压力变送器的原理

压力变送器的原理

力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利

水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、

管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用

1、应变片压力变送器原理与应用

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力变送器、半导体应变片压力变送器、压阻式压力

变送器、电感式压力变送器、电容式压力变送器、谐振式压力变送器及电容式加速度传感器

等。但应用最为广泛的是压阻式压力变送器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线

性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式压力变送器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将

被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部

分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又

有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生

力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻

值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常

较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理

电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构

如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保

护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻

的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过

高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。

而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现

象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：p-----金属导体的电阻率（Q?cm2/m）

S导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上

式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，

而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电

阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金

属丝的应变情

2、陶瓷压力变送器原理及应用

抗腐蚀的压力变送器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小

的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的

压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标

准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼

容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿。〜

70℃,并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它

的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达W0〜135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度＞2kV,输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力

变送器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用

户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力变送器。

3、扩散硅压力变送器原理及应用

工作原理

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶骁），使膜片产生与介质压力成正

比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对

应于这一压力的标准测量信号。

4、蓝宝石压力变送器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，

硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000OC以内），因此，利

用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好

的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，

因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工

作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和压力变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异

质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接

收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在•起）。在压力的作用下，钛合金

接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的

幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号

输出（0-5,4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和压力变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷

基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达

到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧

化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电

性质•直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里

点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其

他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温

和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿

度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钢压电陶瓷、PZT、锯酸

盐系压电陶瓷、铝镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用

后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以

这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加

速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感

器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航

空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测

量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的

膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制

成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

热电偶技术标准

（S型热电偶）伯铭10-钳热电偶

钳格10-钳热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-

0.015mm,其正极（SP）的名义化学成分为钳铐合金，其中含钱为10%,含粕为90%,负

极（SN）为纯伯，故俗称单钳错热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃,短期最高

使用温度为1600℃o

S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优

点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰

性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期

以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国

际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。

S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染

非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（R型热电偶）伯铭13-伯热电偶

钳馅13-伯热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-

0.015mm,其正极（RP）的名义化学成分为粕铝合金，其中含钱为13%,含钳为87%,

负极（RN）为纯钳，长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。

R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等

优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰

性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进

口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。1967年至1971年间，英国NPL,美国

NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性

和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。

R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，时污

染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。

（B型热电偶）珀错30-伯错6热电偶

销钱30-销错6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许

