熱工測量技術(shù)(3壓力)

《熱工測量技術(shù)A》

第3部分

壓力、差壓測量

及儀表

第3章

概述、微壓計、壓力和差壓傳感器和變送器、壓力計的校驗等第3章壓力和差壓測量

3.1壓力、差壓的概念及單位

3.2液柱式壓力計

3.3彈性元件及彈性壓力表

3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

3.5壓力和差壓變送器

3.6活塞式壓力計及壓力計的校驗和使用

第3章壓力和差壓測量第3部分

壓力、差壓測量及儀表本章提要

壓力和差壓是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要檢測的重要參數(shù)之一。檢測壓力的方法有很多，本章將討論在工業(yè)生產(chǎn)和實驗中使用較多的幾種壓力檢測原理和方法。另外還介紹某些壓力儀表和壓力、差壓變送器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。最后還對壓力儀表的校驗、安裝及使用知識進行一些介紹。

第3章壓力和差壓測量

3.1壓力、差壓的概念及單位3.1.1壓力和差壓的概念

在工程上，所謂壓力，是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力，即物理學上所說的壓強。而差壓是指兩個測量壓力之間的差值，也就是壓力差，本應(yīng)叫做壓差，但工程習慣上把這叫做差壓。

3壓力和差壓測量

第3章壓力和差壓測量3.1壓力、差壓的概念及單位3.1.1壓力和差壓的概念：

在壓力測量中，有絕對壓力、表壓力、負壓力（真空度）之分。絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用PA表示。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用PO表示。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用PI表示。即：

PI=PA-PO（3.1）

第3章壓力和差壓測量3.1壓力、差壓的概念及單位各種壓力表示關(guān)系圖：完全真空（或宇宙真空）大氣壓（PO）（地球表面）絕對壓力

（PA）真空度表壓力（PI

）差壓△P表示標準點表示任意壓力

第3章壓力和差壓測量3.1.2壓力的單位：

壓力在國際單位中的單位是牛頓/米2（N/m2），通常稱為帕斯卡或簡稱帕（Pa）。

工業(yè)上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作為壓力的單位。一些習慣用的壓力單位：工程大氣壓（kgf/cm2）；

標準大氣壓（760mmHg）；

毫米水柱（mmH2O）；

毫米汞柱（mmHg）；

巴（毫巴）（bar或mbar）；

磅力/英寸2

（bf/in2）。3.1壓力、差壓的概念及單位

第3章壓力和差壓測量壓力單位帕(pa)工程大氣壓(kgf/cm2)標準大氣壓(atm)毫米水柱(mmH2O)毫米汞柱(mmHg)毫巴(mbar)磅力/英寸2(bf/in2)1帕(pa)11.019716×10-50.986924×10-50.10197160.75006×10-21.0×10-21.450442×10-41工程大氣壓

(kgf/cm2)0.98066×10510.9678411.0×104735.56980.66514.223891標準大氣壓

(atm)1.01325×1051.0332311.033227×1047601013.2514.69591毫米水柱

(mmH2O)9.80661.0×10-40.9678×10-410.0735560.09806651.4223×10-31毫米汞柱

(mmHg)133.3221.35951×10-31.316×10-313.595111.3332241.934×10-21毫巴(mbar)1001.019716×10-30.986923×10-310.197160.7500611.450442×10-21磅力/英寸2(bf/in2)0.68949×1040.0703070.06804620.70307×103510715618.9491表壓力單位換算表

3.1壓力、差壓的概念及單位

3.2液柱式壓力計

液柱式壓力測量是以流體靜力學理論為基礎(chǔ)的壓力測量方法。液柱式壓力計測壓元件主要由裝有一定介質(zhì)液體的玻璃管組成。

特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度高，但測量結(jié)果只能就地讀取，不能進行遠傳，量程也受限于玻璃管的的高度，應(yīng)用受到一定的限制。

3.2.1U型管壓力計

U型管壓力計的結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。3壓力和差壓測量

第3章壓力和差壓測量h1Hr1P2P1h2r200圖U形管壓力計r3.2.1U型管壓力計41122334

第3章壓力和差壓測量該壓力計結(jié)構(gòu)十分簡單，主要由一個U型玻璃管和左右刻度尺構(gòu)成，玻璃管內(nèi)有一定的封液介質(zhì)。根據(jù)流體靜力學原理，管兩邊的靜壓力應(yīng)滿足平衡方程式：式中A——U形管內(nèi)孔截面積。U形管壓力計的基本公式整理得到：

3.2.1U型管壓力計

第3章壓力和差壓測量如果U形管兩邊液面上介質(zhì)為相同氣體，其重度為γ0，即γ1=γ2=γ0，則：由于一般封液介質(zhì)的重度γ﹥﹥γ0，則：

3.2.1U型管壓力計

第3章壓力和差壓測量如果p2是當?shù)卮髿鈮?，即U形管一端與大氣相通，另一端接被測壓力，我們就可以直接得到被測壓力的表壓力：結(jié)論：

U形管內(nèi)兩邊液面高度差（h1+h2）與被測壓力的表壓直接成正比。常用的液體介質(zhì)有水、水銀、酒精和四氯化碳等。

U形管測量壓力時，造成讀取誤差的主要因素有：（1）標尺刻度精度。（2）溫度誤差。（3）安裝位置誤差?；?/p>

3.2.1U型管壓力計

第3章壓力和差壓測量3.2.2單管壓力計

單管壓力計的工作原理與U形管壓力計相同，但它在結(jié)構(gòu)設(shè)計上將兩邊管子的直徑做得相差很大，如下頁圖所示。

粗管的截面積為A1，細管的截面積為A2，則在壓力作用下，上升的液體的體積應(yīng)當與下降液體的體積相等，即有：或:

