压力检测仪表及变送器
第一节压力检测仪表及变送器
一、概述
在化工、炼油等生产过程中,经常需要对压力和真空度进行检测和控制。根据生产过程的不同要求有的需要检测比大气压力高很多的高压，例如高压聚乙烯要在150Mpa的压力下进行反应。而有的生产过程却需要检测比大气压力低的真空度，例如炼油厂的减压蒸馏则需要在一定的负压下才能进行正常操作。此外,通过检测压力还可以间接测量液位的高低、流量的大小等,也可以判断设备的工作善。因此，为了保证产品质量、提高生产效率、确保生产安全顺利地进行,必须对压力进行检测或按一定的要求对压力进行控制。
所谓压力ｐ是指垂直而均匀地作用于单位面积上的力。其数学表达式为
ｐ＝（３-1５)
式中ｐ为压力，F为垂直作用力,S为受力面积。
在国际单位制(代号SI)和我国法定计量单位中规定，压力的单位是帕斯卡，简称帕，符号Pa,它表示每平方米的表面上垂直作用１牛顿的力，即1Pa=1N／m ２。由于帕的单位太小,因此,工程上还常用千帕(kPａ)和兆帕(MPａ）压力单位,它们之间的关系为：
1Mpa=１×103kPａ＝１×1０6Pa
工程上习惯用的压力单位还有工程大气压（kgf/cm2）、标准大气压（atm)、毫米水柱（mmＨ2O）、毫米汞柱（ｍmHg)等,按照有关规定，这些单位已不再使用,但为了解这些单位与国际单位制中压力单位的关系,列出表3-5供参考。
单位名称帕（斯卡)
PPa
千克力每平方厘米
（工程大气压)
kgf／ｃm2
毫米汞柱
ｍmＨｇ
毫米水柱
mｍH２O
标准大气压
ａtm
巴
bar
1Pa（帕） 1 ０.0197×1０-5０.７5×10-21．０１97×1０-10．９８7×10-51×10-5
1kgf/cｍ2(１千克力每平方厘米）0.9807×106 1
0．73５56×10
３
10４0.9６７8 0．9807
１mmHｇ(1毫米汞柱）１．３32×1
０2
1.3595×10-3 1 1.3５９5×１０ 1.31６×1０-３１.332×10-3
１mmH2O （１毫米水柱）0.9807×10 10-４
０.７31５５6×
10-1
1 ０.96７8×１0-40．９807×１0-4
1aｔm
（1标准大气压) 1.013２5×1
０5
1．0332 760 1.0３3２×10４ 1 1.01３２５
１bａｒ(1巴) 1×105 1.01９７0.７5×103１.０1９7×１
０4
0．９８６9 1
压力检测中,常用绝对压力、大气压力、表压(力)、负压（力）或真空度等概念，它们各自的意义及相互之间的关系为
绝对压力p
绝
:是指物体上所受的实际压力(包含大气压力）。
大气压力p
大
：是空气柱形成的压力。
表压p
表
:是指高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即
p表＝p绝－p大
负压p
负
:是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即
ｐ
负=p
大
－ｐ
绝
绝对压力、表压、负压和大气压力的关系如图３－２1所示。
检测绝对压力的仪表称为绝对压力表,检测表压的仪表称为压力表。真空空用低于大气压力的数值表示,绝对压力为零的表示为绝对真空。检测负压的仪表称为真空表，既能检测表压又能检测负压的仪表称为压力真空表。由于各种工艺设备本身就处于大气之中，因此工程上多采用压力表或真空表测量各种设备的压力,只要无特殊要求，一般采用表压加大气压力的方法来求得被测压力的绝对压力值。检测压力的仪表类型很多，如果按其转换原理的不同，大致可分为以下四类：
（一）液柱式压力计
它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来进行测量。利用这一原理检测压力的仪表有U型管压力计、单管压力计及斜管微压计等。
(二)弹性式压力表及压力变送器
它是基于弹性元件受压后产生的弹性变形位移与被测压力间呈一定关系的原理制成的。例如,单圈（或多圈)弹簧管压力表、膜片(或膜盒）压力表及波纹管压力表等。
如果通过波纹管(测低压)或单圈弹簧管（测中、高压）把所测压力转换为20～１0０kPa统一标准的气压信号或０~10ｍA的直流电流信号输出则为气动或电动压力变送器。压力变送器输出的标准信号可以送往显示仪表进行压力显示;也可以送往调节器,作为自动控制的依据。有关十四行诗为送器的工作原理,将在差压变送器一节予以介绍。
(三）电气式压力计
它是通过机械和电气元件把被测压力转换成电量来进行测量的仪表,例如应变片式、霍尔片式、电容式、电阻式等电气式压力计。
（四)活塞式压力计
它是根据水压机流体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加砝码的质量来进行测量的。这是一处标准仪器，通常用来对弹簧管压力表进行校验或刻度。
二、弹性式压力表
（一）弹性元件
弹性元件是弹性式压力表的感压元件,它在受到压力作用时产生相应的弹性变形(位移）,根据弹性元件机械位移的程度来度量压力的大小。对于不同的测压
范围，所用的弹性元件也各不相同，常用的弹性元件有如图３－２2所示的几种类型。
1、弹簧管
单圈弹簧管（图a)是弯成圆弧形的金属管子，截面做成扁圆形或椭圆形。当通入压力ｐ后,其自由端产生位移，但位移较小。为了增加自由端的位移量以提高灵敏度,可以采用多圈弹簧管(图ｂ）。
