热工测量技术(3压力)

《热工测量技术A》

第3部分

压力、差压测量

及仪表

第3章

概述、微压计、压力和差压传感器和变送器、压力计的校验等第3章压力和差压测量

3.1压力、差压的概念及单位

3.2液柱式压力计

3.3弹性元件及弹性压力表

3.4应变电阻和压电式传感器

3.5压力和差压变送器

3.6活塞式压力计及压力计的校验和使用

第3章压力和差压测量第3部分

压力、差压测量及仪表本章提要

压力和差压是工业生产过程中经常需要检测的重要参数之一。检测压力的方法有很多，本章将讨论在工业生产和实验中使用较多的几种压力检测原理和方法。另外还介绍某些压力仪表和压力、差压变送器在实际生产中的应用。最后还对压力仪表的校验、安装及使用知识进行一些介绍。

第3章压力和差压测量

3.1压力、差压的概念及单位3.1.1压力和差压的概念

在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力，即物理学上所说的压强。而差压是指两个测量压力之间的差值，也就是压力差，本应叫做压差，但工程习惯上把这叫做差压。

3压力和差压测量

第3章压力和差压测量3.1压力、差压的概念及单位3.1.1压力和差压的概念：

在压力测量中，有绝对压力、表压力、负压力（真空度）之分。绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用PO表示。绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即：

PI=PA-PO（3.1）

第3章压力和差压测量3.1压力、差压的概念及单位各种压力表示关系图：完全真空（或宇宙真空）大气压（PO）（地球表面）绝对压力

（PA）真空度表压力（PI

）差压△P表示标准点表示任意压力

第3章压力和差压测量3.1.2压力的单位：

压力在国际单位中的单位是牛顿/米2（N/m2），通常称为帕斯卡或简称帕（Pa）。

工业上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为压力的单位。一些习惯用的压力单位：工程大气压（kgf/cm2）；

标准大气压（760mmHg）；

毫米水柱（mmH2O）；

毫米汞柱（mmHg）；

巴（毫巴）（bar或mbar）；

磅力/英寸2

（bf/in2）。3.1压力、差压的概念及单位

第3章压力和差压测量压力单位帕(pa)工程大气压(kgf/cm2)标准大气压(atm)毫米水柱(mmH2O)毫米汞柱(mmHg)毫巴(mbar)磅力/英寸2(bf/in2)1帕(pa)11.019716×10-50.986924×10-50.10197160.75006×10-21.0×10-21.450442×10-41工程大气压

(kgf/cm2)0.98066×10510.9678411.0×104735.56980.66514.223891标准大气压

(atm)1.01325×1051.0332311.033227×1047601013.2514.69591毫米水柱

(mmH2O)9.80661.0×10-40.9678×10-410.0735560.09806651.4223×10-31毫米汞柱

(mmHg)133.3221.35951×10-31.316×10-313.595111.3332241.934×10-21毫巴(mbar)1001.019716×10-30.986923×10-310.197160.7500611.450442×10-21磅力/英寸2(bf/in2)0.68949×1040.0703070.06804620.70307×103510715618.9491表压力单位换算表

3.1压力、差压的概念及单位

3.2液柱式压力计

液柱式压力测量是以流体静力学理论为基础的压力测量方法。液柱式压力计测压元件主要由装有一定介质液体的玻璃管组成。

特点：结构简单，使用方便，测量精度高，但测量结果只能就地读取，不能进行远传，量程也受限于玻璃管的的高度，应用受到一定的限制。

3.2.1U型管压力计

U型管压力计的结构如下页图所示。3压力和差压测量

第3章压力和差压测量h1Hr1P2P1h2r200图U形管压力计r3.2.1U型管压力计41122334

第3章压力和差压测量该压力计结构十分简单，主要由一个U型玻璃管和左右刻度尺构成，玻璃管内有一定的封液介质。根据流体静力学原理，管两边的静压力应满足平衡方程式：式中A——U形管内孔截面积。U形管压力计的基本公式整理得到：

3.2.1U型管压力计

第3章压力和差压测量如果U形管两边液面上介质为相同气体，其重度为γ0，即γ1=γ2=γ0，则：由于一般封液介质的重度γ﹥﹥γ0，则：

3.2.1U型管压力计

第3章压力和差压测量如果p2是当地大气压，即U形管一端与大气相通，另一端接被测压力，我们就可以直接得到被测压力的表压力：结论：

U形管内两边液面高度差（h1+h2）与被测压力的表压直接成正比。常用的液体介质有水、水银、酒精和四氯化碳等。

U形管测量压力时，造成读取误差的主要因素有：（1）标尺刻度精度。（2）温度误差。（3）安装位置误差。或

3.2.1U型管压力计

第3章压力和差压测量3.2.2单管压力计

单管压力计的工作原理与U形管压力计相同，但它在结构设计上将两边管子的直径做得相差很大，如下页图所示。

粗管的截面积为A1，细管的截面积为A2，则在压力作用下，上升的液体的体积应当与下降液体的体积相等，即有：或:

3.2液柱式压力计

第3章压力和差压测量h1P2P1h2A2A1r0图单管压力计3.2.2单管压力计单管压力计在结构上，当：①A1＞＞A2；②在测量精度要求不是很高时也可以忽略A2/A1的值；③P2与当地大气直通，则所测表压力为：

P1=γh2。

第3章压力和差压测量3.2.2单管压力计根据U形管压力平衡式:即:

第3章压力和差压测量P3P1补图多管式压力计示意图3.2.2单管压力计多管式压力计火力发电厂常用它来测量炉膛和烟道等各处负压。P2P4P6P5

第3章压力和差压测量3.2.3斜管压力计

在测量微小压力或压力差时，由于被测压力很小，为减小读数中的相对误差，可以把测量管倾斜一个角度安放，这样在同样P1的作用下，虽然液面高度h的变化相同，但液柱的长度l被拉长。如下页图所示。液面上升h2与液柱长度l的关系应为：

h2=lsina

3.2液柱式压力计

第3章压力和差压测量lrP1P2h2α图斜管压力计3.2.3斜管压力计

第3章压力和差压测量根据单管压力平衡式：)1(sin1221AAalPP++=g式中α——斜管的倾斜角度；

l——斜管内液柱的长度；

A1——粗管截面面积；

A2——细管截面面积。

是由压力计结构和液体介质重度决定的常数。在P2

为大气压时，表压P1=γlsina

。把常数γsina

作为系数k，则：P1=kl3.2.3斜管压力计

第3章压力和差压测量3.2.4液柱式压力计的误差来源：

液柱式压力计3.2.3斜管压力计封液密度改变未校正重力加速度安装有误大气压力变化环境温度变化毛细现象液柱高度读数误差

压力或差压流体动压的影响

第3章压力和差压测量

3.3弹性元件及弹性压力表

物体在外力作用下如果改变了原有的尺寸或形状，当外力撤除后它又能恢复原有的尺寸或形状，具有这类特性的元件称为弹性元件。利用弹性元件在外力作用下产生的形变可直接进行力或压力的测取。利用弹性元件进行压力测取的仪表种类很多。3压力和差压测量

第3章压力和差压测量

弹性元件是弹性压力计的测压敏感元件。工业上常用的弹性压力计所使用的弹性元件有以下几种：（1）弹簧管式。这是一种常用的弹性测压元件，由于它是由法国人波登发明的所以又称为波登管。它是将一端封闭并且弯成圆弧形的金属管子，管子的截面为扁圆形或椭圆形。（2）波纹管式。这种弹性元件的形状类似于手风琴的褶皱风箱，用金属薄管制成。（3）薄膜式。用金属薄片或橡皮膜做成膜片。各种弹性元件的结构和测量范围见下页表。3.3.1弹性元件

3.3弹性元件及弹性压力表

第3章压力和差压测量

3.3.1弹性元件

第3章压力和差压测量

3.3.2.1概述

⑴弹簧管式压力计由于结构简单，安装方便，测压直接，在实际生产中应用最为广泛。

⑵按弹簧管结构的不同，有单圈弹簧管压力计和多圈螺管弹簧压力计两种。

3.3.2.2弹簧管式压力计工作原理

普通单管弹簧管的原理如下页图所示。3.3.2弹簧管式压力计

3.3弹性元件及弹性压力表

第3章压力和差压测量图单圈弹簧管原理图

3.3.2.2弹簧管式压力计工作原理

第3章压力和差压测量

弹簧管断面为扁圆形或椭圆形的空心管子弯成圆弧形，管的一端为固定端与被测压力相连，另一端密封为弹簧管自由端，当固定端引入压力后，管的扁圆截面有变为圆截面的趋势。

3.3.2.2弹簧管式压力计工作原理

分析:

第3章压力和差压测量

由于弹簧长度一定，将迫使管的弧形角改变而使其自由端随之向外扩张，即变化了L，弹簧管中心角的变化量为Δγ。

根据弹性变形原理，要使弹簧管在被测压力P作用下其自由端的相对角位移Δγ/γ与P成正比，必须保持由弹簧材料和结构尺寸决定的其余参数不变，而且扁圆管截面的长、短轴差距愈大，相对角位移愈大，测量的灵敏度愈高。