3.2液柱式壓力計

第3章壓力和差壓測量h1P2P1h2A2A1r0圖單管壓力計3.2.2單管壓力計單管壓力計在結(jié)構(gòu)上，當：①A1＞＞A2；②在測量精度要求不是很高時也可以忽略A2/A1的值；③P2與當?shù)卮髿庵蓖?，則所測表壓力為：

P1=γh2。

第3章壓力和差壓測量3.2.2單管壓力計根據(jù)U形管壓力平衡式:即:

第3章壓力和差壓測量P3P1補圖多管式壓力計示意圖3.2.2單管壓力計多管式壓力計火力發(fā)電廠常用它來測量爐膛和煙道等各處負壓。P2P4P6P5

第3章壓力和差壓測量3.2.3斜管壓力計

在測量微小壓力或壓力差時，由于被測壓力很小，為減小讀數(shù)中的相對誤差，可以把測量管傾斜一個角度安放，這樣在同樣P1的作用下，雖然液面高度h的變化相同，但液柱的長度l被拉長。如下頁圖所示。液面上升h2與液柱長度l的關(guān)系應(yīng)為：

h2=lsina

3.2液柱式壓力計

第3章壓力和差壓測量lrP1P2h2α圖斜管壓力計3.2.3斜管壓力計

第3章壓力和差壓測量根據(jù)單管壓力平衡式：)1(sin1221AAalPP++=g式中α——斜管的傾斜角度；

l——斜管內(nèi)液柱的長度；

A1——粗管截面面積；

A2——細管截面面積。

是由壓力計結(jié)構(gòu)和液體介質(zhì)重度決定的常數(shù)。在P2

為大氣壓時，表壓P1=γlsina

。把常數(shù)γsina

作為系數(shù)k，則：P1=kl3.2.3斜管壓力計

第3章壓力和差壓測量3.2.4液柱式壓力計的誤差來源：

液柱式壓力計3.2.3斜管壓力計封液密度改變未校正重力加速度安裝有誤大氣壓力變化環(huán)境溫度變化毛細現(xiàn)象液柱高度讀數(shù)誤差

壓力或差壓流體動壓的影響

第3章壓力和差壓測量

3.3彈性元件及彈性壓力表

物體在外力作用下如果改變了原有的尺寸或形狀，當外力撤除后它又能恢復(fù)原有的尺寸或形狀，具有這類特性的元件稱為彈性元件。利用彈性元件在外力作用下產(chǎn)生的形變可直接進行力或壓力的測取。利用彈性元件進行壓力測取的儀表種類很多。3壓力和差壓測量

第3章壓力和差壓測量

彈性元件是彈性壓力計的測壓敏感元件。工業(yè)上常用的彈性壓力計所使用的彈性元件有以下幾種：（1）彈簧管式。這是一種常用的彈性測壓元件，由于它是由法國人波登發(fā)明的所以又稱為波登管。它是將一端封閉并且彎成圓弧形的金屬管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。（2）波紋管式。這種彈性元件的形狀類似于手風琴的褶皺風箱，用金屬薄管制成。（3）薄膜式。用金屬薄片或橡皮膜做成膜片。各種彈性元件的結(jié)構(gòu)和測量范圍見下頁表。3.3.1彈性元件

3.3彈性元件及彈性壓力表

第3章壓力和差壓測量

3.3.1彈性元件

第3章壓力和差壓測量

3.3.2.1概述

⑴彈簧管式壓力計由于結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，測壓直接，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。

⑵按彈簧管結(jié)構(gòu)的不同，有單圈彈簧管壓力計和多圈螺管彈簧壓力計兩種。

3.3.2.2彈簧管式壓力計工作原理

普通單管彈簧管的原理如下頁圖所示。3.3.2彈簧管式壓力計

3.3彈性元件及彈性壓力表

第3章壓力和差壓測量圖單圈彈簧管原理圖

3.3.2.2彈簧管式壓力計工作原理

第3章壓力和差壓測量

彈簧管斷面為扁圓形或橢圓形的空心管子彎成圓弧形，管的一端為固定端與被測壓力相連，另一端密封為彈簧管自由端，當固定端引入壓力后，管的扁圓截面有變?yōu)閳A截面的趨勢。

3.3.2.2彈簧管式壓力計工作原理

分析:

第3章壓力和差壓測量

由于彈簧長度一定，將迫使管的弧形角改變而使其自由端隨之向外擴張，即變化了L，彈簧管中心角的變化量為Δγ。

根據(jù)彈性變形原理，要使彈簧管在被測壓力P作用下其自由端的相對角位移Δγ/γ與P成正比，必須保持由彈簧材料和結(jié)構(gòu)尺寸決定的其余參數(shù)不變，而且扁圓管截面的長、短軸差距愈大，相對角位移愈大，測量的靈敏度愈高。

分析

第3章壓力和差壓測量

在2b=2a時，由于1-（2b2/2a2）=0，相對角位移量Δγ/γ=0，這說明具有均勻壁厚的完全圓形彈簧管不能作為測壓元件。

3.3.2.2彈簧管式壓力計工作原理

注意：

第3章壓力和差壓測量

設(shè)彈簧管受壓力作用前的內(nèi)外半徑分別為R1、

R2，中心角為γ；受壓力作用后的內(nèi)外半徑分別為R1`、R2`，中心角為γ`；并假設(shè)受壓力前后彈簧管的弧長基本不變。推導(dǎo)：

3.3.2.2彈簧管式壓力計工作原理

則：R1γ=R1`γ`；R2γ=R2`γ`

兩式相減可得：γ（R2-R1）=γ`（R2`-R1`）

∵R2-R1=2b；R2`-R1`=2b`

∴2bγ=2b`γ`

第3章壓力和差壓測量

從圖中還可知，彈簧管變形后2b`>2b,γ`<γ，即彈簧管的自由端要發(fā)生一個角位移⊿γ。推導(dǎo)

