压力、差压变送器

变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一 。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数 （ 如压力 、 流量 、 温度 、 液位等 ） ， 变换成统一标准信号 ， 然后根据系统的需要 ， 传送到有关单元控制和显示或记录 。 变送单元根据被测参数的不同 ， 可分为压力变送器 、差压变送器 、 液位变送器和温度变送器等 。 根据能源来分，有气动变送器和电动变送器，下面我们先介绍气动变送器。 第五节 压力、差压变送器 （ 一 ） 气动仪表基本元部件 气动仪表中常遇到的元件及组件： 1 气阻：在气动单元组合仪表中 ， 如同电子线路中 “ 电阻 ” 的作用一样 ， 气阻在气动管路中起着压力降和改变气体流量的作用 。 气阻按其结构 ， 可分为恒气阻与可调气阻两类 。 恒气阻：在气动单元组合仪表中称为恒节流孔。即流通截面积不能调整的节流元件，在气路中恒气阻用下列符号表示 。 压力、差压变送器（续） 气动仪表基本元部件（续） 恒气阻的结构一般有三种形式 ， 如下图所示 。 可调气阻：即流通截面积可以调整 、 气体通过时压力降可以改变的节流元件 。 在气路中可调气阻用下列符号表示 。 在气动单元组合仪表中是个关键元件 。 通过它可以整定微分时间 、 积分时间 、 比例度和配比值 。 ( a ) 毛 细 管 式2b ) 缝 隙 式( c ) 薄 壁 小 孔 式见的结构形式如图所示 a ) 圆 锥 - - 圆 锥b ) 圆 柱 - - 圆 锥b ) 圆 球 - - 圆 锥气动仪表基本元部件（续） 气阻对空气流动的阻碍程度 ， 一般用气阻 气阻值的大小等于每增加单位质量流量的气体所需要增加的压力差 ， 即： 式中 ： P 气阻前后的压降； M 流过气阻的质量流量； R 气阻值。 气动仪表基本元部件（续） 2 气容 凡是气体流过时 ， 能储存或放出气体的气室称为 气容 。 气容在气动仪表中起缓冲 、 防止振荡的作用 。 气容在数值上仿效电容的定义有：使气室内压力增加 （ 或 减少 ） 单位数值 ， 所需要增加 （ 或减少 ） 的空气量 。 可表 示为 在气动仪表中很少单独使用气容，往往与气阻组成阻容藕荷组件 气动仪表基本元部件（续） 3、 节流通室 由一个变气阻 、 一个气容和一个恒气阻串联而成的组件叫节流通室 。 如图所示 。 在稳定的状态下，单位时间内流过气阻 1，应等 于单位时间流过气阻 2。 由于 所以 节流通室示意图 1211 2322 232121气动仪表基本元部件（续） 当 即 表压 ） = 0 上式整理可得 式中 可见，当可调气阻 1成比例变化。改变 可以改变 2的比例关系。 112122 212气动仪表基本元部件（续） 4 喷嘴 挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件 ， 也是最基本的元件之一 ， 一般用下面符号表示 。 喷嘴挡板机构是由恒气阻、 气容和喷嘴挡板构成的 变气阻 串联而成的节流通室， 其机结构如右图所示 喷嘴后的气容称为喷嘴背压室 ， 室内压力称为喷嘴背压 此压力即为喷嘴挡板机构的输出压力 。 压缩空气 （ 约 作为气源 ， 经恒气阻进入背压室 后 ， 再由喷嘴挡板间隙排出 （ 一般排入大气 ） 。 恒气阻 背压室 喷嘴挡板） 气动仪表基本元部件（续） 气流经过恒气阻时，由于恒节流孔孔径很小（它将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只是很少流量的气流通过恒节流孔进入背压室。而背压室中的压力是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则 之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，由于喷嘴内径（一般为 恒节流孔径大，所以压缩空气很自由地跑到大气中，则 降。因此喷嘴挡板间的距离 有不同的 从而完成了挡板的微小位移转换成气压信号的任务。 恒气阻 背压室 喷嘴挡板 喷嘴挡板间的距离 背 间的关系一般由实验求得。特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，喷嘴挡板机构的灵敏度与线性均不好。