律變化。恒定不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差，在誤差處理中可被修正；按一定規(guī)律變化的稱為變值系統(tǒng)誤差，在誤差估計時可歸結(jié)為系統(tǒng)不確定度。 系統(tǒng)誤差的來源包括：測量設(shè)備的基本誤差、偏離額定工作條件產(chǎn)生的附加誤差、測量方法理論不完善帶來的方法

9、誤差、以及試驗人員主觀原因產(chǎn)生的誤差。 2）隨機誤差（Accidental ErrorRandom Error）：在相同條件下，對同一物理量作多次重復測量時，受偶然因素影響而出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的測量誤差。它定義為測量示值減去在重復條件下同一被測量無限多次測量的平均值。 引起隨機誤差的原因多方面的、微小的，且無法控制，一般用概率和數(shù)理統(tǒng)計描述和計算，它服從統(tǒng)計規(guī)律。 3）粗大誤差（Gross Error）：疏忽誤差，測量結(jié)果明顯偏離實值對應(yīng)的誤差。產(chǎn)生粗大誤差的原因可能有：讀數(shù)錯誤、記錄錯誤、計量器具有缺陷、實驗條件的突變等。處理方法是從測量數(shù)據(jù)中剔除。 在測量中，系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差是

10、同時存在的，但它們對測量過程及結(jié)果的影響是不同的。同時，測量誤差的劃分是人為的、有條件的，不同測量場合，不同測量條件，誤差之間可以互相轉(zhuǎn)化。 （2）測量誤差的處理 對誤差的處理：消除或減小。能夠消除的，應(yīng)該消除；消除不了的，或者要付出過高代價才能消除的，應(yīng)予以減小。 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與處理往往比隨機誤差困難得多，對它的消除或減小應(yīng)考慮的幾方面： 從來源上考慮，如，選擇儀器設(shè)備、測量環(huán)境、測量條件、測量方法、人員素質(zhì)等； 利用修正法，對測量結(jié)果進行修正，要定期檢查和校準儀器； 采用一些特殊的測量技術(shù)和方法。 對隨機誤差，根據(jù)隨機誤差的特點，多次測量，反復比較，用統(tǒng)計規(guī)律描述和確定。對粗大誤差，采用

11、剔除數(shù)據(jù)的方法。 溫度是定量反映物體冷熱程度的物理量，自然界許多物質(zhì)的物理變化或化學變化都與溫度有關(guān)。溫度在工業(yè)生產(chǎn)過程中是一種基本的、常見的參數(shù)，對它的檢測與控制是實現(xiàn)眾多產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要條件，溫度在過程控制中一直受到重視。 檢測溫度的方法不少，根據(jù)感受溫度的途徑不同，可分為接觸式測量和非接觸式測量。所謂接觸式測量，是測溫元件直接與被測物體接觸，通過熱交換感受被測物的冷熱程度及其變化；所謂非接觸式測量，就是感溫元件不直接與被測物體接觸，而是通過接受熱輻射或熱對流來實現(xiàn)測量。 具體來說，接觸式測溫方法有：熱電偶測溫、電阻測溫、膨脹式測溫、壓力式測溫等；非接觸式2.2 溫度檢測與變送溫度檢測與

12、變送2.2.1 溫度檢測溫度檢測測溫方法主要有：亮度法、比色法、全輻射法和紅外輻射法等。詳見表 2-1。表表 2-1 測溫儀表分類及其特點測溫儀表分類及其特點測溫方法測溫原理溫度計名稱測溫范圍應(yīng)用場合接 觸 式體積變固體熱膨脹雙金屬溫度計-2007000300-20600現(xiàn)場指示液體熱膨脹玻璃液體溫度計氣體熱膨脹壓力式溫度計熱阻效應(yīng)金屬熱電阻鉑、銅、鎳、銠鐵熱電阻-200850液、氣體的中低溫測量，可遠距離傳輸半導體熱敏電阻鍺、碳、金屬氧化物熱敏電阻熱電效應(yīng)普通金屬熱電偶銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等熱電偶01800液、氣體的中高溫測量，可遠距離傳輸貴重金屬熱電偶鉑銠-鉑、鉑銠-鉑銠等熱電偶難熔金屬熱

13、電偶鎢-錸、鎢-鉬熱電偶非金屬熱電偶碳化物-硼化物等熱電偶 非接觸式熱輻射功率亮度法光學高溫計6003200測火焰、爆炸物等危險高溫場所全輻射法輻射高溫計比色法比色溫度計紅外輻射法光電高溫計紅外輻射溫度計 接觸式測溫儀表中，因膨脹引起體積變化的溫度計精度低、僅作現(xiàn)場指示用。熱電偶（Thermoelectric Pair Thermoelectric Couple）和熱電阻（Thermal Resistance）類的精度較高，輸出電信號也便于傳送，因而在工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。非接觸式測溫儀表測溫時遠離溫度場，靈敏度高和響應(yīng)速度快，測溫上限可突破3000。但誤差大、受周圍環(huán)境干擾不小。 溫標是溫度

14、的標尺，度量單位，常用的有下面三種： 1. 攝氏溫標，單位為攝氏度（Degree Centigrade/Degree Celsius），用表示“”，該溫標可用t表示。定義水的冰點為 0，水的沸點為 100，兩者之間均勻劃分 100 等份。 2. 華氏溫標，單位為華氏度（Degree Fahrenheit），用“ ”表示，該溫標可用F表示。定義水的冰點為 32 ，水的沸點為 212 ，兩者之間均勻劃分為 180 等份。與攝氏溫標的換算關(guān)系： (9 / 5)32Ft 3. 國際實用溫標，為熱力學溫度，單位為開爾文（Kelvin），用“K”表示，該溫標可用符號 T 表示。與攝氏溫度的關(guān)系為： 2.2