設(shè)：b`=b+⊿b;γ`=γ-⊿γ,得

bγ=(b+⊿b)(γ-⊿γ)

變換后得：

則：圓形截面的彈簧管在壓力變化時，其自由端不會發(fā)生位移。

第3章壓力和差壓測量3.3.2彈簧管式壓力計

如右圖所示。當被測壓力從接頭處輸入彈簧管后，彈簧管產(chǎn)生變形，自由端向外伸張，牽動拉桿帶動扇形齒輪逆時針偏轉(zhuǎn)，再通過中心小齒輪帶動壓力計指針在面板上做順時針轉(zhuǎn)動，與面板上刻度標尺的相對位置則可表示出被測壓力的數(shù)值。

3.3.2.3彈簧管壓力計的儀表結(jié)構(gòu)

第3章壓力和差壓測量

此外，儀表中游絲的作用是用來克服扇型齒輪和中心小齒輪轉(zhuǎn)動間隙所產(chǎn)生的不良影響，調(diào)整螺釘用來調(diào)整彈簧位移與扇型齒輪之間的機械轉(zhuǎn)動放大系數(shù)，進而調(diào)整壓力計量程，壓力計的零點可以通過指針與針軸的不同安裝位置來加以調(diào)整，由于彈簧管位移大小與被測壓力呈比例關(guān)系，因而彈簧管壓力表的刻度是線性的。彈簧管壓力計一般做成指針式儀表。

3.3.2.3彈簧管壓力計的儀表結(jié)構(gòu)

第3章壓力和差壓測量由于彈簧管在壓力作用下的位移相對其它壓力敏感元件的位移要小，因而一般都在測量較大壓力的場合使用。為增大彈簧管受變形的位移量，提高測壓靈敏度，可采用多圈彈簧管結(jié)構(gòu)，其基本原理與單圈彈簧管相同。

3.3.2.3彈簧管壓力計的儀表結(jié)構(gòu)

第3章壓力和差壓測量波紋管是一種形狀類似于手風琴風箱，表面有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管。在外部壓力作用下，波紋管將產(chǎn)生伸長或縮短的形變。由于金屬波紋管的軸向容易變形，所以測壓的靈敏度很高，常用于低壓或負壓的測量中。3.3.3波紋管壓力計

3.3彈性元件及彈性壓力表

第3章壓力和差壓測量波紋管壓力計如下圖所示。

圖注：

1—波紋管

2—彈簧

3—推桿

4—連桿機構(gòu)

5—記錄筆

6—記錄紙P6453121圖波紋管壓力記錄儀

3.3.3波紋管壓力計

第3章壓力和差壓測量

用兩片或兩片以上的金屬波紋膜組合起來，做成空心膜盒或膜盒組，其在外力作用下的變形非常敏感，位移量也較大。因此，用空心膜盒測壓元件組成的壓力計常用來測量1000mmH2O以下無腐蝕性氣體的微壓，如爐膛壓力、煙道壓力等。膜盒式微壓計的結(jié)構(gòu)原理如書中圖所示。3.3.4膜盒式微壓計

3.3彈性元件及彈性壓力表

第3章壓力和差壓測量

彈性元件的特性（誤差分析）

彈性元件是彈性壓力計中的敏感元件，它的特性直接關(guān)系到壓力計性能的好壞。彈性元件工作在彈性范圍內(nèi)，而且彈性元件工作的安全系數(shù)(——彈性極限壓力，——工作壓力的上限)一般在2以上。盡管如此，由于彈性元件的不完全彈性方面的特性，如蠕變、彈性遲滯、彈性后效以及溫度特性等都將直接影響到壓力計的性能，使測量產(chǎn)生誤差。(1)蠕變和疲勞形變彈性元件經(jīng)過長時間的負荷作用，當負荷取消后，不能恢復(fù)原來的形態(tài)，這種特性稱為彈性元件的蠕變。(2)彈性遲滯

彈性元件在彈性范圍內(nèi)加負荷與減負荷時其彈性形變輸出特性曲線不重合，這種特性稱為彈性遲滯。

(3)彈性后效

當加在彈性元件上的負荷停止變化或被取消時，彈性元件的形變并不是立即就完成，而是要經(jīng)過一定的時間才完成相應(yīng)的形變，這種特性稱為彈性后效。

（a）彈性遲滯；（b）彈性后效；（c）彈性滯環(huán)

(4)輸出-輸入特性目前只是通過實驗和理論相結(jié)合的方法，得出彈性元件的輸出—輸入關(guān)系。對于膜片和膜盒，其輸出-輸入關(guān)系一般是非線性的。實用的平面膜片位移不超過0.1mm時，可以使輸出-輸入的關(guān)系達到較好的線性程度，即對于波紋膜片，其彈性位移與被測壓力關(guān)系為

對于彈簧管，經(jīng)過精心設(shè)計制造加工后，在一定壓力范圍內(nèi)，其輸出-輸出關(guān)系一般為線性。對于截面是扁圓結(jié)構(gòu)的彈簧管，其自由端彈性位移與被測壓力的關(guān)系為

(5)溫度的影響由于溫度的變化，彈性元件材料的彈性模量相應(yīng)變化，所以彈性元件的剛度發(fā)生變化，這將影響彈性元件的輸出特性。很容易理念，溫度升高，剛度減小，靈敏度增大，壓力表示值將會偏離。由于溫度對彈性元件輸出特性的影響，所以彈性壓力表的使用要注意它的適用溫度范圍。

不論是彈簧管、波紋管、膜盒壓力計都是將外部壓力轉(zhuǎn)換為位移量進行直接壓力讀取。如果在此基礎(chǔ)上，將位移信號再進行電量的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成壓力-位移-電量的變換，就可以使被測壓力信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號。顯然，以電信號（電流或電壓）來反映壓力3.3.5彈性式遠傳壓力計

