第4講 電氣壓力

化工儀表及自動(dòng)化第三章檢測(cè)儀表與傳感器

第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表三、電氣式壓力計(jì)定義電氣式壓力計(jì)是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及顯示的儀表。37優(yōu)點(diǎn)1.該儀表的測(cè)量范圍較廣，分別可測(cè)7×10-5Pa至5×102MPa的壓力，允許誤差可至0.2％；

2.由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)，所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制和報(bào)警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。

第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表圖3-8電氣式壓力計(jì)組成方框圖組成

一般由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常用的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。38第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表幾種常見的傳感器或變送器：1.霍爾片式壓力傳感器

霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。

圖3-9

霍爾效應(yīng)

霍爾電勢(shì)可用下式表示

式中，UH為霍爾電勢(shì)；RH為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為控制電流的大小。39第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表

霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)UH，但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)UH約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。

導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過(guò)它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。40磁靴的利用第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表

將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖3-10所示。

圖3-10霍爾片式壓力傳感器1—彈簧管；2

—磁鋼；3

—霍爾片

當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例。

利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制。4142第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表2.應(yīng)變片壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成。R=ρL/A拉伸則R增大，壓縮則R減小。圖3-11應(yīng)變片壓力傳感器示意圖1—應(yīng)變筒；2—外殼；3—密封膜片初始狀態(tài)：P=0R1=R2=R3=R4Ucd=0測(cè)量中：P>0R1上升R2降低Ucd≠0并Ucd與△R正比，而△R與P正比。第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表3.壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。仍有R=ρL/A成立。拉伸則R上升，壓縮則R降低。工作原理43第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表圖3-12壓阻式壓力傳感器1—基座；2—單晶硅片；3—導(dǎo)環(huán)；4—螺母；5—密封墊圈；6—等效電阻

測(cè)量電路：惠斯登電橋44初始狀態(tài)：P=0R1=R2=R3=R4Ucd=0

測(cè)量中：P>0R1、R4上升；R2、R3降低

Ucd≠0并與P正比。特點(diǎn)

其靈敏度為應(yīng)變片式壓力傳感器60-140倍。R=ρL/A，應(yīng)變片的幾何尺寸變化，即L、A微小變化，但半導(dǎo)體的ρ大幅度變化。

精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化；

可以測(cè)量壓力，稍加改變，還可以測(cè)量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。

壓電式壓力傳感器

利用某些晶體的壓電效應(yīng)來(lái)測(cè)量壓力的，如石英晶體（SiO2）。Q=dsP此壓電現(xiàn)象可逆，即當(dāng)外加交流電，則晶體表面震動(dòng)。石英的震動(dòng)頻率為32768Hz。第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表4.力矩平衡式壓力變送器

力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測(cè)儀表，它利用負(fù)反饋的工作原理克服元件材料、加工工藝等不利因素的影響，使儀表具有較高的測(cè)量精度（一般為0.5級(jí)）、工作穩(wěn)定可靠、線性好、不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。45DDZ-Ⅲ型電動(dòng)力矩平衡壓力變送器DDZ-Ⅲ型電動(dòng)力矩平衡壓力變送器示意圖1—測(cè)量膜片；2—軸封膜片；3—主杠桿；4—矢量機(jī)構(gòu)

5—量程調(diào)整螺釘；6—連桿；7—副杠桿；8—檢測(cè)片（銜鐵）；9—差動(dòng)變壓器；10—反饋動(dòng)圈；11—放大器；12—調(diào)零彈簧；13—永久磁鋼DDZ-Ⅲ型系列為直流24V供電，輸出4～20mA（DC）,兩線制，安全防爆。46第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表則F2=F1tanθθ變化范圍為4°~15°之間量程比=4:1其中Vab為輸入電壓，Vcd為輸出差動(dòng)電壓；e2’、e2’’各為上下次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)。Vcd=e2’-e2’’1-磁鋼底；2-永久磁鋼；3-軟磁鐵；4-磁鋼罩；5-磁分路螺釘；6-銅環(huán)；7-動(dòng)圈；8-副杠桿

Ff=πBDcWIo×10-6=KfIoFf=πBDcWIo×10-6=KfIo；B-永久磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Dc-反饋動(dòng)圈的平均直徑，mm；W-反饋動(dòng)圈的匝數(shù)；Io-變送器輸出電流。mA；Kf-電磁反饋裝置的轉(zhuǎn)換系數(shù)負(fù)反饋方框圖：其外觀及簡(jiǎn)化符號(hào)：第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表5.電容式壓力變送器

電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，其輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA（DC）電流信號(hào)。

工作原理電容式差壓變送器原理圖1—隔離膜片；2，7—固定電極；3—硅油；4—測(cè)量膜片；5—玻璃層；6—底座；8—引線49先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量。

真空：1；云母：6-8；紙：2.5；第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表

電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過(guò)載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了過(guò)載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。

小結(jié)50第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表四、智能型壓力變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測(cè)儀表。可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信

利用手持通信器，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行各種運(yùn)行參數(shù)的選擇和標(biāo)定；其精確度高，使用與維護(hù)方便。

特點(diǎn)51第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表舉例以美國(guó)費(fèi)希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。圖3-153051C型智能差壓變送器（4～20mA）方框圖52第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表圖3-16手持通信器的連接示意圖

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器?？梢越釉诂F(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)端子上，就地設(shè)定或檢測(cè)，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室中，接在某個(gè)變送器的信號(hào)線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測(cè)。

實(shí)現(xiàn)的功能（1）組態(tài)（2）測(cè)量范圍的變更（3）變送器的校準(zhǔn)（4）自診斷

53（1）組態(tài)設(shè)定變送器的工作參數(shù)，包括測(cè)量范圍、線性或平方根輸出、單位選擇向變送器輸入信息性數(shù)據(jù)，以便對(duì)變送器進(jìn)行識(shí)別與物理描述，包括給變送器指定工位號(hào)、描述符等。（2）測(cè)量范圍的變更遠(yuǎn)程更改測(cè)量范圍。（3）變送器的校準(zhǔn)包括零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)（4）自診斷當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)變送器將報(bào)警。手持通信器可詢問(wèn)變送器，確定問(wèn)題所在。變送器向手持通信器輸出特定的信息，以識(shí)別問(wèn)題，從而可以快速地進(jìn)行維修。HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國(guó)ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移調(diào)制信號(hào)，在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.