2、弹性膜片
膜片（图c）由金属或非金属材料制成,在压力作用下产生变形。此外也有用两张金属膜片沿周边对焊起来,成一薄壁盒子,内充液体(例如硅油）称为膜盒(图d）。膜盒常用来测量压差。
3、波纹管
它是一个周围呈波纹状的薄壁金属筒体(图e）,这种弹性元件变形位移大。
上述各种弹性元件中,波纹管和膜片多用于低压和微压检测,而弹簧管则可用于高压、中压、低压及负压的检测，特别是单圈弹簧管压力表,由于其结构简单、价格便宜、性能可靠、维修方便及测压范围广等优点，在工业上的应用很广泛。因此，下面仅以单圈弹簧管压力计为代表加以介绍。
(二)单圈弹簧管压力表
如图3－23所示,单圈弹簧管压力表主要由感压元件、传动放大机构、指针及刻度标尺等组成。感压元件单圈弹簧管１是一根弯成圆弧的扁圆形或椭圆开截面的金属管。管子的自由端B封闭，管子的另一端固定在接头9上,当通往被测压力p后，在压力ｐ的作用下使扁(椭）圆形截面趋向圆形,弯成圆弧形的弹簧管随之生产向外挺直的扩张变形，从而使弹簧管的自由端Ｂ产生位移,但这个位移量太小,因此，必须通过放大机构放大最后才能进行显示。传动放大机构由拉杆、扇形齿轮及中心齿轮组成。当弹簧管自由端向外挺直变形时,这一位移牵动拉杆２,带动扇形齿轮３作逆时针偏转，从而带动中心齿轮4及同轴上的指针５一起作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上指示出被测压力ｐ的数值。由于弹簧管自由端的位移与被测压力大小成正比，因此仪表刻度标尺是线性的。
游丝７用来消除扇形齿轮和中心齿轮间出现的啮合间隙,并帮助指针准确回零，以提高压力表的精确度。改变调螺钉8的位置即改变机械传动的放大系数，可以实现压力表指示值的调整。
单圈弹簧管压力表的测压范围极宽，低至高真空度,高达1000Mpa的超高压。弹簧管的材料,随被测介质的性质和被测压力的高低而异。一般是当p＜2０Mｐａ时,采用磷青铜或黄铜;当p＞20Ｍｐa时,采用不锈钢或合金钢。当选用压力表时,还必须注意被测介质的化学性质。例如测量氨气压力时,绝不能选用铜质材料的弹簧管；测量氧气压力时,严禁与油脂接触,否则有爆炸危险。
单圈弹簧管式的仪表也可以做成测负压的真空表。这时，弹簧管开口端接被
测的负压窨,其自由端的位移方向正好与测表压的相反,所以指针的偏转方向和刻度标尺的方向都反过来了。
此外,还可将普通单圈弹簧管压力表稍加改变,便可成为电接点信号压力表,它能在压力偏离规定范围时，及时发出信号，提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。图３-24所示为电接点信号压力表的工作原理示意图。压力表指示指针上有动触点3，表盘上另有两根可调节的指针，它们分别带有静触点1和2。当压力达到（或超过）规定的上限压力值时，动触点3与静触点2接触,电路接通红灯亮；若压力下降至规定的下限压力值时，动触点3与静触点1接触，另一条电路接通黄灯亮。静触点位置可根据工艺需要灵活调节。
三、电气式压力计
将压力转换成电量进行检测的仪表称为电气式压力计。它一般由压力传感器、测量线路和显示装置组成，如图3-25所示。
传感器的作用是把被测压力信号转换成电信号输出。转换的方法有两种,一种是以弹性元件为感压元件，通过某些电气装置把弹性元件的机械位移转换为电量的变化。如电阻式、电感式及霍尔片式压力传感器。这类压力计都是先经弹簧管把压力变换成位移后再转化为电量进行测量，所以它们不适应测量快速变化的脉动压力和超高压力。另一种转换方法是利用某些机械和电气元件把被测压力转换成电信号，如应变片式、压阻式、电容式等。这类仪表由于所用检测元件本身可以产生远传的电信号，动态性能较好，且而高压,故适用于测量快速变化的脉动压力和超高压等场合。下面简单介绍霍尔片式和应变片式压力传感器。
（一）霍尔片式压力传感器
霍尔片式压力传感器是利用霍尔元件，将由压力引起的弹性元件的位移转换成相应的电势信号输出。
霍尔元件是一块半导体锗薄片,如图3－26（ａ)所示,在其Z轴方向加一磁场强度为B的恒定磁场,沿Y轴方向外加电场（直流稳压电源),使得有恒定的电流Ｉ通过霍尔片(自由电子则逆Ｙ轴方向运动）。由于电磁力的作用，电子在霍尔片中的运动轨迹发生偏移，于是在Ｘ轴方向的一个端面上有电子积累，而另一端面
。这一物理上则产生等量正电荷,两者间形成电位差。此电位差称为霍尔电热V
Ｈ
现象称为霍尔效应。
霍尔电势V H的大小与霍尔片的材质及几何尺寸、恒定电流Ｉ、磁场强度B 等有关,用数学式表示为
ＶH＝K H BI(3－1６）对于材料和结构已定的霍尔元件，其霍尔电势V H仅与Ｂ和I有关。当Ｉ恒定时,霍尔电势V H与磁场强度B有单值函数关系。若霍尔片在一不均匀磁场中位移，那么霍尔电势的大小就随磁场强度也即位移量而变化。
如图3-26(ｂ)所示的就是利用这一原理工作的霍尔片式压力传感器。它主要
由弹簧管１、固定在弹簧管自由端上的霍尔片３以及位于霍尔片上下的两对磁极２等组成。当被测压力ｐ由弹簧管固定端引入后，弹簧管自由端位移带动霍尔片在两对磁极形成的非均匀磁场中移动，从而产生一个与被测压力成正比的霍尔电势V H。霍尔电势送至动圈指示仪或电子电位差计可进行压力指示和记录。
（二)应变片式压力传感器