常常只用中间 a 此段，挡板位移 变化比较符合线性规律，并且斜率也较陡。在此段内各点均有较稳定的放大倍数，机构工作既灵敏又稳定 . 与曲线 a至 一般只有百分只几毫米。 压力变化范围 但经放大器放大 10倍后， 输出压力在 h( 气动仪表基本元部件（续） 5功率放大器 利用喷嘴挡板机构，可以将挡板微小的位移量转换成相当大的喷嘴背压 而且在一定的工作范围内，两者近似成线性关系。 在输出气压之前，要先把背压进行功率放大（压力和流量都放大），使它变为标准统一信号并有足够的功率将信号远传。因此，功率放大器是气动仪表的主要部件之一，功率放大器一般用符号表示。 气动仪表基本元部件（续） 耗气型功率放大器原理图 1一阀杆； 2一膜片： 3一弹簧片： 4一球阀 耗气型功率放大器： 主要由金属膜片 2、阀杆 1、弹簧片 3和球阀 4组成。阀杆的上下端各构成一个变气阻。一个是圆球圆柱形，一个是圆锥 圆柱型组成的节流通室。功率放大器的输入是喷嘴背压室的压力。而通室 气动仪表基本元部件（续） 通室压力的变化取决于两个变节流阀的开度比。 当 挡板靠近喷嘴时 ，背压增大，作用于金属膜片 2上的压力就增大。因此，通过金属膜片 2对阀杆产生的推力就增大， 阀杆向下位移。使球阀开大，锥阀关小 ， 改变了两个变节流阀之间的开度比， 即决定了放大器的输出。因为锥阀的变小， 阀的打开使气源由 室，由于排气量减少，进气量增加，所以 反之，如背压减少，阀杆上移，关小进气球阀开大排气锥阀，故 气源 室之间仅有一个球阀控制，只要球阀一微小的位移，就可保证有足够的气量从 室，输出由 个气流输出量大大地超过了进入 实现了气流量的放大，同时把背压也放大了约 6 10倍。 气动仪表基本元部件（续） （ 二 ） 气动压力变送器 压力变送器的作用是 ， 连续测量生产过程中各种液体 、蒸汽和气体压力 ， 并把这一压力成比例地转换成统一的气压信号 （ ， 送至有关的气动单元仪表 ，以实现压力的显示和调节 。 压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器的测量绝对压力的绝对压力变送器 。 1 基本原理：气动压力变送器 ， 是根据力矩平衡原理工作的 。 它是由测量部分和气动转换部分组成 。 前者接受被测压力 ， 并将其转换成力；后者将此力再转换成 压力变送器测量部分 的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。常用的有下列几种： 气动仪表基本元部件（续） （ 1）波纹管式 波纹管式用来测量低压力 （ 0 的敏感元件一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管 ， 其结构原理如图所示 。 当被测压力通入测量室时 ， 波纹管产生一轴向推力 ，经测量波纹管转换成测量力 ， 通过推杠作用在主杠杆上 ，传递到气动转换部分 。 波纹管式 12 测量室 3 推杆； 4 螺帽； 5 主杠杆 6 出轴膜片 气动压力变送器（续） （ 2） 弹簧管式 测量中 、 高压 （ 1010 60的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管 ， 其测量部分的结构原理如图所示 。 当被测压力 弹簧管末端便产生一径向力 ， 这个力经过拉杆传递到气动转换部分的主杠杆上 。 弹簧管式 1 弹簧管； 2 推杆； 3 主杠杆 45 支架； 6 7 壳体 气动压力变送器（续） （ 3） 双波纹管真空补偿式 双波纹管真空补偿式，用来测量绝对压力，测量部分结构原理如图所示。它是由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管 1为测量波纹管，波纹管 2为补偿波纹管， 预先抽成真空 ，然后密封。其工作原理如下。 双波纹管式 1 测量波纹管； 2 补偿波纹管 3 推杆； 4 主杠杆 气动压力变送器（续） 由于两个波纹管的有效面积相同 ， 即 当被测的绝对压力 时 ， 在被测压力 2的差压作用下 ， 测量波纹管底部产生一个推力 值为 ： P 1 A 1 P 2 A 2 由于补偿波纹管内部已抽成真空 ， 所以它仅仅受到周围大气压力 在它的底部所产生的轴向压缩力 : F 2 = 此 ， 作用在主杠杆 4上的合力 （ 即测量力 ） 为： F P 2 A 2 P 2 A 2 P 1 A 1 从上式可以看出，测量力 1成正比，而与大气压力无关，故测得的压力为绝对压力。