压力检测仪表

1、YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制压力压力：工程上习惯把：工程上习惯把“压力压力”理解为单位面积上理解为单位面积上所受的作用力。所受的作用力。1工程大气压工程大气压 = 1kg /cm2 = 9.80665104Pa 0.1MPa（1） 测量某一点压力与大气压力之差测量某一点压力与大气压力之差当这点压力高于大气压力时，此差值称为表压；当这点压力高于大气压力时，此差值称为表压；这种压力计的读数为零时，该点压力即为大气压力；这种压力计的读数为零时，该点压力即为大气压力；当该点压力低于大气压时，此差值称为负压或真空度。当该点压力低于大气压时，此差值称为负压或真空度。YXSH自动化仪表与

2、过程控制自动化仪表与过程控制（2） 测定某一点的绝对压力测定某一点的绝对压力（3）测量两点间的压力差，这种测量仪表称为）测量两点间的压力差，这种测量仪表称为差压计。差压计。 1.2.1 弹性式压力测量元件弹性式压力测量元件利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，于其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格便宜，测压范围宽，测量精度也比较高故在目价格便宜，测压范围宽，测量精度也比较高故在目前测压仪表中占有统治地位。前测压仪表中占有统治地位。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（1） 弹簧管（波登管

3、），如图弹簧管（波登管），如图1-16（a）所示所示（2） 波纹管，图波纹管，图1-16（b）所示所示（3） 膜片，图膜片，图1-16（c）所示所示 （4） 膜盒膜盒 ，图，图1-18所示所示 弹性元件弹性元件YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制122 力平衡式压力（差压）变送器力平衡式压力（差压）变送器（1） 压力（差压）变送器压力（差压）变送器 各种弹性元件各种弹性元件输出的位移或力必输出的位移或力必须经过变送器才能须经过变送器才能转换为标准信号。转换为标准信号。P （P1- P2） Fi 杠杆杠杆A 位移检测元件位移检测元件放大放大 IO 反馈力反馈力Ff 杠杆杠杆B当杠杆处

4、于平衡状态时，当杠杆处于平衡状态时，IOP。IOYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制CPi Fi ： Fi = s PiFi Mi： Mi = lOA FiMi M：M = Mi MfM：=M /C点位移：点位移：d = lOCd Io：Io = KdIo Ff：Ff = CIoFf Mf： Mf = lOB FfYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制OAOBOCOCioslKCllKlPI 111 OBOAioClslPI 当开环增益当开环增益 1时，可简化为时，可简化为KlOC 1其闭环传递函数为其闭环传递函数为CYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制OBO

5、AioClslPI v开环增益足够大时，输入、输出量之间的关系开环增益足够大时，输入、输出量之间的关系只取决于输入环节及反馈环节的传递函数只取决于输入环节及反馈环节的传递函数，而与正，而与正向通道的传递函数无关。只要向通道的传递函数无关。只要s、C、lOA、lOB保持恒保持恒定，便可得到较好的变换精度。定，便可得到较好的变换精度。CYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制OBOAioClslPI v弹性材料的弹性模数，温度系数，在闭环系统弹性材料的弹性模数，温度系数，在闭环系统中，影响不大中，影响不大。但对杠杆系统的摩擦力却是十分敏。但对杠杆系统的摩擦力却是十分敏感，摩擦力矩的引人相当

6、于在比较点引入干扰，会感，摩擦力矩的引人相当于在比较点引入干扰，会直接引起误差，造成死区和变差。为此，支承点都直接引起误差，造成死区和变差。为此，支承点都使用弹簧钢片做成弹性支承，以避免摩擦力的引入。使用弹簧钢片做成弹性支承，以避免摩擦力的引入。CYXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 （2） 差压变送器差压变送器 差压（差压（P1- P2）作用于主杠杆作用于主杠杆F1矢量机构矢量机构F2副杠杆副杠杆差动变压器差动变压器位移检测放大器位移检测放大器I0电磁铁电磁铁副杠杆副杠杆平衡平衡YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 矢量机构矢量机构 F2 = F1tg改变倾角改变倾角