偏差-0.015mm,其正极（BP）的名义化学成分为粕错合金，其中含错为30%,含伯为70

%,负极（BN）为钳铐合金，含镂为量6%,故俗称双钳馅热电偶。该热电偶长期最高使用

温度为1600C,短期最高使用温度为1800℃。

B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测

温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气

氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补

偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3pV。

仪表小常识之五

性能特性performancecharacteristic

确定仪器仪表功能和能力的有关参数及其定量的表述。

参比性能特性referenceperformancecharacteristic

在参比工作条件下达到的性能特性。

范围range

由上、下限所限定的一个量的区间。

注："范围"通常加修饰语。例如：测量范围，标度范围。它可适用于被测量或工作条件等。

测量范围measuringrange

按规定准（精）确度进行测量的被测量的范围。

测量范围下限值measuringrangelowerlimit

按规定准（精）确度进行测量的被测量的最小值。

测量范围上限值measuringrangehigherlimit

按规定准（精）确度进行测量的被测量的最大值。

量程span

范围上限值与下限值的代数差。例如：范围为-20C至100C时，量程为120℃。

标度scale

构成指示装置…部分的一组有序的标度标记以及所有有关的数字。

标度范围scalerange

由标度始点值和终点值所限度的范围。

标度标记scalemark

指示装置上对应于一个或多个确定的被测量值的标度线或其它标记。

注：对于数字示值，数字本身等效于标度标记。

零［标度］标记zeroscalemark

同义词：零标度线。

标度盘（板）上标有"零"数字的标度标记或标度线。

标度分格scaledivision

任何两个相邻标度标记之间的标度部分。

标度分格值valueofscaledivision

又称格值。

标度中对应两相邻标度标记的被测量值之差。

标度分格间星巨scalespacing,lengthofascaledivision

沿着表示标度长度的同一线段上所测得的任何两个相邻标度标记中心线之间的距离。

标度长度scalelength

在给定的标度上，通过所有最短标记中点的线段在始末标度标记之间的长度。

注：此线段可以是实在的或假想的曲线或直线。

标度始点值minimumscalevalue

标度始点标记所对应的被测量值。

标度终点值maximumscalevalue

标度终点标记所对应的被测量值。

标度数字scalenumbering

标在标度上的整组数字，它对应于标度标记所确定的被测量值，或只表示标度标记的数字

顺序。

线性标度linearscale

标度中各分格间距与对应的分格值呈常数比例关系的标度。

注：标度分格间距为常数的线性标度称为规则标度。

非线性标度nonlinearscale

标度中各标度分格间距与对应的分格值呈非常数比例关系的标度。

注：某些非线性标度有专门的名称，例如对数标度、平方律标度。

抑零标度suppressed-zeroscale

标度范围内不包含与被测量零值相对应的标度值的标度。例如：医用温度计的标度。

扩展标度expandedscale

标度范围内，不成比例的扩展部分占了大部分标度长度的标度

仪表基础知识

1.常用标准节流装置（孔板）、（喷嘴）、（文丘利管）。

2.常用非标准节流装置有（双重孔板）、（圆缺孔板）、（1/4圆喷嘴）和（文丘利喷嘴）。

3.孔板常用取压方法有（角接取压）、（法兰取压），其它方法有（理论取压）、（径距取

压）和（管接取压）。

4.标准孔板法兰取压法，上下游取压孔中心距孔板前后端面的间距均为（25.4±0.8）mm,

也叫1英寸法兰取压。

5.1151变送器的工作电源范围（12）VDC至U（45）VDC,负载从（0）欧姆到（1650）欧

姆。

6.1151DP4E变送器的测量范围是（。〜6.2）至ij（0-37.4）Kpa。

7.1151差压变送器的最大正迁移量为（500%）,最大负迁移量为（600%）。

8.管道内的流体速度，一般情况下，在（管道中心线）处的流速最大，在（管壁）处的流速

等于零。

9.若（雷诺数）相同，流体的运动就是相似的。

10.当充满管道的流体流经节流装置时，流束将在（缩口）处发生（局部收缩），从而使（流

速）增加，而（静压力）降低。

11.1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于是

低压侧的电容量（增加），高压侧的电容量（减少）

12.1151差压变送器的最小调校量程使用时，则最大负荷迁移为量程的（600%）,最大正

迁移为（500%）,如果在1151的最大调校量程使用时，则最大负迁移为（100%）,正

迁移为（0%）。

13.1151差压变送器的精度为（±0.2%）和（±0.25%）。注：大差压变送器为±0.25%

14.常用的流量单位、体积流量为（m3/h）、（t/h）,质量流量为（kg/h）、（t/h）,标准

状态下气体体积流量为（Nm3/h）。

15.用孔板流量计测量蒸汽流量，设计时，蒸汽的密度为4.0kg/m3,而实际工作时的密度为

3kg/m3,则实际指示流量是设计流量的（0.866）倍。

16.用孔板流量计测量气氨流量，设计压力为0.2MPa（表压），温度为20℃,而实际压力

为0.15MPa（表压），温度为30℃,则实际指示流量是设计流量的（0.897）倍。

17.节流孔板前的直管段一般要求（10）D,孔板后的直管段一般要求（5）D,为了正确测

量，孔板前的直管段最好为（30〜50）D,特别是孔板前有泵或调节阀时更是如此。

18.为了使孔板流量计的流量系数a趋向定值，流体的雷诺数应大于（界限雷诺数）。

19.在孔板加工的技术要求中，匕游平面应和孔板中心线（垂直），不应有（可见伤痕），

