3.壓力測量儀表

1、三壓力測量儀表壓強是垂直而均勻作用在單位面積上的力。在壓力測量中，常用表壓、絕對壓力、負壓或真空度來（如圖3-1）表示：P表壓=P絕對壓力P大氣壓力P真空度=P大氣壓力-P絕對壓力壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，具廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)，根據(jù)工業(yè)對象的特點，通常有三種檢測壓力的方法，即液柱測壓法，彈性變形法和電測壓力法。下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。（一）彈性式壓力計彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理

2、而制成的測壓儀表。如圖3-2所示，彈性元件分別為彈簧管（a）（b）,膜片（c）,膜盒（d）,波紋管（e）。圖32常用彈性元件彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示。弓M簧管l是壓力表的測量元件。圖中所示為單圈彈簧管，它是一根彎成2700圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，管子的另一端固定在接頭9上。當通入被測的壓力p后,橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，彈簧管也隨之產(chǎn)生向外挺直的擴張變形。使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測得B點的位移量，就能反映壓力p的大小，這就是彈簧管壓力表的基本測量原理。輯管出于*一算賢管，。拄桿*3-培弗位

3、鴕F4中心牌希上尸#11ri-fflfllpJ-Kfilp生掛點信號Hi力裳L4靜片息,W第0+3鼻燈*3-tr燈圖3-3壓力表的結(jié)構(gòu)彈簧管自由端B的位移量一般很小，必須通過放大機構(gòu)才能指示出來。放大過程如下：彈簧管自由端B的位移通過拉桿2（見圖33）使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。由于彈簧管自由端的位移與被測壓力之間具有正比關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標尺是線性的。游絲7用來克服因扇形齒輪和中心齒輪間的傳動間隙而產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)整螺釘8的位置（即改變機械傳動的放大系數(shù)），可以實現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。（

4、二）霍爾式遠傳壓力表1 .霍爾效應在霍爾片的Z軸方向加一磁感應強度為B的恒定磁場，在Y軸方向加一外電場（接入直流穩(wěn)壓電源）,便有恒定電流沿Y軸方向通過。電子在霍爾片中運動時，由于受電磁力的作用，而使電子的運動軌道發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個端面上有電子積累，另一個端面上正電荷過剩，于是在霍爾片的X軸方向上出現(xiàn)電位差這一電位差稱為霍爾電勢，這樣一種物理現(xiàn)象就稱為“霍爾效應”。如圖3-4所示，霍爾片為一半導體（如錯）材料制成的薄片。在霍爾片的長度方向通入控制電流I,在平面法線方向外加磁場B,于是電子在磁場中受洛倫茲力，而向?qū)挾确较蚱?，因此在霍爾片兩?cè)分別積累正負電荷并沿寬度方向產(chǎn)生霍爾電場。這一電

5、場對電子產(chǎn)生的力阻止電子偏移。當電場力fE與洛倫茲力fL相平衡時，霍爾輸出端電荷積累達到平衡，這就是霍爾效應。當磁感應強度B方向與霍爾片平面法線夾角為9時，霍爾電壓V=KIBcos9,其中K為霍爾元件靈敏度。當載流子為空穴時，它與電子運動方向相反，而洛倫茲力方向相同，所以產(chǎn)生的霍爾電壓極性相反?；魻栐饕糜诖艌觥⑥D(zhuǎn)速、微小位移、加速度等的測量，是放音磁頭、磁接近開關(guān)、同步傳動裝置、無刷直流電機、函數(shù)發(fā)生器、運算器、功率計、調(diào)制器、解調(diào)器、頻譜分析、回轉(zhuǎn)器、隔離器中的重要器件。賽爾元件圖211霍爾效應原理2 .霍爾壓力傳感器如圖35所示，它將霍爾元件固定于彈性敏感元件上，在壓力的作用下霍爾元

6、件隨彈性敏感元件的變形而在磁場中產(chǎn)生位移，從而輸出與壓力成一定關(guān)系的電信號。保持霍爾元件的激勵電流不變，而使它在一個均勻梯度的磁場中移動時，它輸出的霍爾電勢大小就取決于它在磁場中的位移量（如圖所示）。磁場梯度越大，靈敏度就越高；梯度變化越均勻，霍爾電勢與位移的關(guān)系就圖3-5霍爾壓力傳感器越接近于線性?；魻栐Y(jié)構(gòu)簡單、形小體輕、無觸點、頻帶寬、動態(tài)特性好、壽命長，而且已經(jīng)商品化?；魻栐糜趬毫鞲衅?，按照彈性敏感元件的不同有多種結(jié)構(gòu)形式。圖a、b中的壓力傳感器分別采用膜盒和彈簧管作為彈性敏感元件，并由兩塊半環(huán)形五類磁鐵產(chǎn)生梯度均勻的磁場。（三）應變片式壓力傳感器電阻應變片有金屬應變片（金屬絲

7、或金屬箔）和半導體應變片兩類。當應變片產(chǎn)生壓縮或拉伸應變時，其阻值減小或增加。應變片阻值的變化，再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應變片式壓力計。1 .應變式壓力傳感器金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。金屬電阻應變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，是電阻應變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應變片的阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外

8、界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。圖36應變片的結(jié)構(gòu)圖金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：R=pXL/S式中：p金屬導體的電阻率（Q-cmfm）S導體的截面積（cm2l導體白長度（m我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓

9、），即可獲得應變金屬絲的應變情況。如圖3-7所示為應變式壓力傳感器。采用金屬導體應變片。圖37應變式傳感器的結(jié)構(gòu)原理2 .壓阻式壓力傳感器通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU顯示或執(zhí)行機構(gòu)。如圖3-9所示的是壓阻變式壓力傳感器。圖3-8半導體應變片圖3-9壓阻式壓力傳感器2半導體敏感條；2基底；3引線；4引線連接片；5