15、.2 熱電偶熱電偶 熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點，主要用于中高溫場合，在冶金、建材、石油等生產(chǎn)行業(yè)被大量采用。 1. 熱電偶的結(jié)構(gòu)與類型 熱電偶是由兩種不同導體或半導體材料焊接而成的，焊接的一端稱為熱端、測溫端或工作端，測溫時被插入測溫場中；另一端與導線或者顯示儀表連接，稱為冷端、參考端或自由端，測溫時被置于測溫場外。 不論何種結(jié)構(gòu)，熱電偶一般都有熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等。普通型熱電偶將熱電極套上絕緣管，裝在保護套內(nèi)，連接通過接線盒引出，如圖 2-2 所示。 圖 2-2 普通型熱電偶的結(jié)構(gòu) 工業(yè)常用熱電偶分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。標準熱電偶規(guī)定了熱電動勢與

16、溫度的關(guān)系、允許誤差和有統(tǒng)一的標準分度表，也有與之配套的顯示儀表供選用。按國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）制定的標準，標準熱電偶有 8 種，詳見表2-2；非標準熱電偶沒有統(tǒng)一的分度表，一般用于特殊的場合。 另外，根據(jù)熱電偶安裝環(huán)境和場所的不同，熱電偶還分為普通型、鎧裝型、薄膜型、表面型和浸入型等。 表表 2-2 標準熱電偶標準熱電偶 熱電偶名稱 分度號 測溫范圍特點適用場合鉑銠10-鉑S 01700性能穩(wěn)定，抗氧化，測溫范圍廣，精度高，但線性度差，價格高精密測量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境鉑銠30-鉑銠6B 01700同

17、上測高溫，不適宜還原性氣體場合 鎳鉻-鎳硅K -2001300測溫范圍廣，熱電動勢大，線性度好，價格低廉，但穩(wěn)定性較上兩種差中高溫測量 鎳鉻-康銅E -2001000熱電動勢大，中低溫穩(wěn)定性好，價格低廉中低溫測量，有氧化性和惰性氣體環(huán)境 鐵-康銅J -2001300熱電動勢較大，價格低廉多用于化工行業(yè) 銅-康銅T -200400精度高，價格低廉，但易氧化低溫測量 鎳鉻硅-鎳硅N -2001300高溫時穩(wěn)定性和使用壽命比K型好，性能與S型接近，價格低廉高溫場合 鉑銠13-鉑R 01700熱電動勢較大，與S型熱電偶性能相近與S型熱電偶相同 2. 熱電偶的測溫原理 熱電偶的測溫原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)

18、的。將兩種不同的導體A和B，組成一個閉合回路，如圖2-3所示，分別將兩端置于不同的溫度中，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。由兩個不同導體組成，并利用熱電效應(yīng)將溫度轉(zhuǎn)換為熱電動勢的傳感元件，就是熱電偶。 圖2-3 熱電偶熱電效應(yīng) 圖2-4 熱電偶測溫示意圖 將兩根不同導體(或半導體)A、B組成閉合回路，且A和B的連接點分別置于不同溫度場 t 和 0t (假設(shè) )，左邊溫度高的接點稱為熱端，右邊溫度低的接點稱為冷端。于是，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，它包括接觸電動勢（Contact Electromotive Force）和溫差電動勢（Thermal Electromotive Forc

19、e）。 0tt 接觸電動勢產(chǎn)生于導體A和B的接觸點上。由于材料不同，其電子密度也不一樣(設(shè) ), ABNN在兩者的接觸處就會有大量的自由電子擴散，擴散的結(jié)果是導體 A 因失去電子而帶正電荷，導體B因得到電子而帶負電荷。擴散的程度不僅與電子密度有關(guān)，而且還與溫度有關(guān)。最后在 A、B接觸面上形成一個由A到B靜電場，它阻止擴散繼續(xù)進行。在確定的溫度下，如果從A移到B的電子數(shù)，與從B移到A的電子數(shù)相同，則達到了一種動態(tài)平衡，此時A、B間形成的電位差即為AB( )et接觸電動勢，用 表示，其大小不僅與材料有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，溫度越高，自由電子越活躍，接觸電勢越高。同理，在另一端有 。 AB0( )et

20、 溫差電動勢產(chǎn)生于同一導體 A 或 B 的兩端之間，這是因為兩端的溫度不同而產(chǎn)生的電動勢，所以稱為溫差電動勢。由于同一導體的兩端溫度不同，自由電子具有不同的能量，高溫端電子能量大，向低溫端擴散，于是高溫端帶正電，低溫端帶負電，形成一個由高溫端指向低溫端的靜電場。于是在導體兩端形成溫差電動勢 和 。溫差電動勢大小與材料和兩端點的溫度有關(guān)，但是與接觸電動勢比起來，它小很多，往往可以忽略不計。 A0( , )et tB0( , )e t t 于是，閉合回路熱電偶的總電動勢為 AB0ABB0AB0A0,et tetet tetet tABAB0( )( )etet（2-1） 對于已選定的熱電偶，當參考

21、端溫度 恒定時， 為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度 t 成單值函數(shù)關(guān)系，即 0t AB0Cet AB0AB,Cet tetf t 這一關(guān)系式在實際測量中是很有用的，即只要測出 的大小，就能得到被測溫度 t。AB0,et t 3. 熱電偶的幾條基本定律 1）均質(zhì)導體定律（Homogeneous Conductor Law） 由兩種均質(zhì)導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。如果材料不均勻，當導體上存在溫度梯度時，將會有附加電動勢產(chǎn)生。 2）中間導體定律（Middle Conductor Law） 在熱電偶測溫回路中接入第三