分析

第3章压力和差压测量

在2b=2a时，由于1-（2b2/2a2）=0，相对角位移量Δγ/γ=0，这说明具有均匀壁厚的完全圆形弹簧管不能作为测压元件。

3.3.2.2弹簧管式压力计工作原理

注意：

第3章压力和差压测量

设弹簧管受压力作用前的内外半径分别为R1、

R2，中心角为γ；受压力作用后的内外半径分别为R1`、R2`，中心角为γ`；并假设受压力前后弹簧管的弧长基本不变。推导：

3.3.2.2弹簧管式压力计工作原理

则：R1γ=R1`γ`；R2γ=R2`γ`

两式相减可得：γ（R2-R1）=γ`（R2`-R1`）

∵R2-R1=2b；R2`-R1`=2b`

∴2bγ=2b`γ`

第3章压力和差压测量

从图中还可知，弹簧管变形后2b`>2b,γ`<γ，即弹簧管的自由端要发生一个角位移⊿γ。推导

设：b`=b+⊿b;γ`=γ-⊿γ,得

bγ=(b+⊿b)(γ-⊿γ)

变换后得：

则：圆形截面的弹簧管在压力变化时，其自由端不会发生位移。

第3章压力和差压测量3.3.2弹簧管式压力计

如右图所示。当被测压力从接头处输入弹簧管后，弹簧管产生变形，自由端向外伸张，牵动拉杆带动扇形齿轮逆时针偏转，再通过中心小齿轮带动压力计指针在面板上做顺时针转动，与面板上刻度标尺的相对位置则可表示出被测压力的数值。

3.3.2.3弹簧管压力计的仪表结构

第3章压力和差压测量

此外，仪表中游丝的作用是用来克服扇型齿轮和中心小齿轮转动间隙所产生的不良影响，调整螺钉用来调整弹簧位移与扇型齿轮之间的机械转动放大系数，进而调整压力计量程，压力计的零点可以通过指针与针轴的不同安装位置来加以调整，由于弹簧管位移大小与被测压力呈比例关系，因而弹簧管压力表的刻度是线性的。弹簧管压力计一般做成指针式仪表。

3.3.2.3弹簧管压力计的仪表结构

第3章压力和差压测量由于弹簧管在压力作用下的位移相对其它压力敏感元件的位移要小，因而一般都在测量较大压力的场合使用。为增大弹簧管受变形的位移量，提高测压灵敏度，可采用多圈弹簧管结构，其基本原理与单圈弹簧管相同。

3.3.2.3弹簧管压力计的仪表结构

第3章压力和差压测量波纹管是一种形状类似于手风琴风箱，表面有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管。在外部压力作用下，波纹管将产生伸长或缩短的形变。由于金属波纹管的轴向容易变形，所以测压的灵敏度很高，常用于低压或负压的测量中。3.3.3波纹管压力计

3.3弹性元件及弹性压力表

第3章压力和差压测量波纹管压力计如下图所示。

图注：

1—波纹管

2—弹簧

3—推杆

4—连杆机构

5—记录笔

6—记录纸P6453121图波纹管压力记录仪

3.3.3波纹管压力计

第3章压力和差压测量

用两片或两片以上的金属波纹膜组合起来，做成空心膜盒或膜盒组，其在外力作用下的变形非常敏感，位移量也较大。因此，用空心膜盒测压元件组成的压力计常用来测量1000mmH2O以下无腐蚀性气体的微压，如炉膛压力、烟道压力等。膜盒式微压计的结构原理如书中图所示。3.3.4膜盒式微压计

3.3弹性元件及弹性压力表

第3章压力和差压测量

弹性元件的特性（误差分析）

弹性元件是弹性压力计中的敏感元件，它的特性直接关系到压力计性能的好坏。弹性元件工作在弹性范围内，而且弹性元件工作的安全系数(——弹性极限压力，——工作压力的上限)一般在2以上。尽管如此，由于弹性元件的不完全弹性方面的特性，如蠕变、弹性迟滞、弹性后效以及温度特性等都将直接影响到压力计的性能，使测量产生误差。(1)蠕变和疲劳形变弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。(2)弹性迟滞

弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。

(3)弹性后效

当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。

（a）弹性迟滞；（b）弹性后效；（c）弹性滞环

(4)输出-输入特性目前只是通过实验和理论相结合的方法，得出弹性元件的输出—输入关系。对于膜片和膜盒，其输出-输入关系一般是非线性的。实用的平面膜片位移不超过0.1mm时，可以使输出-输入的关系达到较好的线性程度，即对于波纹膜片，其弹性位移与被测压力关系为

对于弹簧管，经过精心设计制造加工后，在一定压力范围内，其输出-输出关系一般为线性。对于截面是扁圆结构的弹簧管，其自由端弹性位移与被测压力的关系为

(5)温度的影响由于温度的变化，弹性元件材料的弹性模量相应变化，所以弹性元件的刚度发生变化，这将影响弹性元件的输出特性。很容易理念，温度升高，刚度减小，灵敏度增大，压力表示值将会偏离。由于温度对弹性元件输出特性的影响，所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围。