不论大气压怎样变化，大气压力对两波纹管的作用，总是互相抵消的，这样补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差 。 气动压力变送器（续） 气动压力变送器（续） 2单杠杆压力变送器 单杠杆压力变送器是根据力矩平衡原理工作的。 被测压力 1，作用在主杠杆的下端，对支点（即密封膜片）产生一个顺时针方向的力矩 主杠杆作顺时针方向偏转。主杠杆上端的挡板靠近喷嘴，引起喷嘴背压增加，此压力经过功率放大器放大后作为 出。变送器输出也进入反馈波纹管内，并产生一个反馈力 于反馈力的作用使主杠杆对支点产生一个逆时针方向力矩 样，主杠杆上作用着两个力矩 . 单杠杆压力变送器（续） 主杠杆上作用着两个力矩 ， 即由测量部分产生的顺时针方向力矩 2， 这两个力矩决定着主杠杆的运动状况 。 当两者相等时 ， 主杠杆就处于平衡状态 ，喷嘴挡板间的距离就不再改变 。 这时 ， 就有一个与压力 出 输出 。 根据力矩平衡原理推导出 假定反馈波纹管的有效面积为 波纹管内的压力为 则有反馈力 (1) 同理测量力 P (2) 式中 P 被测压力 假定测量力 反馈力 则作用在主杠杆上的两个力矩分别为 F1 PA1 (3) F2 出 (4) 单杠杆压力变送器（续） 当 则有 2 （ 5） (6) 由此可见 ， 根据上述力矩平衡关系 ， 而 主杠杆平衡时 ，变送器输出信号 输入压力 若令 (7) 则 （ 6） 式可写成 (8) 式中 改变 22111 单杠杆压力变送器（续） 当变送器结构确定后， 改变 反馈力矩变大）时，则 输出范围（ 同时，量程就可以变大；反之， 程就变小。 当量程支点（即反馈波纹管的支点）移到主杠杆的最上端时， 送器达到它的最大量程。 要使这种变送器的最大和最小量程之比越大，主杠杆就应越长。主杠杆过长，一方面影响变送器的精度；另一方面使仪表体积变大。所以，单杠杆压力变送器的最大和最小量程之比不能太大（这是它的缺点。为了提高量程的可变范围，可以采用双杠杆压力变送器。 单杠杆压力变送器（续） （ 三 ） 力平衡式电动差压变送器 力平衡式电动 变送器是 型表 ， 采用了 4 20 可使电源及信号传递共有二根线 ， 构成二线制变送器 ， 同时 24 变送器量程调整方便 ， 可采用更换动圈抽头和改变矢量角的办法调整量程 ， 比改变杠杆活动支点的方法方便得多 。 变送器采用了较先进的固定支点的矢量机构 ， 提高了仪表的可靠性和稳定性 。 压力、差压变送器（续） 1 工作原理 差压变送器的结构如下图所示。差压变送器由两部分组成，下半部分为测量部分，上半部分为转换部分。前者包括测量室、测量元件（膜盒）、主杠杆，后者包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器、调零装臵及放大器。 差压变送器是根据力平衡原理工作的 ， 这种结构是一个具有深度负反馈的有差系统 。 力平衡式电动 差压变送器（续） 差压变送器结构示意图 当被测的差压P 分别作用在膜盒的两侧时，在膜盒的连接片处产生一集中力 F，此力通过支点为 换为作用于矢量机构的力 力平衡式电动 差压变送器（续） 矢量机构主要由矢量横杆和 型支撑板组成 。 矢量机构把主杠杆的水平方向的力 1和矢量角 方向的力 由于矢量板的端部是固定在基座上的 ， 因此分力 对副杠杆不起作用 。 而分力 其值等于 在主杠杆对矢量机构的作用力 可通过调整矢量角 来改变矢量机构的输出力 力平衡式电动 差压变送器（续） 副杠杆以十字簧片 2处，形成作用力 差值 F 使副杠杆绕十字簧片 而使检测片 8与差动变压器 9之间的距离改变 S 。这造成了差动变压器的输出变化 u ，u 经放大器放大，并转换成4 20生反馈力 力使杠杆趋于回复到原来的位臵，当 4时，测量杠杆系统重新处于平衡状态，此时输出电流 力平衡式电动 差压变送器（续） 根据上述工作原理画出的变送器方框图如下图所示 。 S u 副杠杆 杠杆系统 差 动变压器 位移检测放大器 反馈动圈 P 4 20 4 下面分别介绍其它组成部分的作用 。 力平衡式电动 差压变送器（续） 2 弹性元件 力平衡式变送器中的弹性元件是用来将被测压力或差压信号转换为集中力 。 根据被测压力或差压的不同范围可采用弹簧管 、 波纹管和金属膜盒等 。 