10、內(nèi)引線壓阻式傳感器是采用集成電路制造技術(shù)在半導體基片上直接生成擴散電阻并組成電橋半導體材料通常為硅材料所以壓阻式傳感器又常稱為擴散硅壓力傳（四）壓電壓力傳感器對某些電介質(zhì)沿著一定方向加力而使其變形時，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力撤除后，又恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。在電介質(zhì)的極化方向施加電場，電介質(zhì)會在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外電場去除后，變形或應力隨之消失，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應。圖3-10石英晶體的壓電效應如圖3-10所示的石英晶體白壓電效應，（a）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿Y軸方

11、向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負電荷壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。圖311壓電壓力傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550c（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達100%穩(wěn)定性好。2.瓷壓力傳感器原理及應用抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋閉橋，由

12、于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償070C,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40135C,而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2kV,輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨

13、勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。（五）橫河川儀壓力變送器EJA430A壓力變送器、EJA110A差壓變送器、EJA530Affi力變送器采用的是單晶硅諧振式傳感器技術(shù)，適用于測量液體、氣體或蒸汽的壓力,將測量壓力轉(zhuǎn)換成420mADCfe流信號輸出。采用微電子加工技術(shù)（MEMS在一個單晶硅芯片表面的中心和邊緣制作兩個形狀、尺寸、材質(zhì)完全一致的H形狀的諧振梁，諧振梁在自激振蕩回路中作高頻振蕩。單晶硅片的上下表面受到的壓力不等時，將產(chǎn)生形變，導致中心諧振梁因壓縮力而頻率減小，邊緣諧振因受拉伸力而頻率增加。兩頻率之差信號直接送到CPU!行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成4-2

14、0mA輸出信號。端子端子端了橫河壓力變送器接線圖420mA輸出、FF和PROFIBUSPA現(xiàn)場總線通訊接線端子SUPPLY1*口電源租輸出端子CHECK：Zl外部指示計（電流表）接線端子蘭接地端子*1：當使用外部指示計或檢測表時，內(nèi)部阻抗必須W10Q。*2：不適用于FF和PROFIBUSPA通訊協(xié)議.（六）霍尼韋爾壓力變送器ST3000/900系列SmartLine智能壓力變送器STG7001 .型號說明每一臺變送器都帶一個銘牌，上面表明了該變送器的特定“型號號碼”例如：基本類型儀表本體關(guān)鍵號表1STG735E1H查看關(guān)鍵號碼的第三位和第四位,字母代表的下面的變送器基本類型：A=絕對壓力法蘭組

15、件選項工廠標示表2表3表40000SB,1C#確認產(chǎn)品的系列和基本類型。第三位上的D=壓差F=法蘭安裝G=表壓力R=遠傳壓力2 .精度性能指標通過將絕壓與傳感器芯片上的靜壓和溫度補償相結(jié)合，可在大范圍內(nèi)的靜壓和溫度下提供極高的測量精確度和穩(wěn)定性。精度高達0.065%,穩(wěn)定性0.025%商量程，保持5年量程比100:1響應時間100ms3 .連接電源及SCT/SFC警告：在松開變送器殼體上的端蓋螺母之前，請不要擰開端蓋。(1)使用1.5mm的內(nèi)六角扳手擰松殼體終端側(cè)的端蓋螺母，然后卸下端蓋。(2)觀察極性，將DC25Vt源接到信號端子上，既使用SIGNAL如下圖：+TEST-iffJ3:bdb-

16、SIGNAL+注意：確保通訊在電源和變送器之間要有一個最小為250歐姆的回路阻抗?；芈纷杩?安全柵阻抗+線路阻抗。(3)將SCTm£SFCf變送器按電源極性一致連到信號端子上。(若使用SCT請在其工具欄上選擇“TagID”圖標以便與變送器建立起在線通訊。4智能儀表各按鈕功能說明VARSELSPAN【ZEROUPPERVALUEUNITSSET【LOWERVALTE當與ST3000變送器一起安裝時，此功能無效選擇上限測量值設定(URV選擇下限測量值設定(LRV選擇高測量值設定(URV選擇智能儀表顯示的工程單位選擇低測量值設定(LRV【】向下選擇按鈕【】向上選擇按鈕（七）羅斯蒙特壓力變送

17、器3051系列壓力變送器1 .型號說明3051T=壓力變送器L=液位變送器S=高精度系列C=差壓變送器GP打力變送器（原2088升級版本）2 .精度性能指標總體性能：±0.15%FS精度：±0.075%FS量程比：100:1五年穩(wěn)定性+0.125%不銹鋼與哈氏合金CR過程隔離膜片單隔離膜片設計灌充液：硅油與惰性油可選DIN與Autoclave相配的過程連接3 .連接接線按照下列步驟進行接線：拆下標記"FIELDTERMINALS電子外殼。將正極導線接到“PWR/COMM+接線端子上，負極導線接到”接線端子上。注意不得將帶電信號線與測試端子（test）相連，因通電將損壞測試線路中的測試二極管。應使用屏蔽的雙絞線以獲得最佳的測量效果。為了保證正確通訊，應使用24AWGE更高的電纜線，但是不要超過5000英尺（1500米）。用導管塞將變送器殼體上未使用的導管接口密封。如果可以，安裝接線時使用一個滴水環(huán)管。使滴水環(huán)管的底部低于導管連接口和變送器殼體。重新擰上表蓋圖3為3051G變送器供電及與HAR行操器通訊的接線圖4零點修正零點修正是用來補償安裝位置影響的單點調(diào)節(jié)方式。如果零點的偏移量不超過實際零點的3%按照下述“使用HA