应变式压力传感器是利用电阻应变原理测量压力的。被测压力使应变片的电阻值变化，然后经过桥式电路转换为毫伏级电压信号输出，再送给显示仪表进行指示记录。
图3-27是应变片式压力传感器示意图。应变片是把应变丝(康铜或镍铬合金等细丝)粘贴在衬底上而成。将两片应变片ｒ1和r２粘紧在应变筒1的外壁上，r１沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与应变筒之间不应发生相对滑动且保持电气绝缘。当被测压力p作用于密封膜片（不锈钢片)3使应变筒作轴向受压变开时,沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩,ｒ1的阻值变小,而沿径向贴放应变片ｒ２受到纵向拉伸，r2阻值变大。ｒ1、r２是测量桥路中相邻两个桥臂的电阻，ｒ3、ｒ4是桥路中另两个固定电阻。设计时使=r2=r３＝ｒ４时,电桥平衡,其输出电压△V=0。测压力时由于r1≠r2，因此,得：r
１
电桥失去平衡,输出的不平衡电压△V送至显示仪表显示被测压力的数值。
四、压力表的选择和安装
(一)压力表的选择
压力表的选择是指对压力表类型和型号、测量范围及精确度等级的选择。压力表选择得否合理将直接影响它在生产中发挥的作用。压力表的选择应根据工艺生产所提出的技术条件,本着经济、合理等原则综合进行选择。
１、仪表类型的选用
仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求,例如是否需要变送远传、自动记录或报警等;满足被测介质的物理化学性质（如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆等)对仪表提出的特殊要求;满足现场环境条件（如高温、电磁场、振动等）对仪表类型的特殊要求等等。总之，正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。
2、仪表测量范围的确定
仪表的测量范围是指该可按规定的精确度对被测量进行的范围,它是根据需要测量的工艺变量大小来确定的。
对于弹性式压力表,为了延长仪表使用寿命,避免弹性元件因受力过大而损坏,在确定仪表测量范围时,必须留有足够的裕度。根据规定,测量稳定压力时,压力表的上限值应为最大工作压力的3／２倍;测量波动较大的压力时,压力表的上限值应为最大工作压力的2倍；测量高压压力时，压力表的上限值应为最大工作压力的５/3倍。为了保证测量值的精确度,被测压力的最小值应不低于仪表全量程的
１／３。
根据被测压力的状态和数值计算出仪表的上、下限值后，还不能以此数值直接作为仪表的测量范围，因为仪表标尺的上限值不是任意值,它是由国家主管部门用规程或标准作了规定的。因此在选用时,只能选用与计算值相近的标准值作为仪表标尺的上限值。压力表标尺刻度上限值的标准值为:(１、1．６、2.5、4、6)×10n MPa(kPa）,ｎ为正、负整数或零，压力表的下限值为零。
3、仪表精确度等级的选择
在确定仪表测量范围后,应根据工艺生产对压力测量所能允许的最大绝对误差来计算仪表的相对百分误差的最大值,以此为依据确定仪表的允许误差及精确度等级。
（二）压力表的安装
1、取压点的位置必须具有代表性,取压点应选在能正确而及时地反映被测压力实际数值的部位。例如选在被测介质流动平稳的部位,而不应太靠近有局部阻力或其它受干扰的地方，即不要选在管道拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的地方。取压管内端面与设备连接处的内壁保持平齐，不应有凸出物和毛刺,以免影响流体的平稳流动。测量液体压力时，取压点应在管道的下半部,使导压管内不积存气体；测量气体压力时,取压点应在管道上半部,使导压管内不积存液体。
2、导压管应按最短距离敷设，水平安装时应保证有一定的倾斜度；当被测介质容易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管；取压口到压力表之间应装切断阀，以备检修压力表时使用。
3、应安装在易于观察和检修的地方,安装地点应力求避免振动和高温影响。测量高温介质压力时，应加装冷凝管，以免高温介质与检测元件接触，如图3-２8（ａ）所示。对于腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐。如图3-２5(ｂ）所示。总之，应根据不同情况（如高温、低温、腐蚀、结晶、沉淀、粘稠等)采取相应的防护措施。此外,压力表与导压管的连接处应加装适当的密封垫片,以防泄漏。
?在压力测量中,通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名
词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差,即:
?Ｐ表=P绝-Ｐ大
?负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之
差，即：
?Ｐ真=P大-P绝
?绝对压力、表压力、大气压力、负压力(真空度）之间的关
系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中,所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值,实际上也都是表压或真空度(绝对压力表的指示值除外)。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。