不论是弹簧管、波纹管、膜盒压力计都是将外部压力转换为位移量进行直接压力读取。如果在此基础上，将位移信号再进行电量的转换，构成压力-位移-电量的变换，就可以使被测压力信号转换为对应的电信号。显然，以电信号（电流或电压）来反映压力3.3.5弹性式远传压力计

3.3弹性元件及弹性压力表

第3章压力和差压测量

的大小，可以非常方便地实现信号的远传、显示和控制，也可以与其它的检测装置、控制装置一起，通过计算机或微处理器，实现信号的综合、运算，完成各种控制处理。将弹性元件在压力作用下产生的位移转换为电信号的方法有很多。实际上，在电工学和物理学中我们知道，位移变换可以通过电阻、电容、电感、霍尔电势、光电等方法进行测量，用这些不同方法就可以构成不同的弹性元件远传压力计。

3.3.5弹性式远传压力计

第3章压力和差压测量

霍尔片式远传压力计侧压的实质是利用霍尔片压力传感器实现压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔片是一块半导体（例如锗）材料所制成的薄片，如书中图所示。在霍尔片的z轴方向上加一磁感应强度为B的恒定磁场，如果在y轴方向上加上直流恒压电源，使恒定电流I在霍尔片中沿y轴通过，则霍尔片内电子将逆y轴方向运动，在外部电磁场的作用下，片内电子在运动过程中必然产生偏移，3.3.5.1霍尔片式远传压力计3.3.5弹性式远传压力计

第3章压力和差压测量这样造成霍尔片x轴两个端面上一面有电子积累，而另一面正电荷过剩，从而在霍尔片x轴方向出现电位差，这一电位差称为霍尔电势VH，这一物理现象称为霍尔效应。应用霍尔效应原理，使用弹簧管压力形变结构，组成霍尔片式远传压力计，如下页图

所示。当被测压力P引入弹簧管固定端后，与弹簧管自由端相连的霍尔片输出电势不再为零。由于沿霍尔片偏移方向磁场强度的分布呈线性状态，所以霍尔片的输出电势与弹簧管的变形伸展也为线性关系，即与被测压力P成线形关系。随外部输入压力P变化而线性变化的霍尔电势大小为0~20mV，可直接送入动圈式仪表或自动平衡记录仪进行压力显示，也可以放大转换为4~20mV直流标准电流信号进行远传。3.3.5.1霍尔片式远传压力计

第3章压力和差压测量3.3.5.1霍尔片式远传压力计

霍尔片式远传压力计基本结构及基本工作原理：

第3章压力和差压测量

将压力位移转换为电感量的变化，是电感式远传压力计的基本设计思想。参阅P.129～P.1313.3.5.2电感式远传压力计3.3.5弹性式远传压力计

第3章压力和差压测量

3.4应变电阻和压电式传感器

3.4.1应变电阻传感器

应变电阻传感器由应变电阻和测量线路两部分组成,其中应变电阻片感应被测量压力(包括扭矩、荷重、拉力),并在外力作用下产生弹性变形导致电阻值发生改变,它是将力转换成电阻变化的检测元件;测量线路将变化的电阻转换为电信号,实现被测压力的最终指示和信号远传。由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应快，既可用于静态测量，又可用于动态测量，尺寸小、重量轻，能在各种恶劣环境下可靠工作，所以被广泛地用于各种力的测量仪器和科学实验中。目前，工程实践中使用最广泛的应变电阻片有两类：电阻丝应变片和半导体应变片。3压力和差压测量

第3章压力和差压测量3.4.1.1电阻丝应变片

电阻丝应变片主要是由直径0.02～0.04mm的高电阻率电阻丝制成。如下页图所示，电阻丝被平铺并紧贴在薄纸或薄膜制成的基底上，两端焊接引出导线，上面覆盖一层与基底相同的材料作为保护片。电阻丝材料有康铜、铜镍合金的，适用于300℃以下静态测量用；还有镍铬合金、镍铬铝合金的，适用于450℃以下的静态测量或800℃的动态测量用。电阻值一般为120Ω，也有200Ω或300Ω的。3.4应变电阻和压电式传感器