3.3彈性元件及彈性壓力表

第3章壓力和差壓測量

的大小，可以非常方便地實現(xiàn)信號的遠傳、顯示和控制，也可以與其它的檢測裝置、控制裝置一起，通過計算機或微處理器，實現(xiàn)信號的綜合、運算，完成各種控制處理。將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)換為電信號的方法有很多。實際上，在電工學和物理學中我們知道，位移變換可以通過電阻、電容、電感、霍爾電勢、光電等方法進行測量，用這些不同方法就可以構(gòu)成不同的彈性元件遠傳壓力計。

3.3.5彈性式遠傳壓力計

第3章壓力和差壓測量

霍爾片式遠傳壓力計側(cè)壓的實質(zhì)是利用霍爾片壓力傳感器實現(xiàn)壓力-位移-霍爾電勢的轉(zhuǎn)換?；魻柶且粔K半導(dǎo)體（例如鍺）材料所制成的薄片，如書中圖所示。在霍爾片的z軸方向上加一磁感應(yīng)強度為B的恒定磁場，如果在y軸方向上加上直流恒壓電源，使恒定電流I在霍爾片中沿y軸通過，則霍爾片內(nèi)電子將逆y軸方向運動，在外部電磁場的作用下，片內(nèi)電子在運動過程中必然產(chǎn)生偏移，3.3.5.1霍爾片式遠傳壓力計3.3.5彈性式遠傳壓力計

第3章壓力和差壓測量這樣造成霍爾片x軸兩個端面上一面有電子積累，而另一面正電荷過剩，從而在霍爾片x軸方向出現(xiàn)電位差，這一電位差稱為霍爾電勢VH，這一物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，使用彈簧管壓力形變結(jié)構(gòu)，組成霍爾片式遠傳壓力計，如下頁圖

所示。當被測壓力P引入彈簧管固定端后，與彈簧管自由端相連的霍爾片輸出電勢不再為零。由于沿霍爾片偏移方向磁場強度的分布呈線性狀態(tài)，所以霍爾片的輸出電勢與彈簧管的變形伸展也為線性關(guān)系，即與被測壓力P成線形關(guān)系。隨外部輸入壓力P變化而線性變化的霍爾電勢大小為0~20mV，可直接送入動圈式儀表或自動平衡記錄儀進行壓力顯示，也可以放大轉(zhuǎn)換為4~20mV直流標準電流信號進行遠傳。3.3.5.1霍爾片式遠傳壓力計

第3章壓力和差壓測量3.3.5.1霍爾片式遠傳壓力計

霍爾片式遠傳壓力計基本結(jié)構(gòu)及基本工作原理：

第3章壓力和差壓測量

將壓力位移轉(zhuǎn)換為電感量的變化，是電感式遠傳壓力計的基本設(shè)計思想。參閱P.129～P.1313.3.5.2電感式遠傳壓力計3.3.5彈性式遠傳壓力計

第3章壓力和差壓測量

3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

3.4.1應(yīng)變電阻傳感器

應(yīng)變電阻傳感器由應(yīng)變電阻和測量線路兩部分組成,其中應(yīng)變電阻片感應(yīng)被測量壓力(包括扭矩、荷重、拉力),并在外力作用下產(chǎn)生彈性變形導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變,它是將力轉(zhuǎn)換成電阻變化的檢測元件;測量線路將變化的電阻轉(zhuǎn)換為電信號,實現(xiàn)被測壓力的最終指示和信號遠傳。由于應(yīng)變測量方法靈敏度高，測量范圍廣，頻率響應(yīng)快，既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量，尺寸小、重量輕，能在各種惡劣環(huán)境下可靠工作，所以被廣泛地用于各種力的測量儀器和科學實驗中。目前，工程實踐中使用最廣泛的應(yīng)變電阻片有兩類：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。3壓力和差壓測量

第3章壓力和差壓測量3.4.1.1電阻絲應(yīng)變片

電阻絲應(yīng)變片主要是由直徑0.02～0.04mm的高電阻率電阻絲制成。如下頁圖所示，電阻絲被平鋪并緊貼在薄紙或薄膜制成的基底上，兩端焊接引出導(dǎo)線，上面覆蓋一層與基底相同的材料作為保護片。電阻絲材料有康銅、銅鎳合金的，適用于300℃以下靜態(tài)測量用；還有鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金的，適用于450℃以下的靜態(tài)測量或800℃的動態(tài)測量用。電阻值一般為120Ω，也有200Ω或300Ω的。3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

第3章壓力和差壓測量4312

圖應(yīng)變電阻片

1—基片；2—電阻絲；

3—覆蓋層；4—引線。3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

第3章壓力和差壓測量brl(a)lb(b)l(c)圖常見的幾種金屬應(yīng)變片形狀

3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

第3章壓力和差壓測量

3.4.1.2半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度比金屬電阻高約50倍，它利用半導(dǎo)體材料的電阻率在外加應(yīng)變力作用下而發(fā)生改變的壓阻效應(yīng)，可以直接測取很小的應(yīng)變。當外部應(yīng)力作用于半導(dǎo)體時，由壓阻效應(yīng)引起的電阻變化大小不僅取決與半導(dǎo)體的類型和載流子濃度，還取決于外部應(yīng)力作用于半導(dǎo)體晶體的方向。半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻很大，可達5～20kΩ，此外它的頻率響應(yīng)高，時間響應(yīng)快，響應(yīng)時間可達10－11數(shù)量級，所以常常用半導(dǎo)體應(yīng)變片制作高頻率傳感器。用于生產(chǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有硅、鍺、銻化銦、磷化鎵、砷化鎵等，由于硅和鍺壓阻效應(yīng)大，一般使用較多的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度一般隨雜質(zhì)的增加而減小，溫度系數(shù)也是如此。值得注意的是，對于同一材料和幾何尺寸制成的半導(dǎo)體3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