22、種導體（中間導體），只要保證其兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。同理，熱電偶回路中接入多種導體后，如果接入的每種導體兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電動勢沒有影響。 熱電偶的這一特性，不但允許在其回路中接入電氣測量儀表（如圖 2-4），而且也允許采用任何焊接方法來焊接熱電偶。 3）中間溫度定律（Middle Temperature Law） 在熱電偶測溫回路中，設(shè) 為熱電極上某一點的溫度（中間溫度），熱電偶 AB 在接點溫度為t、 時的熱電勢 等于熱電偶 AB 在接點溫度為t 、 和 、 時的熱電勢 和ct0tAB0,et tctct0tABc,et t 的代數(shù)和 ABc0,et tAB

23、0ABcABc0,et tet tet t 根據(jù)這一定律，設(shè) ，則有 oc0 Ct AB0ABAB0ABAB0( , )( ,0)(0, )( ,0)( ,0)et tetetetetABAB0AB0( ,0)( , )( ,0)etet tet 如果給出冷端為0時的熱電勢和溫度的關(guān)系（分度表），由 可查得 熱電動勢值，若測得冷端為任意溫度時的熱電動勢 ，則由式（2-2）可計算出 ，并再次查分度表獲得所求溫度 t。0tAB0( ,0)etAB0( , )et tAB( ,0)et （2-2） 4. 熱電偶的冷端補償 在溫度的實際測量中，處在同一地點的冷端溫度常常并不是一成不變的。比如，室外某一

24、地點，中午的溫度與午夜的溫度往往相差很大，2030之差不足為奇。另外，如果冷端距熱源較近，溫度波動也較大，這些都會給溫度的測量帶來誤差。為了減小誤差，人們想了許多方法，采用熱電偶冷端補償就是其中一類。下面僅就其中的補償電橋法和計算校正法加以介紹。 圖 2-5 為補償電橋，其中 、 為阻值恒定的錳銅電阻， 為可調(diào)電阻， 為銅電阻，其阻值隨溫度的變化而變化，E 為橋路直流穩(wěn)壓電源，R 為電源內(nèi)阻。所有電阻與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度下，通過調(diào)整使電橋在 （例如0）時， 。當熱電偶冷端溫度 升高時， 也隨著增大， 也增大，但熱電偶的熱電動勢 隨著冷端溫度的升高而減小，如果 的增加量與熱電動勢的減小量

25、相等時，則總輸出值 不變，即 不隨溫度而變化。 1R2RPRCuR0tab0U0tCuRabUxeabUcbUcbx0ab( ,)Ue t tU圖 2-5 熱電偶冷端補償電橋電路 1）補償電橋法 2）計算校正法 如果冷端溫度 變化，可利用另一只溫度計測得實時冷端溫度 ,并利用分度表查得 ，然后根據(jù)測得的熱電動勢 ，利用中間溫度定律，即式（2-2）有 0t0t0( ,0)e t0( , )e t t00( ,0)( , )( ,0)e te t te t最后，根據(jù)求得的 再次查分度表，即可得被測溫度 t。 ( ,0)e t 例例 2-1 用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測爐溫，當車間空氣溫度為 40

26、時，置于爐內(nèi)的熱電偶測得熱電動勢為 35.72mV，試求爐溫為多少？ 解：由題意知 ，且有 。另外，查閱 K 型熱電偶分度表（見附錄3），可得： 。o040 Ct o( , 40 C)35.72mVe to(40 C, 0)1.61mVe 由式（2-2）有 oo( , 0)( , 40 C)(40 C, 0)35.721.6137.33mVe te te再查 K 型熱電偶分度表，得到： ，即爐溫為 900。o900 Ct 2.2.3 熱電阻熱電阻 利用金屬導體或半導體的阻值隨溫度變化來實現(xiàn)溫度測量的傳感元件是熱電阻。它分為金屬熱電阻和半導體熱電阻。熱電阻具有如下特點： 1）熱電阻測量的是一定空

27、間溫度的平均值，而不像熱電偶是一點的溫度值，它具有熱慣性大，不適合用于溫度快速變化的場合； 2）溫度引起熱電阻阻值變化，須通過一定的方法將這種阻值的變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓的 變化，如電橋電路，然后再輸出； 3）熱電阻適合測量中、低溫區(qū)的溫度（500），并且具有精度高、性能穩(wěn)定、靈敏度高、可實現(xiàn)遠距離傳送特點； 通常用來溫度系數(shù)來描述熱電阻阻值隨溫度變化的大小，表示為0000()ttttRRRRttRt其中， 和 分別為溫度為 、t 時熱電阻的電阻值。 0tRtR0t 電阻溫度系數(shù) 描述的是溫度每變化 1，熱電阻阻值的相對變化量。對于金屬熱電阻而言，一般有 ，即隨著溫度的升高，阻值增加；對半導體熱

28、電阻而言，可正可負，并且線性度不是很好。 0 1. 金屬熱電阻 A. 金屬熱電阻的類型 一般來說，要求選作熱電阻的金屬材料具有這些特點：電阻溫度系數(shù)大，以提高對溫度的敏感程度；電阻值與溫度之間有線性關(guān)系；熱電阻具有較好的耐熱性和化學穩(wěn)定性。目前工業(yè)上常用的金屬熱電阻主要有：鉑（Pt）電阻、銅（Cu）電阻和鎳（Ni）電阻等，具體分度號和度量范圍見表 2-3。 表表 2-3 常用金屬熱電阻常用金屬熱電阻 材質(zhì)鉑銅鎳分度號Pt10Pt100Cu50Cu100Ni100Ni300Ni500測溫范圍/0850-200850-50150-60180 鉑電阻：由貴金屬鉑構(gòu)成，具有精度高、穩(wěn)定性好、測量范圍寬