第3章压力和差压测量4312

图应变电阻片

1—基片；2—电阻丝；

3—覆盖层；4—引线。3.4应变电阻和压电式传感器

第3章压力和差压测量brl(a)lb(b)l(c)图常见的几种金属应变片形状

3.4应变电阻和压电式传感器

第3章压力和差压测量

3.4.1.2半导体应变片

半导体应变片的灵敏度比金属电阻高约50倍，它利用半导体材料的电阻率在外加应变力作用下而发生改变的压阻效应，可以直接测取很小的应变。当外部应力作用于半导体时，由压阻效应引起的电阻变化大小不仅取决与半导体的类型和载流子浓度，还取决于外部应力作用于半导体晶体的方向。半导体应变片的电阻很大，可达5～20kΩ，此外它的频率响应高，时间响应快，响应时间可达10－11数量级，所以常常用半导体应变片制作高频率传感器。用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷化镓等，由于硅和锗压阻效应大，一般使用较多的半导体材料是硅和锗。半导体的应变灵敏度一般随杂质的增加而减小，温度系数也是如此。值得注意的是，对于同一材料和几何尺寸制成的半导体3.4应变电阻和压电式传感器

第3章压力和差压测量

应变片的灵敏系数不是一个常数，它会随应变片所承受的应力方向和大小不同而有所改变，所以材料灵敏度的非线形较大。此外，半导体应变片的温度稳定性较差，在使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。

3.4应变电阻和压电式传感器

第3章压力和差压测量

3.4.2压力式传感器

3.4.2.1压电效应

3.4.2.2压电式力传感器

第3章压力和差压测量

3.5压力和差压变送器

3.5.1电容式差压变送器

3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器3压力和差压测量

第3章压力和差压测量电容式压力(差压)变送器1.概述

1151系列电容式压力(压差)变送器是我国引进美国罗斯蒙特公司技术并自己开发生产的一类新型压力(差压)变送器。特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。应用：使用在电力、石油、化工等各领域的生产过程中。在火力发电厂使用1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的趋势。组成：变送器由两部分组成：差动式压力(差压)—电容转换和测量电路。差动式压力(差压)—电容转换是将被测压力(差压)转换成差动变化的电容CL、CH，其结构如图所示。

2.结构感压元件是膜片，它是能产生弹性变形的极板。两电容的固定极板为球面形结构。测量膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个小室，称为室，两室结构对称。固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面，并在该表面镀上一层金属薄膜而成。金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线。测量膜片与固定极板形成的电容在30～150pf范围内。室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通，室和隔离腔室内充有硅油。

差动式压力(差压)—电容转换关系1、2一固定电极；3一测量膜片；4、5-隔离膜片；6一隔离膜片；．5一密封圆；7一绝缘体；8—硅油；11—外壳，10一电容引出线；

部分1151电容式压力（差压）变送器

3.测量电路及工作原理

测量电路的任务是将电容变化量转换成4～20mA，DC输出，输出特性是线性的。电路能实现仪表零点、量程、阻尼、线性等调整。1151系列变送器有三种测量电路：E型(普通型)J型(有开平方功能)、F型(用于微差压测量)。现以E型电路为例分析其转换工作原理，电路组成原理框图如图所示。

变送器测量电路原理框图

测量电路由解调器、振荡控制放大器、振荡器、基准电压电路、调零电路、量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路、电流限止电路、阻尼调整电路、反极性保护电路等组成。

测量电路的作用：

一是完成电容—电流的转换，转换成的电流为直流并与成正比。这由解调器、振荡器、振荡控制放大器完成。

二是对转换成的直流电流信号进行控制放大使之成为4～20mA，DC输出，并能实现零点、量程、阻尼调整等功能。这由调零电路、量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路(功率放大)、阻尼调整电路等完成。

三是输出电流限制和外接电压保护功能，这由电流限制电路和反极性保护电路完成。

四是线性调整功能，这由线性调整电路完成。(1)电容—电流转换将一个载有信号的电容转换成电流信号，在此采用的方法是对电容回路供以稳定的交流电压。当电容量变化时，流过电容的电流也随之发生变化，该电流即载有信号电流，显然这要求供电的交流电压应稳定。由于传感电容的电容量较小(30～150pF)，只有供电电压频率较高时才可能获得大的信号电流。因此电容—电流的转换采用高频振荡器供电。为保证振荡器的输出电压稳定，采用了振荡控制措施。从控制角度看，这种控制是定值调节系统。在振荡控制放大器的输入端放置一定值电压，校调量是振荡器输出电压。输出电压反馈到振荡控制放大器的输入端作为控制信号，该信号是由解调器输出的共模电流在振荡控制放大器输出端的电阻网络上产生的，这是解调器完成的一个任务。完成的另一任务是输出差模信号电流，该电流代表，输出到电流控制电路进行控制放大，转换成4～20mA，DC。以下分析解调器输出及振荡控制的工作原理，电路如图所示。设、为振荡电压正半周期时流过、的电流，、为负半周流过、的电流，其电流方向如图3-21中所示。L3、L4、L5是振荡器的输出线圈。‘正半周期时，电流的流通路径为：L5的上端→V2、V6→→C15→RS∥C14→L5的下端；电流的流通路径为：L4的上端→V3、V7→→Cl5→R10∥R11→L4的下端。‘的负半周期时，的流通路径为：L3的下端→R12∥R13→C15→→V5、V1→L3的上端；的流通路径为：L5的下端→RS∥C14→Cl5→→V8、V4→L5的上端。