第3章壓力和差壓測量

應(yīng)變片的靈敏系數(shù)不是一個常數(shù)，它會隨應(yīng)變片所承受的應(yīng)力方向和大小不同而有所改變，所以材料靈敏度的非線形較大。此外，半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度穩(wěn)定性較差，在使用時應(yīng)采取溫度補償和非線性補償措施。

3.4應(yīng)變電阻和壓電式傳感器

第3章壓力和差壓測量

3.4.2壓力式傳感器

3.4.2.1壓電效應(yīng)

3.4.2.2壓電式力傳感器

第3章壓力和差壓測量

3.5壓力和差壓變送器

3.5.1電容式差壓變送器

3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器3壓力和差壓測量

第3章壓力和差壓測量電容式壓力(差壓)變送器1.概述

1151系列電容式壓力(壓差)變送器是我國引進美國羅斯蒙特公司技術(shù)并自己開發(fā)生產(chǎn)的一類新型壓力(差壓)變送器。特點：它具有精確度高，性能穩(wěn)定，單向過載保護性能好，調(diào)整方便，體積小，重量輕等一系列優(yōu)點。應(yīng)用：使用在電力、石油、化工等各領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中。在火力發(fā)電廠使用1151電容式壓力(差壓)變送器幾乎有一種替代其他種類壓力(差壓)變送器的趨勢。組成：變送器由兩部分組成：差動式壓力(差壓)—電容轉(zhuǎn)換和測量電路。差動式壓力(差壓)—電容轉(zhuǎn)換是將被測壓力(差壓)轉(zhuǎn)換成差動變化的電容CL、CH，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

2.結(jié)構(gòu)感壓元件是膜片，它是能產(chǎn)生彈性變形的極板。兩電容的固定極板為球面形結(jié)構(gòu)。測量膜片位于兩固定極板的中央，它與固定極板構(gòu)成兩個小室，稱為室，兩室結(jié)構(gòu)對稱。固定極板是將玻璃絕緣體磨成球形凹面，并在該表面鍍上一層金屬薄膜而成。金屬薄膜和彈性膜片都接有輸出引線。測量膜片與固定極板形成的電容在30～150pf范圍內(nèi)。室通孔與自己一側(cè)隔離膜片腔室連通，室和隔離腔室內(nèi)充有硅油。

差動式壓力(差壓)—電容轉(zhuǎn)換關(guān)系1、2一固定電極；3一測量膜片；4、5-隔離膜片；6一隔離膜片；．5一密封圓；7一絕緣體；8—硅油；11—外殼，10一電容引出線；

部分1151電容式壓力（差壓）變送器

3.測量電路及工作原理

測量電路的任務(wù)是將電容變化量轉(zhuǎn)換成4～20mA，DC輸出，輸出特性是線性的。電路能實現(xiàn)儀表零點、量程、阻尼、線性等調(diào)整。1151系列變送器有三種測量電路：E型(普通型)J型(有開平方功能)、F型(用于微差壓測量)。現(xiàn)以E型電路為例分析其轉(zhuǎn)換工作原理，電路組成原理框圖如圖所示。

變送器測量電路原理框圖

測量電路由解調(diào)器、振蕩控制放大器、振蕩器、基準電壓電路、調(diào)零電路、量程調(diào)整電路、電流控制放大器、電流轉(zhuǎn)換電路、電流限止電路、阻尼調(diào)整電路、反極性保護電路等組成。

測量電路的作用：

一是完成電容—電流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的電流為直流并與成正比。這由解調(diào)器、振蕩器、振蕩控制放大器完成。

二是對轉(zhuǎn)換成的直流電流信號進行控制放大使之成為4～20mA，DC輸出，并能實現(xiàn)零點、量程、阻尼調(diào)整等功能。這由調(diào)零電路、量程調(diào)整電路、電流控制放大器、電流轉(zhuǎn)換電路(功率放大)、阻尼調(diào)整電路等完成。

三是輸出電流限制和外接電壓保護功能，這由電流限制電路和反極性保護電路完成。

四是線性調(diào)整功能，這由線性調(diào)整電路完成。(1)電容—電流轉(zhuǎn)換將一個載有信號的電容轉(zhuǎn)換成電流信號，在此采用的方法是對電容回路供以穩(wěn)定的交流電壓。當電容量變化時，流過電容的電流也隨之發(fā)生變化，該電流即載有信號電流，顯然這要求供電的交流電壓應(yīng)穩(wěn)定。由于傳感電容的電容量較小(30～150pF)，只有供電電壓頻率較高時才可能獲得大的信號電流。因此電容—電流的轉(zhuǎn)換采用高頻振蕩器供電。為保證振蕩器的輸出電壓穩(wěn)定，采用了振蕩控制措施。從控制角度看，這種控制是定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在振蕩控制放大器的輸入端放置一定值電壓，校調(diào)量是振蕩器輸出電壓。輸出電壓反饋到振蕩控制放大器的輸入端作為控制信號，該信號是由解調(diào)器輸出的共模電流在振蕩控制放大器輸出端的電阻網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的，這是解調(diào)器完成的一個任務(wù)。完成的另一任務(wù)是輸出差模信號電流，該電流代表，輸出到電流控制電路進行控制放大，轉(zhuǎn)換成4～20mA，DC。以下分析解調(diào)器輸出及振蕩控制的工作原理，電路如圖所示。設(shè)、為振蕩電壓正半周期時流過、的電流，、為負半周流過、的電流，其電流方向如圖3-21中所示。L3、L4、L5是振蕩器的輸出線圈?！胫芷跁r，電流的流通路徑為：L5的上端→V2、V6→→C15→RS∥C14→L5的下端；電流的流通路徑為：L4的上端→V3、V7→→Cl5→R10∥R11→L4的下端。‘的負半周期時，的流通路徑為：L3的下端→R12∥R13→C15→→V5、V1→L3的上端；的流通路徑為：L5的下端→RS∥C14→Cl5→→V8、V4→L5的上端。