29、等特點。但是，它價格較貴，溫度系數(shù)小、溫度與阻值之間呈弱非線性關(guān)系。阻值與溫度關(guān)系為 230t201 ABC(100)1 ABRttttRRttoooo200 C0 C0 C850 Ctt 其中， ， , , 、 是溫度分別為 t 和0 時的電阻值。 3oA3.90802 10/ C7oB5.802 10 / C 12oC4.2735 10/ C tR0R 常見的鉑電阻是以云母片或石英玻璃柱作骨架，將直徑為0.030.07mm的鉑絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感，鉑絲兩端與銀絲焊接后引至接線端處。 銅電阻：具有較高的溫度系數(shù)，溫度與電阻值之間為線性關(guān)系，價格比鉑電阻便宜。但是，銅熔點低、易氧化

30、、電阻率小、熱慣性大，測量范圍不寬。常見的銅電阻是用直徑為 0.1mm的絕緣銅線，用無感雙線繞法分層繞在圓柱形塑料骨架上，由于電阻率低，所以最后繞好的銅電阻體積較大。 當溫度為-50150 時，有關(guān)系式 oCt0(1)RRt其中， ， 、 是溫度分別為 t 和0 時的電阻值。 3o(4.254.29) 10/ CtR0RoCoC B. 工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)與接線 工業(yè)金屬熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示，其中1為接線盒，2為保護套管，3為絕緣管，4為引線，5為電阻絲，6為絕緣骨架。它由感溫器件（熱電阻絲）、絕緣體、保護套管和接線盒組成。熱電阻絲先進行中間對折，然后雙線繞在玻璃或陶瓷構(gòu)建的絕緣骨架

31、上。絲的末端與引線相連 并連至接線盒。金屬熱電阻與外部電路的連接有兩線制、三線制和四線制幾種。工業(yè)上通常采用三線接線法與電橋相連，以實現(xiàn)將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。在圖 2-7 中，熱電阻用三根導線引出，一根與電源相連，另兩根與電橋的兩臂相接。 圖 2-6 工業(yè)金屬熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖圖 2-7 熱電阻的三線制接法 2. 半導體熱敏電阻 半導體熱敏電阻是將一些金屬氧化物按一定比例混合，壓制和燒結(jié)而成的，它利用其電阻值隨溫度變化的特性來測量溫度。它具有溫度系數(shù)大、熱慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點，但是其穩(wěn)定性和互換性不夠好，一般用于家電和汽車等行業(yè)的溫度測量。 根據(jù)材料和制造工藝的不同，有三種不同類型的半

32、導體熱敏電阻：負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient, NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）熱敏電阻和臨界溫度系數(shù)（Critical Temperature Coefficient, CTC）熱敏電阻。其熱敏電阻的溫阻特性如圖 2-8 所示。負溫度系數(shù)的熱敏電阻主要用于測量溫度，測溫范圍大約在 -50300之間，但存在非線性。其他兩類熱敏電阻在某個溫度段內(nèi)，阻值變化劇烈急劇上升或下降，利用其特性，可制成溫度開關(guān)元件。 2. 2. 4 溫度變送器溫度變送器 變送器（Transmitter）

33、是一種將被測過程參數(shù)變換為標準電信號的儀表，它是電動單元組合儀表（DDZ儀表）的主要品種之一。DDZ儀表有型和 型之分， 型為早期版本，它采用晶體管等分立元件，標準信號為 010mA 直流電流（或 05V 直流電壓）；型為當今版本，它選用集成電路，標準信號為 420mA 直流電流，或者 15V 直流電壓。 圖 2-8 半導體熱敏電阻溫阻特性 從儀表使用來看，變送器涉及零點調(diào)整和零點遷移，以及量程調(diào)整的問題。變送器零點調(diào)整和零點遷移的目的是要使變送器輸出的下限值 （型儀表為4mA直流電流）與測量值的下限值 相對應(yīng)。當 時，若 mA直流電流，則需進行零點調(diào)整，使其為 4mA 直流電流；當 ，若 (

34、4mA直流)，則需進行零點遷移，即將測量起始點由原來的零遷移到某一正值或負值。測量起始點由零遷為某一正值，則稱其為正遷移；測量起始點由零遷為某負值，則稱為負遷移。變送器零點遷移之后，輸入輸出特性僅僅沿x軸方向向左或右平移一段距離，其斜率并無變化，如圖 2-9 所示。 minyminxmin0 xmin4ymin0 xminyy 圖 2-9 變送器零點遷移(a) 未遷移(b) 正遷移(c) 負遷移 量程調(diào)整也稱滿度調(diào)整，它是使變送器輸出信號的上限 （型儀表為 20mA 電流）與被測值的上限 相對應(yīng)，量程調(diào)整相當于改變變送器輸入輸出特性的斜率。如圖 2-10。 maxymaxx圖 2-10 變送器

35、量程調(diào)整前后輸入輸出特性 溫度變送器的功能是將熱電偶或熱電阻的輸出電信號經(jīng)過放大和線性化等處理后，變?yōu)闃藴实碾娦盘栞敵?。溫度變送器從信號制式上說，有模擬式和數(shù)字式之分。模擬式溫度變送器由模擬電路和器件組成，輸出也為模擬信號，目前廣泛使用的 DDZ-III 型溫度變送器就屬于這類；數(shù)字式溫度變送器是一類新型變送器，它采用了微處理器技術(shù)，具有濾波、放大、轉(zhuǎn)換、補償?shù)榷喾N信號處理功能，輸出既可是模擬信號，又可為數(shù)字信號。此處僅討論模擬變送器。 1. DDZ-型溫度變送器 該型溫度變送器的特點是：采用線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性；根據(jù)需要，采用線性化方法，使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系；采取安