(2)电流控制放大及电流转换电流控制放大器及电流转换电路一起构成输出4～20mA，DC电流的控制回路。它是深度负反馈的控制回路，如图3-25所示。电流控制放大器的输入端信号(不论是同相端还是反相端)均以G点为参考点。加到反相端的输人信号有：C点与G点之间的电压信号Up。Up是由分压电阻R14提供的，相对于G点Up是负值。加到同相端的输入情号有：解调器输出的差模电流Is(测量信号电流)形成的电压为RsIs，Rs是等效电阻。输入放大器同相端的信号电压为：-RsIs(相对于G点是负值)。调零电路在放大器同相端产生的电压为KUU0(KU为分压系数)，相对于G点为负值。以上三个电压是电流控制放大器的输入电压。整机输出电流I0通过量程电路反馈到电流控制放大器同相端的反馈电压为I0。

(3)电流限制电路电流限制电路由晶体管V2电阻R18、R19组成。电路的作用是限制功率放大器过大的输出。当功率放大器输出过大时，流过R34的电流变大，因此V2集电极电位下降，使V2达到饱和状态，从而增大了V2对功放的分流效果，使功率放大器的输出受到限制。电路设计使整机输出电流不会大于30mA，DC。另外，电流限制电路还提供直流电压输出作为放大器Al、A2、A3的电源电压。(4)反极性保护电路稳压二极管V8构成外接电源极性反接的保护电路。当外接电源E极性反接时，V8构成顺向通路，这样不致于损坏仪表电路。(5)阻尼电路阻尼电路由R31、R32、C18和电位器RP2构成，其作用是抑制被测介质信号脉动变化时而引起的输出电流过大的波动。该通路为信号交流负反馈通道；

4.仪表的调整及使用(1)测量电路仪表的测量电路在结构上做成了插件板形式，有检测板、补偿板、调整板、放大电路板等。检测板装有解调电路的二极管，并接有检测变换电容CL、CH，一般情况下，它不可随意拆下。补偿板上是量程补偿电阻R1、R2以及稳压温度电阻R25、R26、R27。调整板也是零点调整和量程调整电路。测量电路及其他电路均在放大电路板上。调整扳和放大电路板与其他型号的调整板子放大电路板可互换，互换后要对仪表进行全面的校验。

(2)零点与量程调整调整电位器RP3可以调整仪表的零点电流。当需要进行零点迁移时，应先对插孔SZ或EZ进行短接(粗调)，之后再仔细调整RP3，使之达到要求。量程的调整是通过电位器RP4的调整实现的，改变RP4的滑动端即改变了系统的反馈系数。零点与量程的调整要反复进行几次才能最后确定。(3)线性调整在放大电路板上有线性调整电位器，仪表出厂时已经按调整量程调到最佳状态，一般不需再进行调整。如果要求在某一特定的测量范围内有较好的线性特性时，则需要重新调整。(4)阻尼调整调整放大电路板上的RP2可以改变仪器的阻尼特性，调整范围为0.2～1.66s，仪表出厂时调到0.2s状态。阻尼时间的调整可在现场进行。如果仪表输出波动较大，应进行增加阻尼时间的调整。(5)仪表负载特性仪表运行的允许负载与使用的仪表电源电压有关，

5.变送器的特点(1)变送器无机械传动和机械反馈机构，与力平衡式压力(差压)变送器比较起来，它结构简单，使用维护方便，精确度高。(2)变送器的测量敏感部件采用平面膜片，两侧球面形极板为固定极板，结构对称，利用膜片受压后产生弹性位移，差动式改变两侧电容的变化。球面形对称性结构和微位移使输出有较好的线性特性。(3)测量电路众多采用线性集成元件，线路简单，性能好，整机的调整均通过测量电路，调整方便。3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器

3.5.2.1概述

3.5.2.2扩散硅压阻式变送器的基本构成

3.5.2.3扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析

3.5.2.4扩散硅压力变送器的测量电路

3.5压力和差压变送器

第3章压力和差压测量3.5.2.1概述

⑴引言随着半导体集成电路制造工艺的扩散技术日趋成熟，将敏感元件和应变材料合二为一制成的扩散型压阻式传感器则应运而生。由于这类传感器的应变电阻和基底都是用半导体硅制成，所以又称为扩散硅压阻式传感器。该类传感器是在半导体基片上很方便地将一些温度补偿、信号处理和放大电路等集成制造在一起，就构成为集成式的传感器或变送器。所以，扩散硅压阻式传感器一出现就受到人们普遍重视，发展很快，目前这类传感器已经在力学量传感器中占据了重要地位。