(2)電流控制放大及電流轉(zhuǎn)換電流控制放大器及電流轉(zhuǎn)換電路一起構(gòu)成輸出4～20mA，DC電流的控制回路。它是深度負反饋的控制回路，如圖3-25所示。電流控制放大器的輸入端信號(不論是同相端還是反相端)均以G點為參考點。加到反相端的輸人信號有：C點與G點之間的電壓信號Up。Up是由分壓電阻R14提供的，相對于G點Up是負值。加到同相端的輸入情號有：解調(diào)器輸出的差模電流Is(測量信號電流)形成的電壓為RsIs，Rs是等效電阻。輸入放大器同相端的信號電壓為：-RsIs(相對于G點是負值)。調(diào)零電路在放大器同相端產(chǎn)生的電壓為KUU0(KU為分壓系數(shù))，相對于G點為負值。以上三個電壓是電流控制放大器的輸入電壓。整機輸出電流I0通過量程電路反饋到電流控制放大器同相端的反饋電壓為I0。

(3)電流限制電路電流限制電路由晶體管V2電阻R18、R19組成。電路的作用是限制功率放大器過大的輸出。當功率放大器輸出過大時，流過R34的電流變大，因此V2集電極電位下降，使V2達到飽和狀態(tài)，從而增大了V2對功放的分流效果，使功率放大器的輸出受到限制。電路設(shè)計使整機輸出電流不會大于30mA，DC。另外，電流限制電路還提供直流電壓輸出作為放大器Al、A2、A3的電源電壓。(4)反極性保護電路穩(wěn)壓二極管V8構(gòu)成外接電源極性反接的保護電路。當外接電源E極性反接時，V8構(gòu)成順向通路，這樣不致于損壞儀表電路。(5)阻尼電路阻尼電路由R31、R32、C18和電位器RP2構(gòu)成，其作用是抑制被測介質(zhì)信號脈動變化時而引起的輸出電流過大的波動。該通路為信號交流負反饋通道；

4.儀表的調(diào)整及使用(1)測量電路儀表的測量電路在結(jié)構(gòu)上做成了插件板形式，有檢測板、補償板、調(diào)整板、放大電路板等。檢測板裝有解調(diào)電路的二極管，并接有檢測變換電容CL、CH，一般情況下，它不可隨意拆下。補償板上是量程補償電阻R1、R2以及穩(wěn)壓溫度電阻R25、R26、R27。調(diào)整板也是零點調(diào)整和量程調(diào)整電路。測量電路及其他電路均在放大電路板上。調(diào)整扳和放大電路板與其他型號的調(diào)整板子放大電路板可互換，互換后要對儀表進行全面的校驗。

(2)零點與量程調(diào)整調(diào)整電位器RP3可以調(diào)整儀表的零點電流。當需要進行零點遷移時，應(yīng)先對插孔SZ或EZ進行短接(粗調(diào))，之后再仔細調(diào)整RP3，使之達到要求。量程的調(diào)整是通過電位器RP4的調(diào)整實現(xiàn)的，改變RP4的滑動端即改變了系統(tǒng)的反饋系數(shù)。零點與量程的調(diào)整要反復(fù)進行幾次才能最后確定。(3)線性調(diào)整在放大電路板上有線性調(diào)整電位器，儀表出廠時已經(jīng)按調(diào)整量程調(diào)到最佳狀態(tài)，一般不需再進行調(diào)整。如果要求在某一特定的測量范圍內(nèi)有較好的線性特性時，則需要重新調(diào)整。(4)阻尼調(diào)整調(diào)整放大電路板上的RP2可以改變儀器的阻尼特性，調(diào)整范圍為0.2～1.66s，儀表出廠時調(diào)到0.2s狀態(tài)。阻尼時間的調(diào)整可在現(xiàn)場進行。如果儀表輸出波動較大，應(yīng)進行增加阻尼時間的調(diào)整。(5)儀表負載特性儀表運行的允許負載與使用的儀表電源電壓有關(guān)，

5.變送器的特點(1)變送器無機械傳動和機械反饋機構(gòu)，與力平衡式壓力(差壓)變送器比較起來，它結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，精確度高。(2)變送器的測量敏感部件采用平面膜片，兩側(cè)球面形極板為固定極板，結(jié)構(gòu)對稱，利用膜片受壓后產(chǎn)生彈性位移，差動式改變兩側(cè)電容的變化。球面形對稱性結(jié)構(gòu)和微位移使輸出有較好的線性特性。(3)測量電路眾多采用線性集成元件，線路簡單，性能好，整機的調(diào)整均通過測量電路，調(diào)整方便。3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器

3.5.2.1概述

3.5.2.2擴散硅壓阻式變送器的基本構(gòu)成

3.5.2.3擴散硅壓阻式壓力傳感器（感壓部件）原理分析

3.5.2.4擴散硅壓力變送器的測量電路

3.5壓力和差壓變送器

第3章壓力和差壓測量3.5.2.1概述

⑴引言隨著半導(dǎo)體集成電路制造工藝的擴散技術(shù)日趨成熟，將敏感元件和應(yīng)變材料合二為一制成的擴散型壓阻式傳感器則應(yīng)運而生。由于這類傳感器的應(yīng)變電阻和基底都是用半導(dǎo)體硅制成，所以又稱為擴散硅壓阻式傳感器。該類傳感器是在半導(dǎo)體基片上很方便地將一些溫度補償、信號處理和放大電路等集成制造在一起，就構(gòu)成為集成式的傳感器或變送器。所以，擴散硅壓阻式傳感器一出現(xiàn)就受到人們普遍重視，發(fā)展很快，目前這類傳感器已經(jīng)在力學量傳感器中占據(jù)了重要地位。