36、全火花防爆措施，產(chǎn)品可用于危險場所。 目前被廣泛使用的模擬式溫度變送器，其結(jié)構(gòu)如圖 2-11 所示。從功能上說，它由量程單元和放大單元兩部分組成。量程單元可接受來自熱電偶、熱電阻或直流毫伏輸入三種信號的輸入，其主要功能是將來自溫度傳感器的毫伏信號 和反饋信號 進行疊加，并送往放大單元，調(diào)整電路用于熱電偶冷端補償、熱電阻三線接入、零點遷移或量程調(diào)整等；放大單元進行電壓放大和功率放大，隔離后輸出標準的電流或電壓信號，該單元具有通用性。各部分工作電源采用了安全防爆措施（這部分內(nèi)容將在第 4 章詳細介紹），以便溫度檢測變送器可用于多種危險生產(chǎn)場所。圖 2-11 中的虛線表示供電回路，實線為檢測信號回路

37、。 iufu 2. 量程單元 通常見到的量程單元有直流毫伏量程單元、熱電偶量程單元和熱電阻量程單元等，它們分別連接不同的轉(zhuǎn)換元件，并將其輸入信號和反饋信號傳送至放大單元。 圖 2-11 溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖 1) 直流毫伏量程單元 圖 2-12 為直流毫伏量程單元電路圖，它由三部分組成：輸入電路、零點調(diào)整遷移電路和反饋電路。 圖 2-12 直流毫伏量程單元電路 輸入電路由 、 、 、穩(wěn)壓管VS1和VS2等組成，它的功能是濾波和限能。 、 和 組成低通濾波器，去除由毫伏輸入信號 傳來的交流成分，減少交流干擾。穩(wěn)壓管VS1和VS2起限壓作用，即當輸入端出現(xiàn)高壓，并超過穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍時，它們便導通

38、，起限幅作用，圖中用兩個穩(wěn)壓管的目的是增強可靠性。 1R2R1C1R2R1Ciu 零點調(diào)整遷移電路由 RP1、R3R7 等組成，其功能是實現(xiàn)零點遷移。隨著電位器 RP1 活動臂的移動，滑動點對地的電位為 ，它與輸入信號 疊加后，送至集成運算放大器的同相輸入端 。 zuiuTu 反饋電路由 、 電位器 和 等組成，其功能是與放大單元一起構(gòu)成閉環(huán)負反饋，當輸入一定時，輸出穩(wěn)定。該反饋部分將放大單元的輸出信號經(jīng)隔離后（為 ），反饋至橋式電路，并經(jīng) 的滑動臂分壓后變?yōu)?，送至集成運算放大器的反相輸入端 。f1Rf2R2CfRPfuFufufRP 下面具體看看輸出與輸入 和電橋電源 的關(guān)系。iuzu 設(shè)

39、計電路，使其滿足下列條件 5314RRRPR 57RR76RR12fRRRP 由疊加原理和電路定理，有6f 2f6Ffz6f 2ff15RRRPRuuuRRRPRR（2-3） 31Tiz5RRPuuuR（2-4） ， 設(shè)135RPRRf6f 2f6f 2f1RPRRRPRRR65RR并考慮 為近似理想運算放大器，從而有 。由式（2-3）和（2-4）有 2AFTuu1fiz()uuu假如反饋電壓 為輸出電壓 的1/5（通常變送器輸出與反饋之間為 5 倍關(guān)系），則 fu0u10fiz55()uuuu（2-5） 兩點說明： （A）當 處在 時，應(yīng)有 , 若 一定，則可通過調(diào)節(jié) 和 ，分別實現(xiàn)零點遷移

40、和量程調(diào)整。即輸入 為 時，變送器輸出應(yīng)為1V（或4mA）直流，否則調(diào) iuiminimaxuu015Vu 1RPfRPiuiminu1RP( )，輸入 為 時，變送器輸出應(yīng)為 5V（或 20mA）直流，否則調(diào) ( )。 iuimaxufRP （B）式 (2-5) 中 為調(diào)零項，若 ，即 ，則實現(xiàn)負遷移，若 ， z()u136RPRR即 ，則為正遷移。 136RPRR 2）熱電偶量程單元 熱電偶量程單元如圖 2-13 所示，它由輸入回路、冷端溫度補償與調(diào)整回路、以及非線性反饋回路組成。它與直流毫伏量程單元有些相似，但是，輸入電橋中增加了銅電阻，用以補償冷端溫度。除此之外，它還增加了集成運算放大

41、器 、穩(wěn)壓管 等非線性校正電路，以實現(xiàn)被測溫度與輸出電壓或電流之間的線性關(guān)系。 1A36DD，圖2-13 熱電偶量程單元 鑒于輸入回路與冷端補償前面已經(jīng)介紹過，下面談?wù)劮蔷€性反饋回路。由于熱電偶的熱電勢與被測溫度之間存在非線性關(guān)系，這將給控制帶來麻煩，所以，技術(shù)上需要采取線性化處理措施。這里采用反饋回路中加入非線性校正電路的方法來實現(xiàn)線性化。 從電路的角度看，非線性反饋回路由基準電壓電路和非線性模擬電路兩部分組成。先看看基準電壓電路，它是由恒流源、穩(wěn)壓器和分壓器組成的，如圖2-14所示。其中， 、 、 和r1er2er3er4e分別為運算電路提供的基準電壓。 圖 2-14 基準電壓回路圖 假如