3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器

第3章压力和差压测量

⑵特点：

①该传感器或变送器采用IC（集成电路）技术；②准确度高；③线性度好；④适用范围广；⑤体积小、重量轻、结构简单；⑥价格便宜。

3.5.2.1概述

第3章压力和差压测量感压部件（压阻）测量电路被测压力压阻阻值变化量输出信号（4～20mAD.C）(ΔR)（P、ΔP）变送器图扩散硅压阻式变送器框图

3.5.2.2扩散硅压阻式变送器的基本构成3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器

第3章压力和差压测量

3.5.2.3扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析：12345P1—低压腔；2—高压腔；3—硅杯；4—引线；5—硅膜片。图压阻式压力传感器结构⑴感压部件结构：3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器

第3章压力和差压测量

它主要有外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成，其核心部分是一块圆形的硅膜片。

在硅膜片上，用半导体制造工艺中的扩散掺杂法做成四个阻值相等的电阻，构成平衡电桥，再用压焊法与外引线相连。

3.5.2.3扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析⑵感压部件结构分析：

第3章压力和差压测量

膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔和大气相连通；如果测压力，低压腔和大气相连通；如果测压差，则与被测系统的低压端相连。

当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应电压。由于该不平衡电压大小与膜片两边的压力差成正比，从而可以测取膜片所受压力差值。

⑵感压部件结构分析

第3章压力和差压测量

⑶感压部件工作原理分析

①半导体压阻片的测压原理：已知：一段长度为l，截面积为A，电阻率为ρ的电阻体，其电阻值R为：3.5.2.3扩散硅压阻式压力传感器（感压部件）原理分析

对于半导体电阻体，当受到机械变形时，电阻率的相对变化率Δρ/ρ远大于外形尺寸l，A的相对变化率，故半导体的电阻变化率主要由压阻效应造成的，即：

……①

……②

第3章压力和差压测量由于半导体的电阻变化率主要由晶体中载流子数目和其平均迁移率大小来决定的。因此，受到应力作用后，载流子的数目和平均迁移率都要发生变化，而且还与作用在晶格上应力的作用方向有关。对于简单的纵向拉伸和压缩，其电阻率可用下式表示：

式中：αL：—

半导体材料的纵向压阻系数；

σ：—半导体压阻片的纵向应力。①半导体压阻片的测压原理

……③

第3章压力和差压测量①半导体压阻片的测压原理

半导体压阻片，受压后，产生的内应力σ和其弹性变形的相对值（应变ε），在弹性限度之内是成正比的，即：

……④

式中：E：—

半导体材料的弹性模量。

由式②，③，④得：

……⑤

式中：K1=αLE，为半导体压阻片的灵敏系数。通常随温度升高而下降，使用中应注意温度补偿。

第3章压力和差压测量

式中：K2：—

结构常数，通常与弹性元件的结构形状、材料性质及压阻片在弹性元件上的位置有关。①半导体压阻片的测压原理

由式⑤得可看出半导体压阻效应中应变量与电阻变化率的关系。当半导体压阻片与弹性元件处于一体,因受压而发生同一应变时,应变量ε与被测压力Py

成正比：

……⑥

第3章压力和差压测量

将⑥代入⑤得：①半导体压阻片的测压原理

式中：K=K1K2：—

为常数。式⑦说明半导体压阻片的电阻变化率与被测压力成正比；这就是扩散硅压力变送器的基本工作原理。

……⑦

第3章压力和差压测量

②扩散硅压阻元件：

Ⅰ扩散硅压阻片如下图所示：

1N型单晶硅；2第一次SiO2涂层；3扩散P型区；4导线连接处；5第一次SiO2涂层。

⑵感压部件工作原理分析51234图扩散硅压阻片图示

第3章压力和差压测量

Ⅱ

单晶硅膜片如下图所示：

ⅰP型四个电阻在硅膜片上的分布图示：

②扩散硅压阻元件12345678RARCRDRB

第3章压力和差压测量

ⅱP型四个电阻在硅膜片上的分布位置：

②扩散硅压阻元件Φ=5mmα[100][110]固紧环RARDRBRC

第3章压力和差压测量

Ⅲ

单晶硅膜片图示分析：

ⅰ电桥桥臂电阻RA、RB、RC、RD都是径向布置的；

ⅱ电阻RA、RD分布在晶轴[110]（X≈0）处；

ⅲ电阻RB、RC分布在晶轴[100]的α=40˚～59˚31´处；

ⅳ当硅膜片均匀受压时，四个电阻可得到对称变化，即：

RA=RD=R0+ΔR……⑧

RB=RC=R0–ΔR……⑨

式中:R0

：—未受压时，四个电阻的静态值；

ΔR：—测量时，四个电阻增量的绝对值。

②扩散硅压阻元件

第3章压力和差压测量

3.5.2.4扩散硅压力变送器的测量电路RAU0R1+-BGIc功率放大差动放大RfRBRDRC1mA3~19mACABD（恒流源）E+-

图扩散硅压力变送器的测量线路原理图3.5.2扩散硅型压阻式传感器及变送器

⑴

扩散硅压力变送器的测量线路原理结构图:Rfz

第3章压力和差压测量

3.5.2.4扩散硅压力变送器的测量电路

⑵

扩散硅压力变送器的测量线路原理分析:

①

电阻Rfz

为负载电阻，被测压力（差压）在全量程范围变化时（相应压敏电阻的变化量为ΔR），变送器输出统一信号4~20mADC。采用电桥原理是为了获得变送器的线性输出。并有利于环境温度补偿。采用1mA恒流源是为了进一步减小非线性误差。②由于四片压敏电阻是对称的，在电桥平衡状态下具有良好的温度补偿作用。取对称桥臂电流各为0.5mA。③变送器在起始刻度时，电阻R1

上电流近似为0.5mA，电阻Rf

上电流为（0.5+3）mA，电阻R1

与电阻Rf

之比约为：

……⑩

第3章压力和差压测量

⑵

扩散硅压力变送器的测量线路原理分析

④

电阻Rf

为电路的负反馈电阻，可调整仪表的满刻度输出。电路的灵敏度为：

……11

式中：ΔIc—全量程（各压敏电阻变化ΔR

）下，功放级输出电流的最大变化量（19–3=16mA）；—压敏电阻在满量程时的最大电阻变化率，其值正比于被测压力Py

。

第3章压力和差压测量３.６.１活塞式压力计及压力计的校验

为了保证压力测量值的统一，必须要有国家级的压力基准，以此作为压力测量的最高标准。压力基准是用活塞压力计建立起来的，同时从国家基准到工业现场压力仪表的校验、标定传递系统中，作为标准压力计量仪器的活塞式压力计占有重要的地位。活塞式压力计的结构原理如下页图所示。

３.６活塞式压力计及

压力计的校验和使用

第3章压力和差压测量3压力和差压测量24138567910图活塞式压力计

活塞式压力计的结构原理图

第3章压力和差压测量

３.６活塞式压力计及压力计的校验和使用压力表校验：

在压力表校验时，通过手轮对加压泵内的油液加压，根据流体静力学中液体压力传递平衡原理，该外加压力均匀传递到活塞缸内顶起活塞。由于活塞上部是承重盘和砝码，当油液中的压力P产生的活塞上顶力与承重盘和砝码的重力相等时，活塞被稳定在某一平衡位置上。

３.６.１压力计的校验

第3章压力和差压测量这时力平衡关系为：

式中：A——测量活塞的截面积；

G——承重盘和砝码（包括活塞）的总重量；

P——被测压力。一般取Ａ＝１ｃｍ2或０.１ｃｍ2，因而可以方便而准确地由平衡时所加砝码和承重盘本身重量知道被测压力Ｐ的数值。压力表校验

第3章压力和差压测量通过被测压力表上的压力指示值与这一标准压力值Ｐ相比较就可知道被校压力表的误差大小。

活塞缸内的油液一般采用洁净的变压器油或蓖麻油等就可知道被校压力表的误差大小。

作为压力标准的活塞压力计精度为0.002％。此外还有作为国家基准器的活塞压力计。

它是由３台活塞压力计组成的一组仪器，检定时要进行互相对比测量，最高精度为0.005％，一等标准精度为0.05％，二等标准精度为0.2％。一般工业用仪表，用三等精度活塞压力计校准。压力表校验

第3章压力和差压测量3.6.2.1压力测量仪表的选择3.6.2.1压力测量仪表的安装使用要求

3.6.2压力测量仪表的选择安装使用

第3章压力和差压测量

３.６活塞式压力计及压力计的校验和使用⑴压力测量仪表种类的选择

①被测介质的性质

Ⅰ流动或静止；Ⅱ黏性；Ⅲ温度；Ⅳ液体或气体；Ⅴ是否具有腐蚀、爆炸和可燃性等。②对仪表输出信号的要求

就地或远传③压力测量仪表的使用环境

Ⅰ振动；Ⅱ温度；Ⅲ湿度；Ⅳ是否具有腐蚀、爆炸和可燃性等。

3.6.2.1压力测量仪表的选择

第3章压力和差压测量3.6.2压力测量仪表的选择安装使用⑵仪表量程的选择

①按系列生产；量程上限为：1、1.6、2.5、4.0、6.0KPa以及它们的10n倍数（n为整数）；②为保证精度，量程上限即不能取太大和太小；