3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器

第3章壓力和差壓測量

⑵特點：

①該傳感器或變送器采用IC（集成電路）技術(shù)；②準確度高；③線性度好；④適用范圍廣；⑤體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單；⑥價格便宜。

3.5.2.1概述

第3章壓力和差壓測量感壓部件（壓阻）測量電路被測壓力壓阻阻值變化量輸出信號（4～20mAD.C）(ΔR)（P、ΔP）變送器圖擴散硅壓阻式變送器框圖

3.5.2.2擴散硅壓阻式變送器的基本構(gòu)成3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器

第3章壓力和差壓測量

3.5.2.3擴散硅壓阻式壓力傳感器（感壓部件）原理分析：12345P1—低壓腔；2—高壓腔；3—硅杯；4—引線；5—硅膜片。圖壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)⑴感壓部件結(jié)構(gòu)：3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器

第3章壓力和差壓測量

它主要有外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成，其核心部分是一塊圓形的硅膜片。

在硅膜片上，用半導(dǎo)體制造工藝中的擴散摻雜法做成四個阻值相等的電阻，構(gòu)成平衡電橋，再用壓焊法與外引線相連。

3.5.2.3擴散硅壓阻式壓力傳感器（感壓部件）原理分析⑵感壓部件結(jié)構(gòu)分析：

第3章壓力和差壓測量

膜片的一側(cè)是和被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔和大氣相連通；如果測壓力，低壓腔和大氣相連通；如果測壓差，則與被測系統(tǒng)的低壓端相連。

當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而使擴散電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)電壓。由于該不平衡電壓大小與膜片兩邊的壓力差成正比，從而可以測取膜片所受壓力差值。

⑵感壓部件結(jié)構(gòu)分析

第3章壓力和差壓測量

⑶感壓部件工作原理分析

①半導(dǎo)體壓阻片的測壓原理：已知：一段長度為l，截面積為A，電阻率為ρ的電阻體，其電阻值R為：3.5.2.3擴散硅壓阻式壓力傳感器（感壓部件）原理分析

對于半導(dǎo)體電阻體，當受到機械變形時，電阻率的相對變化率Δρ/ρ遠大于外形尺寸l，A的相對變化率，故半導(dǎo)體的電阻變化率主要由壓阻效應(yīng)造成的，即：

……①

……②

第3章壓力和差壓測量由于半導(dǎo)體的電阻變化率主要由晶體中載流子數(shù)目和其平均遷移率大小來決定的。因此，受到應(yīng)力作用后，載流子的數(shù)目和平均遷移率都要發(fā)生變化，而且還與作用在晶格上應(yīng)力的作用方向有關(guān)。對于簡單的縱向拉伸和壓縮，其電阻率可用下式表示：

式中：αL：—

半導(dǎo)體材料的縱向壓阻系數(shù)；

σ：—半導(dǎo)體壓阻片的縱向應(yīng)力。①半導(dǎo)體壓阻片的測壓原理

……③

第3章壓力和差壓測量①半導(dǎo)體壓阻片的測壓原理

半導(dǎo)體壓阻片，受壓后，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力σ和其彈性變形的相對值（應(yīng)變ε），在彈性限度之內(nèi)是成正比的，即：

……④

式中：E：—

半導(dǎo)體材料的彈性模量。

由式②，③，④得：

……⑤

式中：K1=αLE，為半導(dǎo)體壓阻片的靈敏系數(shù)。通常隨溫度升高而下降，使用中應(yīng)注意溫度補償。

第3章壓力和差壓測量

式中：K2：—

結(jié)構(gòu)常數(shù)，通常與彈性元件的結(jié)構(gòu)形狀、材料性質(zhì)及壓阻片在彈性元件上的位置有關(guān)。①半導(dǎo)體壓阻片的測壓原理

由式⑤得可看出半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)中應(yīng)變量與電阻變化率的關(guān)系。當半導(dǎo)體壓阻片與彈性元件處于一體,因受壓而發(fā)生同一應(yīng)變時,應(yīng)變量ε與被測壓力Py