上游面和下游面应（平行），上游入口边缘应（锐利无毛刺和伤痕）。

20.图中的取压位置，对于哪一种流体来说是正确的？（A）

A.气体B.液体C.蒸汽D.高粘度流体E.沉淀性流体

原理：测量气体时，为了使气体内的少量凝结液能顺利地流回工艺管道，而不流入测量

管路和仪表内部，取压口应在管道的上半部，即图中1处。

测量液体时，为了让液体内析出的少量气体能顺利返回工艺管道，而不进入测量管路

和仪表内部，取压口最好在与管道水平中心线以下成0〜45度夹角内，如图中2处。

对于蒸汽介质，应保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时也防止工艺管道底部的固体

介质进入测量管路和仪表内，取压口最好在管道水平中心线以上成0〜45度夹角内，如图

中3处。

21.灌隔离液的差压流量计，在开启和关闭平衡阀时，应注意些什么？什么道理？

答案：对于隔离液的差压流量计在启用前，即在打开孔板取压阀之前，必须先将平衡阀门切

断，以防止隔离液冲走，在停用时，必须首先切断取压阀门，然后方可打开平衡阀门，使表

处于平衡状态。当工艺管道中有流体流动时，在节流装置两边便有差压存在，对于灌隔离液

的仪表，若是两个取压阀门都是打开的话，此种情况类似"U"型管中液体不能连通，正压端

压不进，负压端抽不出，能保证"U"型管中的液体不会跑掉。所以灌隔离液的流量差压计，

强调注意平衡阀门的相对位置，其道理也就在这里。

22.何谓差压变送器的静压误差？

答案：向差压变送器正、负压室同时输入相同压力时，变送器的输出零位会产生偏移，偏移

值随着静压的增加而发生变化，这种由于静压而产生的误差，称为静压误差。

23.试述节流装置有哪几种取压方式？

答案：1.角接取压2.法兰取压3.理论取压4.径距取压5.管接取压。

24用差压变送器测流量时，何种条件卜需要安装封包？如何安装？

答案：当被测介质是有腐蚀性的气体或液体时，为了保护差压变送器的膜盒和测量导管不被

腐蚀需要加装封包；当被测介质是粘性介质时，为了保证测量准确，也需安装封包。封包与

节流件的连接口为“进口”，与测量导管的接口为“出口”，则被测介质密度小于封液密度时，

封包要“上进下出”，则被测介质密度大于封液密度时，封包要“下进上出”。

量计技术论文

一种新型的车载音速喷嘴气体流量检定系统DouglasE.Dodds摘要：本文介绍了•

种新型的车载气体涡轮流量计检定系统。该系统由计算机控制一台数控喷嘴切换阀，可以根

据流量计的口径自动选择11个音速喷嘴中的任一个对气体涡轮流量计在工况条件下进行检

定；同时该系统中还有一台气相色谱仪与音速喷嘴结合起来完成气体质量流量的运算。文章

中还介绍了用音速喷嘴检定气体涡轮流量计的质量流量公式和客枳流量公式，以及检定系统

的工艺流程图。采用该系统检定气体涡轮流量计，可以由计算机直接进行温度、压力修正，

提高检定准确度。-、简介Arkla管道集团研究了一种车载音速喷嘴检定装置，可以

在实际工作条件下检定气体涡轮流量计，检定的流量计口径在3-16in。这种检定系统与气

相色谱仪结合，完成气体质量流量计算。这个检定系统较过去的方法有很大的提高。在

大多数情况下，在大气压下检定的涡轮流量计用于工作状态，原来的仪表常数将发生飘移。

而采用音速喷嘴在实际工作压力、温度条件下检定克服了这一不足。另外，音速喷嘴系统使

用天然气为介质而不是空气，也去掉了由空气引入的误差。车载检定系统可以检定整个

涡轮计量系统，而不仅仅是检定一台涡轮流量计。这意味着由脉动引起的误差可以被检测出

来，这是其它任何检定系统所不能做到的。二、定义音速喷嘴流量的基本定义是：在

其它参数维持不变的情况下，当喷嘴下游的压力降低到某一点时，即使下游压力继续下降，

也不会引起喷嘴喉管的质量流量进一步增加。在这一点，气体在喷嘴喉管处的运动速度为音

速，被称为"临界流"、"音速流"或称为"扼流"。气体的质量流量可以在喷嘴喉管被精确地确

定出来。早期，需在喷嘴的进口和出口的压力降低到50%时;才能获得音速，然而现在压

力降可以小到5%,而典型的压降不会超过10%,即可以得到音速。三、车载检定装置的

设备1、一台车载板房，将其间隔成微机间、阀组间、空气压缩机间和电源间。这样

可将危险区与非危险区分开。2、一个计算机控制系统，包括一台IBM。386微机，其

具有120兆硬盘32台打印机和一个远程终端（RTU）。远程终端是微机与数控阀的接口，它

有控制输出、状态输入和模拟输入控制输出开关电磁气动阀-每一个喷嘴有一个电磁阀。每

一个执行器由2个舌簧开关提供状态输入信号，反映执行器的位置，由微机判定哪些喷嘴

在工作状态。来自空气压缩机的状态输入信号可以指示出空气压力是否降至751b/in2（表）

以下，该压力是数控阀的最小操作压力。模拟输入代表涡轮流量计的工作温度和压力（两个

输入）、阀进口和出口的压力（三点输入）和阀进口的温度（一点输入）。3、台Daniel气

体色谱仪，其在检定系统中是一台关键设备。气相色谱仪每6min对气体进行一次实时组分

分析，并将结果通过一RS。232的通讯接口输送到计算机。计算机应用分子百分量计算

出用于质量公式的两个可变量。气体色谱仪条型记录仪和控制器安装在非危险区的微机房

内。色谱仪的取样探头安装在危险区内的数控阀的管线上。4、2个供电单元使检定系

统维持运转。个2.8kW单元驱动小的负载，如色谱仪、计算机和RTU»一个7kw电机带

动一个空气压缩机和空气调节器。5、-台1hp的空压机提供100lb/in2（表）压力的空气

给数控阀的电磁阀，用以操作喷嘴。该气源也用于开动小型的手动工具.6、连接管线,

由2根口径为4in,长为14ft的挠型管连接被检仪表和检定系统。-根连接被检表到检定装

置的进口，另根连接检定装置出口到返回管线。每一个连接头都采用高压快速接头，管线

的工作压力为550lb/in2（表）。

7、数控切换阀，如图1所示的数控阀重11001b,它有11个供选择的音速喷嘴通道，

其以二进制方式控制。由于最大的两个喷嘴分为最大通道功能和逻辑控制。二进制控制给数

控阀10bit的分辨率。结果是流量的增量阶程为58.7Ac勋。RIU的电控信号控制着气动电

磁阀的开关，同时又控制气动操作电磁阀以使音速喷嘴进入工作状态。气缸在阀的中间，其

具有足够的能量，即使空气供应中断仍可使阀门旋转两次。数控阀体上有4个连接孔:

2个进口和2个出口。连接口用于连接进口的温度变送器和进口、出口的压力变送器。由于

进口压力应卜分精确，•个进口应安装2个压力变送器，其量程范围分别是0-75lb/in2（表）

和0-200lb/in2（表）。当压力达到第一个压力变送器量程的95%时，计算机将测压仪表从第

一个压变转换到第二个压变。一次有一个喷嘴打开，气体从入口进入喷嘴，再从壳体的4

个管口流出进入外壳体，然后流出阀体。四、基本流量公式检定装置计算质量流量用

以下公式

式中：M-工况状态下的质量流量，lb；P-壳体内压力，1Mn2（绝）；A-喷嘴喉

部的截面积，in2；Arkla喷嘴直径的范围为0.0620-0.9941in,因此，其面积范围约为0.00

3-0.776in2；C-临界流量系数，它是比热值的函数（等炳流量常数）。它是一个与气体

流动状态卜的气体声速有关的参数。在Arkla的系统中，有代表性的天然气估算的临界流量

系数值是0.7（无量纲）。该值与压力和温度有关。C是用色谱仪分析计算出的分子

百分量计算而来的；Cd-流出系数，或实际质量流量除以理论质量流量得的数。简言

之，它是喷嘴设计的效率,对不同的喷嘴它是不同的，并且是通过标定确定的。Arkla的喷嘴

流包系数范围为0.96-1.0(无量纲)；R-气体常数，其值是48.03除以气体分子量;由气

相色谱仪分析计算的被测气体的分子量也用于此；T-壳体内的温度，R(T+460)o

容积流量是质量流量除以密度，密度等于P/ZRT,容积流量用下式计算：

式中：V-容积流量；Z-壳体内的压缩系数(R.C.Johnson,不是AGA),是一个接近1

的数值。气相色谱仪分析计算的分子量和气体组分可以用于此；Rv-气体常数，等于

2.398除以气体分子量。气相色谱仪计算的分子量也用于此。R和Rv已被调整为工程单位。

五、检定工艺流程气体流经涡轮流量计，然后经过数控阀并送出4个信号，如图2

所示。测量气体压力和温度的两个信号，另外2个脉冲信号来自涡轮流量计的脉冲发讯器

和来自数控阀的质量流量信号。需注意的是涡轮流量计的脉冲信号取自转换齿轮下部。

图2检定系统流程图当流量计旋转一圈时，计算机测得装在涡轮流量计上发讯盘发出

的数据。第一级齿轮是中间变速轮，对■于Rockwell涡轮流量计和American流量计，它们

的输入输出比为122.0555-L第二级齿轮是变速齿轮，其输入输出比在1和2比1之间。

流量计记数器固定在变速齿轮顶部，根据仪表口径不同，输出轴每转一圈记数器读数是

100或1000Acf。对3-6in的流量计，记数器与输出轴的比是100:1；因此，变速齿轮上面

的输出轴每转一圈代表1ft3,对于8in或更大的流量计，记数器与输出轴间的比是1000:1。

流量计信号、中间齿轮、变速齿轮和记数器给出的结果是实际工况下的立方英尺流量(Acf)。

压力、容积、温度(PVT)图表安装在记数器的上部并用来校验记数器。计算机输入

仪表温度和压力，并应用仪表测量的Acfh计算出Scfh(标准A3/h)；以lb为单位的质量流量

是计算机从数控阀中获取数据除以标准状态下的密度值。在系统中流经涡轮流量计而后又通

过数控阀的气体，其质量流量在各处都是一个常量。然而，以实际立方英尺的容积流

量随着气体的组分、温度、压力而改变。因此，在阀体的容积流量与涡轮流量计处的容积流

量不同。对于一定的质量流量，当气体密度增加时，实际容积流量(Acfh)减小。阀体中的容

积流量高于其在涡轮流量计处的流量-这是因为阀进口的压力低于涡轮流量计处的压力，使

流体流速略有升高。这就是为什么阀门和流量计处的压力和温度都需要测量的原因。涡

轮流量计指示的Scfh和数控阀给出的Scfh之间的差即是涡轮流量计在该流量点的误差。该

误差是相对于百分流量绘制的百分误差。这个百分仪表误差曲线是以实际流量对一个专门的

仪表尺常数绘制的。通过输入计算机一个不同的变速比可以很容易改变K常数（脉冲数用3）。

为了得到最小的误差，可以通过软件程序应用不同尺寸的喷嘴，并可以通过改变齿轮传

动比对涡轮流量计实现检定。使用软件程序可以节约时间并省力，而实际上代替了改变齿轮

传动比并且可反复对流量计检定，直到取得一个理想的结果。用10个不同流量点的检定结

果可以绘制出详细的图表。六、结束语Arkla公司的车载音速喷嘴气体流量检定系统

应用于检定工作状态下的涡轮流量计已有5年时间，并且已完成了3500多台流量计的检定。

结果表明从未出现过气体泄漏问题，大大地提高了测量准确度。编译：潘兆柏

构成极低温流体的物质具有表1、表2所示的物理常数。这些流体通常以饱和状态储存在绝

热的储存容器里。用泵升压、送出，开始过程处理，并反复进行加压、减压。在此过程中，

饱和状态的极低温流体••会儿变为过冷状态，一会儿变为沸腾状态，状态容易变化。因此,

配管设计和流量计设计需要采取措施•表1低沸点物质的物理常数表2液化天然气成分

物质的物理常数

（2）有因浓缩而出现的物态变化液化天然气是由表2所示的物质而组成的混合物。由于从外

部向储存容器或配管内加热，所以，先从甲烷开始蒸发，发生称为浓缩的如图1所示那样

的成分变化。液化天然气的成分物质甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液态密度如图2所示。由