42、穩(wěn)壓管 和 穩(wěn)壓值分別為 和 ，晶體三極管 的基射極壓降為 ，由基爾霍夫電壓定律，有8D7D8DV7DVbeV5V134D8beI RVV于是有D8be1134VVICR其中為 常數(shù)。如果各基準電壓供電的負載電阻都很大，可認為 1CD7323225312627302829()()()()VICRRRRRRRR 其中 為常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，有 2CD71312IIICC常數(shù) 由此可知，當電源電壓V變化時，流過穩(wěn)壓管 的電流 基本不變，所以使穩(wěn)壓管 的穩(wěn)壓值 保持恒定，進而各分壓器給出各路基準電壓 、 、 和 不受電源波動影響。 7DD7ID7Vr1er2er3er4e 非線性模擬電路的目

43、的就是要利用集成運算電路，模擬一個與熱電偶相同的非線性輸入輸出關(guān)系，利用反饋原理，抵消非線性影響，使變送器輸出的信號與被測溫度之間呈線性關(guān)系。 圖2-15為非線性模擬電路，它由運算放大器 、穩(wěn)壓管 、電阻 等組成，基準電壓 分別接至穩(wěn)壓管 。1A36DD1223RR14rree36DD 放大單元中的功率放大器的輸出反饋電壓 作為非線性模擬電路的輸入，進入運算放大器 的同相輸入端， 的輸出 經(jīng) 組成的分壓器，送至調(diào)零調(diào)量程回路，同時，經(jīng)非線性運算網(wǎng)絡(luò)反饋到 的反相輸入端。如果電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇恰當，可使得非線性模擬電路的輸入 與輸出 特性模擬熱電偶的非線性特性，并通過調(diào)零調(diào)量程回路，反饋至放大單

44、元，使模擬熱電偶非線性特性與原熱電偶非線性特性相互抵消，最終獲得從熱電偶被測端的溫度到變送器的輸出電流（或電壓）之間呈現(xiàn)性關(guān)系。具體說明如下。 fuou1A1A1214RR1Afuou7D圖 2-15 非線性模擬電路 圖2-16為熱電偶量程單元線性化原理圖，變送器輸出反饋電壓 與被測溫度 t 之間的關(guān)系為 fufab( )1( )uKftK f圖2-16 熱電偶量程單元線性化原理圖 其中， 為熱電偶溫度-熱電動勢非線性特性， 為采用分段線性化方法逼近 的非線性校正特性，K為運算放大器放大系數(shù)。假如 ，且有 ，于是有 a( )fb( )fK a( )fba( )( )ffafb( )( )fVt

45、tf 顯然， 越逼近 ，線性化效果越好。圖2-17為 逼近 （該曲線未畫出）曲線圖，橫坐標為反饋電壓 ，縱坐標為 輸出 ，它由四段折線組成，各段折線斜率 互不相同，并且 ，折線拐點a、b、c和d對應(yīng)的坐標點為 、 、 和 。下面結(jié)合圖2-15具體談?wù)勲娐穼崿F(xiàn)。 b( )fa( )fa( )fb( )ffuouir1234rrrrf1o1(,)uuf 2o2(,)uuf 3o3(,)uuf 4o4(,)uu1A 當熱電偶傳來的信號 為零時，變送器的輸出為4mA（或1V）直流，模擬非線性曲線處在a點，其坐標為 ，此時設(shè)計所有穩(wěn)壓管 均不導通，此時 通過非線性網(wǎng)絡(luò)的 、 到達 反相輸入端。隨著熱電偶

46、輸入電壓升高，即 ， 從 開始增大， 也從 開始沿ab段增大。當?shù)竭_b點時， ， ，電路設(shè)計使 （ 為穩(wěn)壓管 的穩(wěn)壓值， 為基準電壓），從而使 處于導通，而 仍不導通，此時 除了像a點的 2Aiuf1o1(,)uu36DDo1u15R20Ri0u fuf1uouo1uff 2uuo2ouuo2D6r1uVeD6V6Dr1e6D35DDo2u圖2-17 模擬非線性曲線 3) 熱電阻量程單元 熱電阻量程單元電路如圖2-18所示，它與直流毫伏量程單元相似，但是輸入電路采用了三線制接法，其目的是要消除引線電阻引起的測量誤差。圖2-18中， 為熱電阻，處在電橋的一個臂端上， 起穩(wěn)壓作用， 可進行零點調(diào)整

47、， 可進行量程調(diào)整。 tR1RP2RP14VSVS 必須指出，如果熱電偶非線性曲線不同，本模擬非線性電路的參數(shù)也應(yīng)相應(yīng)變化，最終使模擬非線性曲線與熱電偶非線性曲線基本一致，這樣才能達到線性化的目的。 一樣反饋至 的反相輸入端外，還增加了沿 、 、 和 支路反饋，從而使輸出量大增，因而 沿bc段，以 斜率增大，其增長速率快于 ab 段。如此類推，隨著 繼續(xù)增大， 隨之增大， 、 和 依次導通，反饋支路增加，上升斜率進一步增大，最終形成ab、bc、cd 和 de 折線，模擬熱電偶非線性曲線。 o1u1A15R19R6D2r1()riufu5D4D3D21Rou圖2-18 熱電阻量程單元 此外，反饋