成正比：

……⑥

第3章壓力和差壓測量

將⑥代入⑤得：①半導(dǎo)體壓阻片的測壓原理

式中：K=K1K2：—

為常數(shù)。式⑦說明半導(dǎo)體壓阻片的電阻變化率與被測壓力成正比；這就是擴散硅壓力變送器的基本工作原理。

……⑦

第3章壓力和差壓測量

②擴散硅壓阻元件：

Ⅰ擴散硅壓阻片如下圖所示：

1N型單晶硅；2第一次SiO2涂層；3擴散P型區(qū)；4導(dǎo)線連接處；5第一次SiO2涂層。

⑵感壓部件工作原理分析51234圖擴散硅壓阻片圖示

第3章壓力和差壓測量

Ⅱ

單晶硅膜片如下圖所示：

ⅰP型四個電阻在硅膜片上的分布圖示：

②擴散硅壓阻元件12345678RARCRDRB

第3章壓力和差壓測量

ⅱP型四個電阻在硅膜片上的分布位置：

②擴散硅壓阻元件Φ=5mmα[100][110]固緊環(huán)RARDRBRC

第3章壓力和差壓測量

Ⅲ

單晶硅膜片圖示分析：

ⅰ電橋橋臂電阻RA、RB、RC、RD都是徑向布置的；

ⅱ電阻RA、RD分布在晶軸[110]（X≈0）處；

ⅲ電阻RB、RC分布在晶軸[100]的α=40?～59?31′處；

ⅳ當硅膜片均勻受壓時，四個電阻可得到對稱變化，即：

RA=RD=R0+ΔR……⑧

RB=RC=R0–ΔR……⑨

式中:R0

：—未受壓時，四個電阻的靜態(tài)值；

ΔR：—測量時，四個電阻增量的絕對值。

②擴散硅壓阻元件

第3章壓力和差壓測量

3.5.2.4擴散硅壓力變送器的測量電路RAU0R1+-BGIc功率放大差動放大RfRBRDRC1mA3~19mACABD（恒流源）E+-

圖擴散硅壓力變送器的測量線路原理圖3.5.2擴散硅型壓阻式傳感器及變送器

⑴

擴散硅壓力變送器的測量線路原理結(jié)構(gòu)圖:Rfz

第3章壓力和差壓測量

3.5.2.4擴散硅壓力變送器的測量電路

⑵

擴散硅壓力變送器的測量線路原理分析:

①

電阻Rfz

為負載電阻，被測壓力（差壓）在全量程范圍變化時（相應(yīng)壓敏電阻的變化量為ΔR），變送器輸出統(tǒng)一信號4~20mADC。采用電橋原理是為了獲得變送器的線性輸出。并有利于環(huán)境溫度補償。采用1mA恒流源是為了進一步減小非線性誤差。②由于四片壓敏電阻是對稱的，在電橋平衡狀態(tài)下具有良好的溫度補償作用。取對稱橋臂電流各為0.5mA。③變送器在起始刻度時，電阻R1

上電流近似為0.5mA，電阻Rf

上電流為（0.5+3）mA，電阻R1

與電阻Rf

之比約為：

……⑩

第3章壓力和差壓測量

⑵

擴散硅壓力變送器的測量線路原理分析

④

電阻Rf

為電路的負反饋電阻，可調(diào)整儀表的滿刻度輸出。電路的靈敏度為：

……11

式中：ΔIc—全量程（各壓敏電阻變化ΔR

）下，功放級輸出電流的最大變化量（19–3=16mA）；—壓敏電阻在滿量程時的最大電阻變化率，其值正比于被測壓力Py

。

第3章壓力和差壓測量３.６.１活塞式壓力計及壓力計的校驗

為了保證壓力測量值的統(tǒng)一，必須要有國家級的壓力基準，以此作為壓力測量的最高標準。壓力基準是用活塞壓力計建立起來的，同時從國家基準到工業(yè)現(xiàn)場壓力儀表的校驗、標定傳遞系統(tǒng)中，作為標準壓力計量儀器的活塞式壓力計占有重要的地位?；钊綁毫τ嫷慕Y(jié)構(gòu)原理如下頁圖所示。

３.６活塞式壓力計及

壓力計的校驗和使用

第3章壓力和差壓測量3壓力和差壓測量24138567910圖活塞式壓力計

活塞式壓力計的結(jié)構(gòu)原理圖

第3章壓力和差壓測量

３.６活塞式壓力計及壓力計的校驗和使用壓力表校驗：

在壓力表校驗時，通過手輪對加壓泵內(nèi)的油液加壓，根據(jù)流體靜力學中液體壓力傳遞平衡原理，該外加壓力均勻傳遞到活塞缸內(nèi)頂起活塞。由于活塞上部是承重盤和砝碼，當油液中的壓力P產(chǎn)生的活塞上頂力與承重盤和砝碼的重力相等時，活塞被穩(wěn)定在某一平衡位置上。

３.６.１壓力計的校驗

第3章壓力和差壓測量這時力平衡關(guān)系為：

式中：A——測量活塞的截面積；

G——承重盤和砝碼（包括活塞）的總重量；

P——被測壓力。一般?。粒剑保悖?或０.１ｃｍ2，因而可以方便而準確地由平衡時所加砝碼和承重盤本身重量知道被測壓力Ｐ的數(shù)值。壓力表校驗

第3章壓力和差壓測量通過被測壓力表上的壓力指示值與這一標準壓力值Ｐ相比較就可知道被校壓力表的誤差大小。

活塞缸內(nèi)的油液一般采用潔凈的變壓器油或蓖麻油等就可知道被校壓力表的誤差大小。

作為壓力標準的活塞壓力計精度為0.002％。此外還有作為國家基準器的活塞壓力計。

它是由３臺活塞壓力計組成的一組儀器，檢定時要進行互相對比測量，最高精度為0.005％，一等標準精度為0.05％，二等標準精度為0.2％。一般工業(yè)用儀表，用三等精度活塞壓力計校準。壓力表校驗

第3章壓力和差壓測量3.6.2.1壓力測量儀表的選擇3.6.2.1壓力測量儀表的安裝使用要求

3.6.2壓力測量儀表的選擇安裝使用

第3章壓力和差壓測量

３.６活塞式壓力計及壓力計的校驗和使用⑴壓力測量儀表種類的選擇

①被測介質(zhì)的性質(zhì)

Ⅰ流動或靜止；Ⅱ黏性；Ⅲ溫度；Ⅳ液體或氣體；Ⅴ是否具有腐蝕、爆炸和可燃性等。②對儀表輸出信號的要求

就地或遠傳③壓力測量儀表的使用環(huán)境

Ⅰ振動；Ⅱ溫度；Ⅲ濕度；Ⅳ是否具有腐蝕、爆炸和可燃性等。

3.6.2.1壓力測量儀表的選擇

第3章壓力和差壓測量3.6.2壓力測量儀表的選擇安裝使用⑵儀表量程的選擇

①按系列生產(chǎn)；量程上限為：1、1.6、2.5、4.0、6.0KPa以及它們的10n倍數(shù)（n為整數(shù)）；②為保證精度，量程上限即不能取太大和太??；