于浓缩，液化天然气的液态密度变大，所以，测量流量时，必须修正密度。（3）对材料有限

制金属材料在极低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率、节流、冲击试验值等机械性质与常

温下有很大不同，在极低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，冲击值也随材料

而显著下降。因此，在极低温下所使用的仪器的材料，应是有充分抗破坏韧性的材料，使之

不引起脆性破坏，这些材料就叫做低温材料。但是，现在使用的最•一般的材料有：不锈钢、

铝合金、90%的银钢、35%的银钢（银铁合金）。表3示出了低温材料的机械性质。图3还示

出了不锈钢的恰贝迁移温度曲线。

图1液化天然气的浓缩图2液化天然气成分的液态密度

图3不锈钢的恰贝迁移温度迁移曲线表3低温材料的机械性质

(4)要求考虑因冷缩而产生的应力、间隙的变化后进行设计。低温材料的物理性质如表4所

示。用这些材料设计测量仪器时，必须充分考虑冷缩的影响。(5)需要预冷如果使极低温

流体急剧地流入处于温暖状态的配管和仪器的局部，则不能控制从法兰漏出极低温流体，这

样，配管和仪器会产生异常应力，有被破坏的危险。因此，必须进行预冷作业，冷却到所定

的温度状态然后开始使用。(6)必须注意因高凝固点物质的凝固而产生故障开始使用前.如

果不消除空气、油分，那么，在极低温下，固化的水分，油分，二氧化碳等会增大可动部分

的摩擦，使过滤器堵塞，发生效障。表4低温材料的物理性质

(7)在气液分界面引起对流在气液分界面内产生的对流，会出现微弱的脉动现象，发生因烟

雾而产生的故障。流量测量仪器的种类目前使用最多的极低温流体的流量测量仪器有孔

板、涡街流量计、涡轮流量计三种。但是，各种流量计，根据其用途、测量范围，也研制了

很多不同的结构。因此，希望选择仪器时，一定要在充分掌握各种仪器的特征的基础上考虑

价格。维护性能、要求精度、过程中测量场所的特征。极低温流体以液体和气体两种状态

存在，但几乎所有的问题都发生在流体的流量测量过程中。因此.这里主要说明极低温液体

的流量测量。孔板用孔板测量流体的方法是根据德国工业标准、美国机械工程师学会、日

本工业标准等的标准确定的。由于其使用效果好，所以，极低温流体在以上述标准定义的物

性值的范围内，如果测量时没有异常的物性值变化，就能进行圆满的测量。实际上在极低

温流体的流量测量中，孔板应用得最多，可靠性也高。但是，在进行仪表设计时有几个重要

的事项需要注意，下面就加以叙述。材料和结构1.材料采用SUS316L。焊接喷嘴使用低

炭焊接棒是安全的。2.极低温流体在饱和状态下流动时，为把容易引起差压的摆动平滑化

后进行测量，希望取压型式用角接取压。3.为了减少由于冷缩而引起的孔板漏浊，可将孔

板和环室作成一体。4.对于测量高压配管或泵流用的孔板，难以用夹紧的办法来控制安装

处的漏浊，有时甚至需要停止设备运行。因此，要按照配管等级来提高孔板安装位置的法兰

和螺丝的等级，这种方法比通常用的过盈量要大，以防漏泄。同时，要将热传导率好的金属

插入螺丝的空间，使配管的冷缩不产生时间差。根据情况，也有选择螺丝的冷缩率比孔板大

的。5.在口径较大的配管上安装孔板时，用上一述的薄片式的，有时不能控制漏泄。要使用

带有法兰的孔板或焊接式孔扳。2）孔板设计涡街流量计特征涡街流量计用于极低温流体

的流量测量时，•般特征如下：1.压力损失比较小。即使是极低温的流体，其蒸发量也少,

可以高精度测量。2.量程范围大。3.由于是检测流速，所以，流量和输出的关系为线性。

4.由于可以脉冲输出，容易累积计算。5.很容易安装导压管。结构和材料为了减少热

收缩等原因产生的漏液的可能性，主体般装有法兰盘，而不用螺纹接头。为了避免冷热

的影响，前置放大器部分采用加长管来安装。但是，有时也可根据情况安装散热片。本体、

三角柱、法兰盘需使用低温材料SUS316。流量测量范围通常希望流量计的口径与普通配

管直径一致。但是，往往是根据将来的计划来设计配管。当配管直径很大或使用量增加之后，

会出现测量精度变差、甚至不能测量的情况。在这种情况下，必须按测量范围选用涡街流量

计以及前后安装的整流器以使口径一致。一般地说，可按照下面几点来选定。1.最小流量

的极限是这样选取的：当流量低于这个极限时，流量信号变弱。按雷诺数划分的话，雷诺数

大约是2000。2.最大流量。换算为流速的话，取6米/秒。取该值的原因是一方面在流

量计的检测部分压力损失增加，流体在该处急剧蒸发，另一方面它是涡街流量测量的极限值。

涡轮流量计结构和材料涡轮流量计中装有转子和轴承等以高速转动的可动部分、摩擦部

分。因此，应充分了解其结构和处理方法，否则，使用时就不会发挥其特性。一般使用的

材料是大家所知道的SUS304L低温材料。如能进行奥氏体化处理，SUS304也可使用。

轴承是涡轮流量计的最重要部分，达部分决定其特性、耐久性。如果被测流体是没有润滑性

的液体，在选泽轴承时，要十分注意。通过实验证明，测量液化天然气用的涡轮流量计可以

使用AISI440c不锈钢的滚珠轴承。流量范围用涡轮流量计测量极低温流体时，最容易

发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通