当弹性元件的位移很小时 ， 弹性元件的有效面积可以认为是常数 这时弹性元件对主杠杆下端的作用力 F 弹性元件有关的系数 力平衡式电动 差压变送器（续） 3 测量杠杆系统和矢量机构 测量杠杆系统用于力的传递和比较 ， 其上各作用力之间的关系根据力平衡原理可为： 中 决定于 1到支点 矢量机构上的各个力之间的关系为： 中 它决定于副杠杆上的作用力 4到支点 力平衡式电动 差压变送器（续） 3 测量杠杆系统和矢量机构 反馈力 还与反馈机构的结构参数 （ 如反馈动圈匝数 ） 有关 ， 即 中 反馈机构的结构常数 ， B 永久磁钢的磁感应强度 ， 约 3500 4000高斯； W 反馈动圈匝数 ， 可通过改变反馈动圈中间抽头的连接方式加以改变； d 反馈动圈的平均直径 。 力平衡式电动 差压变送器（续） 综合以上各式 ， 且 可导出下式： 式中 K 变送器结构常数 ， K 从上式可以看出 ， 变送器在力平衡条件下 ，对应于一定的矢量角 和反馈动圈匝数 W， 这时变送器输出电流 P 成线性关系 。若改变矢量角 和反馈动圈匝数 因为矢量角的变化对零点影响很小 ，因此调整量程非常方便 。 4321 力平衡式电动 差压变送器（续） 4 位移检测放大器 位移检测放大器由差动变压器和低频放大器两部分组成。它的作用是实现位移 电流的转换，是将差压变送器所测的差压信号 P ，经副杠杆转换成检测片的微小位移 S（ 0 30微米）， 此位移由差动变压器、振荡器、放大器再转换成变送器的整机输出电流 4 20 力平衡式电动 差压变送器（续） （ 四 ） 电容式差压变送器 差压变送器特点： 电容式压力、差压变送器的敏感元件为差动式电容。将差压的变化转换为电容量的变化。这个变化经变送部分运算放大后， 变送器输出与被测差压成线性的直流信号 420 电容式差压变送器与其它差压变送器相比有下列优点： 膜盒一侧承受单向过载压力时，具有单向过载保护。 在变送器中因没有杠杆系统， 所以静压误差的问题比较容易解决，比较耐振耐冲击，使其可靠性、稳定性高。 整个差压变送器的精度较高 ，允许误差不超过量程的 是二线制变送器，供电电压为 24所以电容式差压、压力变送器被广泛用于生产过程中。 电容式压力、差压变送器（续） 隔离膜片 活动电极 测量电路 运算放大 电路 输入差压 位移 静电容 量变化 电压 输出 电流 检测部分 传送部分 电容式差压变送器的原理方框图如下图所示。它是由检测部分和传送部分组成， 检测部分是将被测的差压经活动电极转换为静电容量的变化。传送部分是将静电容的变化量经测量电路转换为电压，再经将电压转换成电流的运算放大器，输出与被测差压成线性的直流电流信号 。 电容式压力、差压变送器（续） 检测部分组成 压力、差压变送器（续） 浮动膜盒固定电极测量膜片（可动电极）钢性绝缘体（陶瓷）高压侧低压侧浮动膜片充灌液隔离膜片导线输出信号 将左右对称的不锈钢基座 2和 3的外侧加工成环状 波纹沟槽 ，并焊上波纹隔离膜片 1和 4，基座内侧有玻璃层 5。玻璃层内表面磨成 凹球面 ，球面除边缘部分外镀以金属膜 6，此金属膜层有导线通往外部， 为电容的左右定极板 。左右对称的上述结构 中央夹入并焊接弹性平膜片，即测量膜片 7，为电容的中央动极板 2 3 4 1 7 6 5 电容式压力、差压变送器（续） 电容式差压变送器检测部分 测量膜片左右空间被分隔成两个室，中间充满硅油，当左右隔离膜片分别承受高压 油的不可压缩性和流动性便能将差压 P 测量膜片在焊接前加有预张力，所以当差压 P 0时十分平整，使得定极板左右两电容的容量完全相等，即L，电容量的差值为零。 在有差压作用时，测量膜片发生变形，可左右移动 就是动极板向低压侧定极板靠近，同时远离高压侧定极板，从而使得电容 H， 容量不再相等，这一静电容量变化经引出线送往传送部分放大，转换为4 20就是差动电容形式的压力或差压传感器。 电容式压力、差压变送器（续） 检测部分的静态特性 。 假设测量膜片在差压 P 的作用下移动距离为 d ， 由于位移量很小 ， 可近似认为 P 与 d 成比例变化 ， 即： 021 022电容式压力、差压变送器（续） d 式中： 可动电极（测量膜片）与左、右固定极板间距离由原来的 d 和 d ，根据平行板电容公式，两个电容可分别写成： 式中： 解上两式可得出差压 P 与差动电容 式中： 一个常数 。 由上式可知，电容 P 是成正比关系 ,且于介电常数无关。 传递部分的任务是将 （ 与 （ 的比值转换为电压或电流 。 