第4讲 电气压力

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

第二节压力检测及仪表三、电气式压力计定义电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。37优点1.该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；

2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

第二节压力检测及仪表图3-8电气式压力计组成方框图组成

一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。38第二节压力检测及仪表几种常见的传感器或变送器：1.霍尔片式压力传感器

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件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。

图3-9

霍尔效应

霍尔电势可用下式表示

式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。39第二节压力检测及仪表

霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为3～20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。

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。40磁靴的利用第二节压力检测及仪表

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3-10所示。

图3-10霍尔片式压力传感器1—弹簧管；2

—磁钢；3

—霍尔片

当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。

利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。4142第二节压力检测及仪表2.应变片压力传感器

应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。R=ρL/A拉伸则R增大，压缩则R减小。图3-11应变片压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片初始状态：P=0R1=R2=R3=R4Ucd=0测量中：P>0R1上升R2降低Ucd≠0并Ucd与△R正比，而△R与P正比。第二节压力检测及仪表3.压阻式压力传感器

压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。仍有R=ρL/A成立。拉伸则R上升，压缩则R降低。工作原理43第二节压力检测及仪表图3-12压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻

测量电路：惠斯登电桥44初始状态：P=0R1=R2=R3=R4Ucd=0

测量中：P>0R1、R4上升；R2、R3降低

Ucd≠0并与P正比。特点

其灵敏度为应变片式压力传感器60-140倍。R=ρL/A，应变片的几何尺寸变化，即L、A微小变化，但半导体的ρ大幅度变化。

精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；

便于实现显示数字化；

可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。

压电式压力传感器

利用某些晶体的压电效应来测量压力的，如石英晶体（SiO2）。Q=dsP此压电现象可逆，即当外加交流电，则晶体表面震动。石英的震动频率为32768Hz。第二节压力检测及仪表4.力矩平衡式压力变送器

力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。45DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器示意图1—测量膜片；2—轴封膜片；3—主杠杆；4—矢量机构

5—量程调整螺钉；6—连杆；7—副杠杆；8—检测片（衔铁）；9—差动变压器；10—反馈动圈；11—放大器；12—调零弹簧；13—永久磁钢DDZ-Ⅲ型系列为直流24V供电，输出4～20mA（DC）,两线制，安全防爆。46第二节压力检测及仪表则F2=F1tanθθ变化范围为4°~15°之间量程比=4:1其中Vab为输入电压，Vcd为输出差动电压；e2’、e2’’各为上下次级绕组的感应电势。Vcd=e2’-e2’’1-磁钢底；2-永久磁钢；3-软磁铁；4-磁钢罩；5-磁分路螺钉；6-铜环；7-动圈；8-副杠杆

Ff=πBDcWIo×10-6=KfIoFf=πBDcWIo×10-6=KfIo；B-永久磁钢的磁感应强度；Dc-反馈动圈的平均直径，mm；W-反馈动圈的匝数；Io-变送器输出电流。mA；Kf-电磁反馈装置的转换系数负反馈方框图：其外观及简化符号：第二节压力检测及仪表5.电容式压力变送器

电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。

工作原理电容式差压变送器原理图1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线49先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。

真空：1；云母：6-8；纸：2.5；第二节压力检测及仪表

电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。

小结50第二节压力检测及仪表四、智能型压力变送器

智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。可进行远程通信

利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。

特点51第二节压力检测及仪表举例以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。图3-153051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图52第二节压力检测及仪表图3-16手持通信器的连接示意图

3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

实现的功能（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断

53（1）组态设定变送器的工作参数，包括测量范围、线性或平方根输出、单位选择向变送器输入信息性数据，以便对变送器进行识别与物理描述，包括给变送器指定工位号、描述符等。（2）测量范围的变更远程更改测量范围。（3）变送器的校准包括零点和量程的校准（4）自诊断当出现问题时变送器将报警。手持通信器可询问变送器，确定问题所在。变送器向手持通信器输出特定的信息，以识别问题，从而可以快速地进行维修。HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移调制信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.