常转速快数十倍的速度旋转。这样轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏。防止蒸发的最好方

法是适当加大仪表的尺寸。涡轮流量计的压力损失与流量的平方成正比，如能将被测最大流

量限制在仪表容量的1/2时，压力损失可下降到额定的1/4。一股地说，在间断使用时,

如将被测最大流量控制在仪表容量的70%以下，基本上不会产生因仪表本身的压力损失而

出现的故障。连续使用时，要将常用流量限制在仪表容量的50%以下。这就需要将轴承的

检查周期取为一年以上。粘度的影响当流体是紊流时，转子的转速不受粘度和密度的影响。

但是，当是层流时，就要受影响。因此，在流量小的地方，可测量的流体的密度和流量之间

存在•定的极限。液化天然气等极低温流体和汽油相比，粘度小一个数量级。因此，就可以

用汽油检定

r

变送器八问八答

变送器八问八答什么是变送器的二线制和四线制信号传输方式？……什么是……二线制传

输方式中，供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时传送变送器所需的电源

和输出电流信号，目前大多数变送器均为二线制变送器；四线制方式中，供电电源、负载电

阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。……请看变

送器八问八答。.什么是两线制电流变送器？什么是两线制?两线制有什么优点？两线

制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两

线制与三线制（一根正电源线，两根信号线，其中一根共GND）和四线制（两根正负电源线，

两根信号线，其中一根GND）相比，两线制的优点是：1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻

压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；2、在

电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为

干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线，屏

蔽线的屏蔽层要妥善接地。3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4〜20mA两

线制环路，接收器电阻通常为250Q（取样Uout=1〜5V）这个电阻小到不足以产生显著误

差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4、各个单台示读装置或记录

装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，

实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制.…5、将4mA用于零电平,

使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。6,在两线输出口非常容易增设一

两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被

两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可略知-斑，电流变送器在

使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场

的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会

产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的

个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。两线制变送器件的出现

使这个问题得到了较好地解决。我们以DH4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的穿孔型

两线制电流变送器。它具有低失调电国＜3O|JV）、低电压漂移（V0.7W/C。）、超低非线性度

（＜0.01%）的特点。它把现场设备动力线的电流隔离转换成4〜20mA的按线性比例变化的

标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于

监测系统的24V工作电源送到电流变送器中。测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省

去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力得到极大的加强。二.

电流变送器的4-20mA输出如何转换？两线制电流变送器的输出为4〜20mA,通过250

Q的精密电阻转换成1〜5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系

统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。系