?压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表
有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于
应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测
压力通过一些隔离元件（如弹性元件)转换成一个集中力,并在
测量过程中用一个外界力(如电磁力或气动力）来平衡这个未知
的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力
平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子;根据弹
性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分,可分为薄膜式,波纹管式,弹簧管式压力表;能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。
?目前,石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性
元件。根据测压范围不同,常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号,以远传显示,报警或调节用。
?主要压力检测仪表：
?(1)弹簧管压力表
?弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一,
它有着极为广泛的应用价值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮)、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成,如下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成270度圆孤形的空心管子。
?它的截面呈扁圆形或椭圆形,椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧
管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由端,即位移输出端；而另一端A则是固定的,作为被测压力的输入端。当由它的固定端Ａ通入被测压力Ｐ后,由于呈椭圆形截面的管子在压力Ｐ的作用下,将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形,使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角γ要随即减小Δγ,也就是自由端将由B移到B,处,如图２－3(b)上虚线所示。此位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值Δγ/γ与被测压力Ｐ之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。
?由上述可如,弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若
管内压力小于管外压力,则自由端将随负压的增大而向内弯曲。
所以,利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。
?弹簧管压力表除普通型外,还有一些是具有
特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。
为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标,并注有特殊介质的名称，使用时应予以注意。
?２)应变式压力变送器
?应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为
转换元件,将被测压力转换成应变片电阻值的变化,然后经过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测压力或经放大电路转换成统一标准信号后,再传送到记录仪和调节器等仪表。
?应变片有金属电阻丝应变片(金属丝粘贴在衬底上组成
的元件)和半导体应变片两类。
?根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变
形dL／L(即应变e) ,其电阻值随之发生变化。如果已如应变片的电阻变化与其变形(即应变)的关系，那么,通过对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力。
?单晶硅谐振式传感器
?谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上
制成两个完全一致的H型谐振梁，并以一定的频率产生振动。
其谐振频率取决于梁的长度及张力,而张力随压力的变化而变