7、，便可改变传递便可改变传递函数函数tgF2比例系数比例系数量程迁移。量程迁移。 差动变压器差动变压器 两个罐形磁芯叠合在一起，两个罐形磁芯叠合在一起，两个原边线圈同相地分别绕在上两个原边线圈同相地分别绕在上下芯柱上，副边线圈反相串联后引出。在下磁芯的下芯柱上，副边线圈反相串联后引出。在下磁芯的中心柱上先磨出一个中心柱上先磨出一个=0.76mm的气隙，上磁芯的衔的气隙，上磁芯的衔铁装在副杠杆上，距离随输入压力信号而改变铁装在副杠杆上，距离随输入压力信号而改变。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制原边电压原边电压VAB，副边感应电，副边感应电压压VCD = e2- e”2。若磁环中心柱

8、面积等于其若磁环中心柱面积等于其外环的截面积，衔铁与上磁芯外环的截面积，衔铁与上磁芯的间隙的间隙d=/2时，时，e2= e”2，VCD = 0当当d e”2，VCD与与VAB同相同相当当d /2时，时，e2 e”2，VCD与与VAB反相反相其输出特性如图其输出特性如图VCDdo/2VAB 恒定恒定差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 可控振荡器可控振荡器 差动变压器的差动变压器的原边原边AB，相当相当于等效电感于等效电感LAB与电容与电容C4构成构成选频网络选频网络接在接在VT1的集电的集电极电路里极电路里差动变压器的差动变压器的副边副边CD

9、接在接在VT1的基极的基极电路里，接成电路里，接成正反馈形式，正反馈形式，构成振荡器构成振荡器电阻电阻R4和二极管和二极管VD1、VD2构成分构成分压式偏置电路，压式偏置电路，且且VD1、VD2还起还起温度补偿作用温度补偿作用C2为射极交流为射极交流旁路电容旁路电容YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 选频网络的谐振频率选频网络的谐振频率4021CLfAB 若反馈信号若反馈信号VCD能满足相能满足相位条件和振幅条件，则出现自位条件和振幅条件，则出现自激振荡。激振荡。 当当d /2时，为正反馈，时，为正反馈，满足相位条件；满足相位条件； 当当K1时，时，满足起振条件。满足起振条件。

10、这里这里为反馈系数为反馈系数= VCD / VAB，K为电压放大倍为电压放大倍数。只要电路参数设计得当，容易满足。数。只要电路参数设计得当，容易满足。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 功放电路功放电路由于振荡级输由于振荡级输出信号的电平很高，出信号的电平很高，用用PNP和和NPN构成构成互补型复合管，以互补型复合管，以利匹配。利匹配。R3为稳定为稳定工作点的反馈电阻，工作点的反馈电阻，同时提高了功放级同时提高了功放级的输入阻抗。的输入阻抗。VD4为检为检波二极管波二极管R8、C5为为滤波电路滤波电路R4为为C5提供放电回提供放电回路，并有利于稳幅路，并有利于稳幅功放由功放由VT

11、2、VT3及及R3、R4、R5构成构成YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 本安防爆措施本安防爆措施q尽量少用贮能元件尽量少用贮能元件LAB兼作谐振电感兼作谐振电感振荡级和功放级振荡级和功放级采用直接耦合采用直接耦合q限制贮能元限制贮能元件的能量件的能量VD10VD13限制限制C5VD3限制限制C2贮能过多贮能过多q贮能元件应贮能元件应有放电回路有放电回路VD5、VD6为冗余备为冗余备用，提供放电回路用，提供放电回路YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 典型两线制变典型两线制变送器送器图图1-24是典型的两是典型的两线式变送器，从现场的线式变送器，从现场的变送器到控制室