48、電壓 經(jīng) 和 分壓后，將 上的電壓輸給 同相輸入端，構(gòu)成正反饋。選用鉑電阻時，由于其分度特性具有“類飽和”性質(zhì)，即隨著溫度升高，輸出電動勢增長趨勢減小。但是，正反饋卻可彌補其增長不足，使得 輸出電壓隨溫度的增長呈線性特性。如果采用銅電阻，由于其在測溫范圍內(nèi)線性度較好，所以無需進一步采取線性化措施，相應(yīng)的線性化電路部分可以拆除。 fufRtR2AtR2A 3. 放大單元 放大單元連接上述三種量程單元的輸出和反饋，具有通用性。由圖 2-11 可知，它由集成運算放大器、功率放大器、輸出隔離電路和直流-交流-直流變換器等組成（見圖 2-11 右半部分）。其作用是將量程單元送來的毫伏電壓信號進行電壓放大

49、和功率放大，通過隔離后，輸出 420mA 的直流電流信號，或者 15V 的直流電壓信號，并將輸出電壓反饋至量程單元。其中的直流-交流-直流變換器具有安全防爆功能（后面章節(jié)將具體介紹），具體電路見圖 2-19 所示（見下頁）。 輸出變壓器 的二次電流是正負對稱的交流電流，由于 的二次繞組與隔離變壓器繞組串連， 的二次電流經(jīng) 整流和 、 濾波后，可獲得與輸出電流 成比例的直流反饋電壓，并通過端子11和 5 反饋到量程單元，完成非線性校正功能。 r2Tr2Tr3Tf1f 4VDVDf1Rf 2Cr3ToI 為了安全防爆和提高變送器抗共模干擾能力，直流電源也采取了變壓器隔離措施，即直流-交流-直流變換

50、。直流24V電源通過熔絲 、電容 和二極管 進入放大單元，當過高的直流電壓或交流電壓加到電源兩端時，將在二極管電路中產(chǎn)生大電流，并燒毀熔絲，切斷電源。直流電源經(jīng)由 、 和變壓器 等構(gòu)成的多諧振蕩器，轉(zhuǎn)換成交流方波信號。經(jīng)由變壓器 的二次側(cè)，將交變信號整流、濾波和穩(wěn)壓后，獲得9V直流電源，給集成運算放SFS1CS1S4VDVD1VT2VTr1Tr1T圖 2-19 放大單元原理圖 大器 供電，并由端子10、5 送往各量程單元的集成穩(wěn)壓器，為電橋電路提供電源。 2A2.2.5 溫度檢測儀表的選擇溫度檢測儀表的選擇 隨著科學技術(shù)的發(fā)展與進步，溫度檢測儀表的種類越來越多，性能越來先進，根據(jù)實際需要，合理

51、、恰當?shù)剡x擇溫度檢測儀表顯得很重要。以下幾條是選擇溫度檢測器需要注意的： 1. 根據(jù)工藝和參數(shù)的誤差要求，合理確定溫度檢測儀表的精度等級，以及測溫范圍。儀表的精度等級越高，測量值與實際值越接近，但價格也越貴，所以溫度檢測滿足精度是一條基本要求，這也是保證整個控制系統(tǒng)控制精度符合要求的基礎(chǔ)；同時儀表的測量范圍也要符合實際，通常要求實際測量范圍為儀表測量范圍的 90%，如果兩者相差較大，會影響精度或浪費資源。 2. 從使用角度說，選用的儀表應(yīng)讀數(shù)方便顯目、運行穩(wěn)定可靠、調(diào)整和維護便利。 3. 通常熱電偶多用于測量較高溫度，熱電阻的測溫范圍低一些，且無需冷端補償。 4. 注意一些特殊場合、工藝流程對

52、溫度檢測儀表的要求，如防爆、高壓、振動、腐蝕、碰撞等環(huán)境，檢測器往往采用特別材料、外套保護層等措施應(yīng)對。 2.3.1 壓力的定義、單位和儀表類型壓力的定義、單位和儀表類型 工程技術(shù)上，垂直均勻地作用于單位面積上的力稱為壓力。國際單位制的壓力單位是：帕斯卡（Pascal, Blaise Pascal was a French scientist），簡稱帕（Pa），它表示1牛頓的力垂直均勻2.3 壓力檢測與變送壓力檢測與變送地作用在1平方米面積上形成的壓力，即 。有時嫌該單位過小，工程上常用兆帕（MPa）表示， 。值得一提的是，工程技術(shù)中的壓力與物理學中的壓強有相同的概念。 21Pa1N / m6

53、1MPa=10 Pa 還有一些壓力單位在實際中也被采用，如工程大氣壓、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）和標準大氣壓（Atmospheric Pressure, atm）等，它們的定義，以及與Pa之間的關(guān)系如表2-4所示。 表表 2- 4 幾種其它的壓力單位及其與幾種其它的壓力單位及其與Pa的關(guān)系的關(guān)系 序號名稱定 義與Pa的關(guān)系1工程大氣壓1cm2面積上垂直均勻地作用1kg力1kgf/cm2=9.906651042毫米汞柱在標準重力加速度下，1cm2面積上，1mmHg重量產(chǎn)生的壓力1mmHg=133.3224Pa3毫米水柱標準重力下，1cm2面積上1mmH2O重量產(chǎn)生的壓力1mmH

54、2O=980665Pa4標準大氣壓水銀在地球緯度45的海平面上形成的水銀柱壓力1atm=101325Pa 被測壓力往往有如下幾種表示： 絕對壓力：介質(zhì)承受的實際壓力，這里用 表示。 P絕 表壓：高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差： ，其中， 為大氣壓； P =P-P表大絕1P大 負壓（真空度）：大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差： ； PPP大絕2負 差壓：兩測點之間的絕對壓力差值，可用 表示。12PP-P絕絕 它們之間的關(guān)系見圖 2-20。由于工藝設(shè)備和測量儀表本身就處在大氣壓下，所以用表壓或真空度來表示壓力大小較為方便。 圖 2-20 各種壓力之間的關(guān)系 目前測量壓力、壓差和負壓的儀表不少，根