统的输入模块采用压频转换器件LM231将模拟电压信号转换成频率信号,用光电耦合器件

TL117进行模拟量与数字量的隔离。同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用

两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。利用压频转换

器件LM231也有一定的抗高频干扰的作用。三.电流输出型与电压输出型有哪些优劣比较？

在单片机控制的许多应用场合，都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单

片机可以处理的电模拟信号，如电流变送器，压力变送器、温度变送器、流量变送器等。早

期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，这是运放直接输出，

信号功率＜0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要

远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，

暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等等等缺点，而两线制电流输出型变送器以其

具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的

破坏，谈不上精度有多高，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，

控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出0—5V绝对不能远传，远传后线路压降大，精

确度大打折扣。现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型变送

器4-20mA的，证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。四.4〜20mA电流输出型到接

口般有哪些处理方法？电流输出型变送器的输出范围常用的有0〜20mA及4〜20mA两

种，电流变送器输出最小电流及最大电流时，分别代表电流变送器所标定的最小及最大额定

输出值。下面以测量范围为以0〜100A的电流变送器为例进行叙述。对于输出0〜20

mA的变送器0mA电流对应输入0A值，输出4〜20mA的变送器4mA电流对应输入0A

值，两类传感器的20mA电流都对应100A值。对于输出0〜20mA的变送器，在电路

设计上我们只需选择合适的降压电阻，在A/D转换器输入接口直接将电阻上的0—5V或

0-10V电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。但劣势是无法判别

变送器的损坏，无法辨别变送器输出开路和短路。对于输出4〜20mA的变送器，电路调试

及数据处理上都比较烦琐。但这种变送器能够在变送器线路不通忖，短路时或损坏时通过能

否检测到正常范围内的电流（正常时最小值也有4mA）,来判断电路是否隹现故障，变送器是

否损坏，因此得到更为广泛普遍的使用。由于4~20mA变送器输出4mA时，在取样电阻上

的电压不等于0,直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0,单片机无法直接利用，

通过公式计算过于复杂。因此一•般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的

电压降消除，再进行A/D转换。这类硬件电路首推RCV420,是一种精密的I/V转换电路，

还有应用LM258自搭的I/V转换电路，这个电路由两线制电流变送器产生的4〜20mA电流

与24V以及取样电阻形成电流回路，从而在取样电阻上产生•个1-5V压降，并将此电压值

输入到放大器LM258的3脚。电阻分压电路用来在集成电路LM258的2脚产生一个固定

的电压值，用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。所以当两线制电流变送器为最小

值4mA时，LM258的3脚与2脚电压差基本为0V。LM258与其相连接的电阻构成可调整

电压放大电路，将两线制电流变送器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过LM258的

1脚输出至模拟/数字转换电路，供单片机CPU读入，通过数据处理方法将两线制电流变送

器的4-20mA电流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式显示出来。（图2）五.什么是两线

制电流变送器的6大全面保护功能：（1）、输入过载保护；（2）、输出过流限制保护；（3）、

输出电流长时间短路保护；（4）、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护；（5）、

工作电源过压极限保护V35V；（6）、工作电源反接保护。六.怎样辨别真假优劣的电流电压

变送器？生产资料市场化以后，加剧激烈的竞争，真假优劣难辨，