12、之间，变送器到控制室之间，只需两根导线互相联系。只需两根导线互相联系。既是电源的供电线，又是信号的传输线。两线制变既是电源的供电线，又是信号的传输线。两线制变送器由于布线方便，有利于采取安全火花防爆措施；送器由于布线方便，有利于采取安全火花防爆措施；活零点的信号制更便于发现断电、断线等故障，提活零点的信号制更便于发现断电、断线等故障，提高运行的可靠性。高运行的可靠性。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制在差压在差压P的作用下，测量膜片的作用下，测量膜片产生的位移产生的位移d。 d = K 1P两个电容的电容为：两个电容的电容为： dd

13、KC 021ddKC 022PKPdKddCCCC30101212 1.2.3 电容式差压（压力）变送器电容式差压（压力）变送器 K 2为极板面积和介电常数决定的常数。解得为极板面积和介电常数决定的常数。解得YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制电容式差压变送器的任电容式差压变送器的任1212CCCC 务是将务是将 转换为电转换为电压或电流。图压或电流。图1-26表示的是表示的是一种测充放电电流的方法，一种测充放电电流的方法，正弦波电压正弦波电压E1加于差动电容加于差动电容02122ICCCI 021102121)11(1ICCCICCCI ，C1、C2上，上，R1R4的阻抗都比的阻

14、抗都比C1、C2的阻抗小得多，的阻抗小得多，可得可得YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制令令R1=R2=R4，则可得则可得4212211421)(RCCRCRCVVV PKVVVCCCC3 34 41 12 22 21 11 12 2 令令V1、V2、V4表示表示R1、R2、R4的压降的压降在实际变送器中，用负反馈自动改变输入电压在实际变送器中，用负反馈自动改变输入电压E1的幅度，使差动电容的幅度，使差动电容Cl、C2变化时，流过它们的电流变化时，流过它们的电流YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制之和恒定，即保持上式中之和恒定，即保持上式中V4恒定，这样差压恒定，这样差

15、压P便正比便正比于于（V2- -V1），测量测量Rl、R2上电压差即可测知上电压差即可测知P。这种这种变送器的原理线路如图变送器的原理线路如图1- -27所示。所示。 A1振荡器电源供给者；通过负反馈振荡器电源供给者；通过负反馈保证保证R4两端的电压恒定两端的电压恒定A2将将Rl，R2两端的电压相减两端的电压相减RP1引入电流负反馈，为量程迁移电位器引入电流负反馈，为量程迁移电位器YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制电容式压力变送器电容式压力变送器电容式差压变送器电容式差压变送器 智能差压变送器智能差压变送器电容式差压（远传）变送器电容式差压（远传）变送器 YXSH自动化仪表与过程

16、控制自动化仪表与过程控制1.2.4 固态测压仪表固态测压仪表利用某些元件固有的物理特性，直接将压力转换利用某些元件固有的物理特性，直接将压力转换为电信号。为电信号。压电效应压电效应受压时表面出现电荷，如，压电晶受压时表面出现电荷，如，压电晶体或压电陶瓷；体或压电陶瓷；压磁效应压磁效应受压时各方导磁率发生变化；受压时各方导磁率发生变化；压阻效应压阻效应受压时各方电阻率发生变化。受压时各方电阻率发生变化。1 霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器 将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。势，从而实现压力的测量。YXSH自动化仪表与过

17、程控制自动化仪表与过程控制霍尔片为一半导体（如锗）材料制成的薄片。霍尔片为一半导体（如锗）材料制成的薄片。如图所示。如图所示。在霍尔片的在霍尔片的Z轴方轴方向加一磁感应强度向加一磁感应强度为为B的恒定磁场的恒定磁场在在Y轴方向加一外电轴方向加一外电场（接入直流稳压场（接入直流稳压电源），便有恒定电源），便有恒定电流沿电流沿y轴方向通过轴方向通过电子在霍尔片中运电子在霍尔片中运动（电子逆动（电子逆Y轴方向轴方向运动）时，由于受运动）时，由于受电磁力的作用，而电磁力的作用，而使电子的运动轨道使电子的运动轨道发生偏移发生偏移造成霍尔片的一造成霍尔片的一个端面上有电子个端面上有电子积累，另一个端积累，