2 1 132 1 0 0C C K d d 电容式压力、差压变送器（续） 电容式压力、差压变送器（续） （ 五 ） 1151 先进型压力变送器 1151智能化压力变送器是美国 司生产的智能化压力变送器 ， 在它原变送器 （ 如电容式 ） 的基础上增加微处理器而形成的 ， 结构如图 (a)所示 。 1 硬件说明 智能化压力变送器与普通 1151变送器的外型几乎相同 ， 只是内部增加了智能化电子线路 。 各功能部分的组成见图 (b)所示 。 其敏感元件与 1151变送器完全一样 ， 在后续电路中增加了模数转换 、 微处理器及数模转换电路 。 工作期间 ， 隔离膜片探测并传送过程压力到填充油 ， 然后该液体传送过程压力至 室的中心传感膜片上 ， 差压的不同使传感膜片产生偏移 。 其最大偏移量为 并正比于过程压力 。 传感膜片两侧的电容极板检测膜片的位臵 ， 通过变送器的电子部分把传感膜片与电容极板之间电容差值转换成一个二线制 4 20 压力、差压变送器（续） 图 (a)智能化变送器部件分解示意图 1151 先进型压力变送器（续） 模/数信号转换传感器内存信号转换电子板模块内存点调整传感器 电子线路板压力压力数字信号420b)智能压力变送器方框图 1151 先进型压力变送器（续） 一、应变式压力传感器 物体受压后会产生内应力和产生弹性变形，在弹性限度之内，内应力与变形率（即应变）成正比，因而可以通过测量物体应变来求得物体所受的压力。 应变片式压力变送器就是通过测量胶粘在弹性元件上、 或与弹性元件制成一体的应变电阻值的大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所受的压力。 利用 金属电阻丝 或在硅片上扩散生成的 半导体电阻 ，都能根据弹性元件的应变测量压力，构成压力传感器及变送器。 第六节 其它压力检测仪表 （六）应变片式压力变送器 一、金属电阻丝应变式 1、应变原理 对于一根圆截面的金属电阻丝，当受到轴向拉伸作用时，金属丝会沿轴向伸长 L，沿径向缩短 D，使金属丝的电阻率发生变化，从而导致电阻值改变，将电阻丝用粘合剂固定在绝缘的基片上便构成了应变片 应变灵敏系数 K：导线每单位应变引起的阻值相对变化量。 做为测应变的敏感元件， 常金属丝式应变片的 K= 半导体应变片比金属导体应变片灵敏度高，但其受温度影响比金属要大。 应变片式压力变送器（续） 金属式应变片结构：常用直径 贴在纸或胶质基底上，叫应变片 2、 金属电阻丝式压力传感器 压力传感器如图所示 。 应变筒 1的上端与外壳 2固定在一起 ， 它的下端与不锈钢密封膜片紧密接触 。 两片应变片 作为测量片； 作为温度补偿片 。 应变片式压力变送器（续） 压力传感器示意图 123 应变片与筒体之间不应有相对滑动现象，并保持电气绝缘。 应变片式压力变送器（续） 当被测压力 轴向贴放的应变片 变量为 1，于是 沿径向贴放的应变片 变量为 2，于是 123测量桥路 当被测压力为零时 ， 电桥处于平衡状态 ，桥路输出电压 0。 当被测压力作用于不锈钢密封膜片时 ， 电桥失去平衡 ， 从而获得不平衡电压 V 作为压力传感器的输出信号 ， 这不平衡电压 ，通过显示仪 、 记录仪显示被测压力值 。 应变片式压力变送器（续） 应变片压力传感器的测压范围同弹簧管压力表有： 0 0 到 0 25感器的故有频率在 25此，具有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。 应变片式压力变送器（续） 二、扩散硅式压力变送器（ 半导体应变片） 压阻效应：固体受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 由于半导体电阻材料的压阻效应很强（金属丝应变片的灵敏系数在 2左右，而采用 P111的硅半导体材料上用扩散方法生成电阻， ，且制成的压阻传感器具有灵敏度和分辨率高优点，因此生产中日益受到重视。 在单晶硅膜片上扩散生成的长条形半导体电阻，当膜片上下两测出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值产生变化，且与压力成比例。 压力、差压变送器（续） 将 型硅片上，形成极薄的导电 上引线即成应变片，叫扩散硅应变片，因为这种硅片边缘有一个厚的环形，中间部分薄，略具杯形，所以叫硅杯。 采用集成电路技