55、據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，壓力檢測可分為以下四類： 1. 液柱式壓力檢測器 根據(jù)流體靜力學原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度的測量計。通常有U形管壓力計、單管壓力計和斜管壓力計等，常用于實驗室的低壓、負壓和壓力差的檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點。但只能目測獲得結(jié)果，不可遠傳，并且測量范圍比較窄。 2. 彈性式壓力檢測器 將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移來實現(xiàn)測量的器具。常見的有彈簧管壓力計、波紋管壓力計和膜式壓力計等。 3. 電氣式壓力檢測器 利用敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電壓、電流、電容或頻率等，如電容式壓力變送器、電阻式壓力檢測器等。它具有量程大、線性度好以及便于遠距離傳送等特點。 4. 活塞式壓力檢測器 基于

56、液體傳送壓力的原理，將被測壓力與活塞上所加砝碼質(zhì)量進行平衡來進行測量。其測量精度可達很高。由于需要人工增減砝碼，自動測量很困難，多作為標準壓力測量儀，用來檢驗和校核其它型壓力計。 以上四類壓力檢測儀表中，彈性壓力檢測器和電氣壓力檢測器使用最為廣泛。 2.3.2 彈性式壓力檢測儀表彈性式壓力檢測儀表 利用彈性元件在外力作用下產(chǎn)生形變來測量壓力，稱這類儀表為彈性壓力檢測儀表。其彈性元件通常有彈性膜片、波紋管、彈簧管等，如圖 2-21 所示。 1. 彈性單膜片 膜片一般是用金屬薄片支撐的，有時也用橡皮膜。由于該膜片位移較小，多用來測量微壓和粘滯性介質(zhì)壓力。 2. 波紋管 是用金屬薄管折皺成的筒體，形

57、狀像手風琴的風箱。當其受到軸向壓力作用時, a) 彈性膜片 b) 波紋管 c) 彈簧管 d) 多圈彈簧管能使自由端沿軸向產(chǎn)生較大的伸長或收縮，靈敏度較高，常用于不超過 1MPa 的壓力測量。 圖 2-21 壓力儀表中的彈性元件 3. 彈簧管 由于它是法國人波登發(fā)明的，所以也稱波登管（Bourdon tube）。將扁圓形或橢圓形的金屬空心管彎成圓弧形，一端封口作為自由端，另一端作為測量端，沖入壓力氣體或液體。當被測壓力自固定端輸入后，由于彈簧管的非圓橫截面積，壓力使管有變圓并伸直的趨勢，產(chǎn)生的力矩使自由端向后（送氣方向）位移，中心角變小。被測壓力越大，自由端位移也越大。因而它可以反映被測壓力大小

58、。另外，還有多圈的彈簧管，通以同樣的壓力，其自由端位移量比單圈的大。 從制作材料上看，不銹鋼、磷青銅的彈簧剛性較大，多用來測高壓；黃銅的彈簧管剛性較小，可用來測低壓。 2.3.3 電氣式壓力檢測儀表電氣式壓力檢測儀表 利用壓力敏感元件，將被測壓力轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電壓等電信號，再經(jīng)信號處理電路轉(zhuǎn)化為標準電信號輸出或顯示。常用的電氣式壓力檢測器有應(yīng)變式、壓阻式、壓力傳感器和電容式差壓變送器等。 1. 應(yīng)變壓力傳感器 應(yīng)變壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理工作的，它分金屬應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片兩種。金屬應(yīng)變片是基于金屬材料電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的，即金屬導體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機械變形(拉伸或壓縮)的大小而

59、發(fā)生變化的原理；半導體應(yīng)變片是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當半導體受到應(yīng)力作用時，由于載流子遷移率變化，使其電阻率發(fā)生變化的原理。利用電阻應(yīng)變片或半導體應(yīng)變片將被測壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再利用橋式電路獲得毫伏級電壓信號，最后通過變送器轉(zhuǎn)化為標準電信號。下面以金屬應(yīng)變片為例，予以討論。 應(yīng)變片電阻值LRS其中，L為電阻絲長度，S為電阻絲橫截面積， 為材料電阻率。對上式取微分，有 2ddddLLL SRSS 金屬電阻值變化的兩種情況：被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，金屬絲被拉長，橫截面積變小，其阻值變大；當金屬絲被壓縮變形時，絲長變短，橫截面積變大，阻值變小。將應(yīng)變片的阻值變化通過橋式電路轉(zhuǎn)化為電壓變化（毫

60、伏級），并經(jīng)放大輸出。 圖 2-22 a) 是一個應(yīng)變片傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為應(yīng)變筒，2為外殼，3為膜片。兩塊應(yīng)變片 和 分別以軸向和徑向用膠合劑固定在應(yīng)變筒上， 作為測量片， 作為補償片，應(yīng)變筒上端與外殼 2 相連，下端與不銹鋼密封膜片 3 相連，應(yīng)變片與筒體相互絕緣。當被測壓力作用于膜片時，應(yīng)變筒軸向受壓變形， 產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變 ，其阻值減小 ；徑向應(yīng)變片受到縱向拉伸應(yīng)變 ， 的阻值增大，但由于 ，所以 。1R1R1R2R2R2R11R22121RRa ）傳感筒 b) 測量橋 圖 2-22 應(yīng)變片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與測量電路圖 2-22 b) 是由應(yīng)變片 和 ，以及固定電阻 和 組成的測