18、另一个端面上正电荷过剩面上正电荷过剩于是在霍尔片的于是在霍尔片的X轴方向上出现电位轴方向上出现电位差，这一电位差称差，这一电位差称为霍尔电势为霍尔电势这样一种物理现象就称为这样一种物理现象就称为“霍尔效应霍尔效应”YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流（一般称为控制电流）、磁感应强度以及霍尔片的几（一般称为控制电流）、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示：何尺寸等因素有关，可用下式表示： UH RHBI式中式中 UH 霍尔电势；霍尔电势； RH 霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状霍尔常数

19、，与霍尔片材料、几何形状有关；有关； B 磁感应强度；磁感应强度； I 通过电流。通过电流。 YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制由由UH RHBI可知，霍尔电势与磁感应强度和电可知，霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高流成正比。提高B和和I值可增大霍尔电势，值可增大霍尔电势，UH但两者但两者都有一定限度，一般都有一定限度，一般I为为320mA，B约为几千高斯，约为几千高斯，所得的霍尔电势所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。约为几十毫伏数量级。导体的霍尔效应导体的霍尔效应: 导体也有霍尔效应，不过它们导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。的霍尔电势远比

20、半导体的霍尔电势小得多。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制位移位移-电势的转换：电势的转换：在选定了霍尔元件，并使电在选定了霍尔元件，并使电流保持恒定的情况下，则在非均匀磁场中，霍尔元流保持恒定的情况下，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移 - 电势的线性转换。电势的线性转换。将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图所示。弹簧管压力传感器，如图所示。YX

21、SH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制被测压力由弹被测压力由弹簧管簧管1的固定端的固定端引入引入弹簧管的自由弹簧管的自由端与霍尔片端与霍尔片3相相连接连接在霍尔片的上、在霍尔片的上、下方垂直安放下方垂直安放两对磁极，使两对磁极，使霍尔片处于两霍尔片处于两对磁极形成的对磁极形成的非均匀磁场中非均匀磁场中霍尔片的四个霍尔片的四个端面引出四根端面引出四根导线，其中与导线，其中与磁钢磁钢2相平行的相平行的两根导线和直两根导线和直流稳压电源相流稳压电源相连接，另两根连接，另两根导线用来输出导线用来输出信号信号当被测压力引当被测压力引入后，在被测入后，在被测压力作用下，压力作用下，弹簧管自由端弹簧管

22、自由端产生位移，因产生位移，因而改变了霍尔而改变了霍尔片在非均匀磁片在非均匀磁场中的位置，场中的位置，使所产生的霍使所产生的霍尔电势与被测尔电势与被测压力成比例压力成比例利用这一电势利用这一电势即可实现远距即可实现远距离显示和自动离显示和自动控制控制YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制1 压敏电阻传感器压敏电阻传感器（1）制造工艺）制造工艺图图1-28是一种根据压阻效应工作的半导体压力测是一种根据压阻效应工作的半导体压力测量元件的示意图。量元件的示意图。在杯状单晶硅膜在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的片的表面上，沿一定的晶轴方向扩散着一些长晶轴方向扩散着一些长条形电阻。条形电阻。Y

23、XSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（2）工作原理）工作原理当硅膜片上下两侧出现当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。使扩散电阻的阻值发生变化。半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率发生强烈发生强烈的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。倍左右。YXSH自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制（3 3） 温度补偿温度补偿q硅杯被烧结在膨硅杯被烧结在膨胀系数和自己相同的胀系数和自己相同的玻璃台座上，以保证玻璃台座上，以保证温度变化时硅膜片不温度变化时硅膜片不受附加应力。受附加应力。q由于半导体材料对温度的敏感性，温度漂移始终由于半导体材料对温度的敏感性，温度漂移始终是这类传感器的主要问题。