第二節(jié)　壓力檢測(cè)及儀表

工業(yè)生產(chǎn)中，所謂壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，壓力是重要的操作參數(shù)之一。特別是在化工、煉油等生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到壓力和真空度的測(cè)量，其中包括比大氣壓力高很多的高壓、超高壓和比大氣壓力低很多的真空度的測(cè)量。如高壓聚乙烯，要在150MPa或更高壓力下進(jìn)行聚合；氫氣和氮?dú)夂铣砂睔鈺r(shí)，要在15MPa或32MPa的壓力下進(jìn)行反應(yīng)；而煉油廠減壓蒸餾，則要在比大氣壓低很多的真空下進(jìn)行。如果壓力不符合要求，不僅會(huì)影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品質(zhì)量，有時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。此外，壓力測(cè)量的意義還不局限于它自身，有些其他參數(shù)的測(cè)量，如物位、流量等往往是通過(guò)測(cè)量壓力或差壓來(lái)進(jìn)行的，即測(cè)出了壓力或差壓，便可確定物位或流量。

一、壓力單位及測(cè)壓儀表

由于壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力，故可用式（3-9）表示

　　（3-9）

式中，p為壓力；F為垂直作用力；S為受力面積。

根據(jù)國(guó)際單位制（代號(hào)為SI）規(guī)定，壓力的單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱(chēng)帕（Pa），1帕為1牛頓每平方米，即

1Pa=1N/m²　　（3-10）

帕所表示的壓力較小，工程上經(jīng)常使用兆帕（MPa）。帕與兆帕之間的關(guān)系為：

1MPa=1×10⁶Pa　　（3-11）

過(guò)去使用的壓力單位比較多，根據(jù)1984年2月27日國(guó)務(wù)院“關(guān)于在我國(guó)統(tǒng)一實(shí)行法定計(jì)量單位的命令”的規(guī)定，這些單位將不再使用。但為了使大家了解國(guó)際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過(guò)去的單位之間的關(guān)系，下面給出幾種單位之間的換算關(guān)系表3-1。

在壓力測(cè)量中，常有表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓或真空度之分，其關(guān)系見(jiàn)圖3-4。

工程上所用的壓力指示值，大多為表壓（絕對(duì)壓力計(jì)的指示值除外）。表壓是絕對(duì)壓力和大氣壓力之差，即

p_表壓=p_{絕對(duì)壓力}-p_大氣壓力

當(dāng)被測(cè)壓力低于大氣壓力時(shí)，一般用負(fù)壓或真空度來(lái)表示，它是大氣壓力與絕對(duì)壓力之差，即

p_真空度=p_大氣壓力-p_{絕對(duì)壓力}

因?yàn)楦鞣N工藝設(shè)備和測(cè)量?jī)x表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力。所以，工程上經(jīng)常用表壓或真空度來(lái)表示壓力的大小。以后所提到的壓力，除特別說(shuō)明外，均指表壓或真空度。

測(cè)量壓力或真空度的儀表很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類(lèi)。

1.液柱式壓力計(jì)

它是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測(cè)量的。按其結(jié)構(gòu)形式的不同，有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等。這類(lèi)壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視差等因素的影響，測(cè)量范圍較窄，一般用來(lái)測(cè)量較低壓力、真空度或壓力差。

2.彈性式壓力計(jì)

它是將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測(cè)量的。例如彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)及膜式壓力計(jì)等。

3.電氣式壓力計(jì)

它是通過(guò)機(jī)械和電氣元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率等）來(lái)進(jìn)行測(cè)量的儀表，例如各種壓力傳感器和壓力變送器。

4.活塞式壓力計(jì)

它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。它的測(cè)量精度很高，允許誤差可小到0.05%～0.02%。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。一般作為標(biāo)準(zhǔn)型壓力測(cè)量?jī)x器，來(lái)檢驗(yàn)其他類(lèi)型的壓力計(jì)。

二、彈性式壓力計(jì)

彈性式壓力計(jì)是利用各種形式的彈性元件，在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測(cè)壓儀表。這種儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點(diǎn)。若增加附加裝置，如記錄機(jī)構(gòu)、電氣變換裝置、控制元件等，則可以實(shí)現(xiàn)壓力的記錄、遠(yuǎn)傳、信號(hào)報(bào)警、自動(dòng)控制等。彈性式壓力計(jì)可以用來(lái)測(cè)量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力，因此在工業(yè)上是應(yīng)用最為廣泛的一種測(cè)壓儀表。

1.彈性元件

彈性元件是一種簡(jiǎn)易可靠的測(cè)壓敏感元件。當(dāng)測(cè)壓范圍不同時(shí)，所用的彈性元件也不一樣，常用的幾種彈性元件的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。

（1）彈簧管式彈性元件　彈簧管式彈性元件的測(cè)壓范圍較寬，可測(cè)量高達(dá)1000MPa的壓力。單圈彈簧管是彎成圓弧形的金屬管子，它的截面做成扁圓形或橢圓形，如圖3-5（a）所示。當(dāng)通入壓力p后，它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。這種單圈彈簧管自由端位移較小，因此能測(cè)量較高的壓力。為了增加自由端的位移，可以制成多圈彈簧管，如圖3-5（b）所示。

（2）薄膜式彈性元件　薄膜式彈性元件根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同還可以分為膜片與膜盒等。它的測(cè)壓范圍較彈簧管式的為低。圖3-5（c）為膜片式彈性元件，它是由金屬或非金屬材料做成的具有彈性的一張膜片（有平膜片與波紋膜片兩種形式），在壓力作用下能產(chǎn)生變形。有時(shí)也可以由兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊起來(lái)，成一薄壁盒子，內(nèi)充液體（例如硅油），稱(chēng)為膜盒，如圖3-5（d）所示。

（3）波紋管式彈性元件　波紋管式彈性元件是一個(gè)周?chē)鸀椴y狀的薄壁金屬筒體，如圖3-5（e）所示。這種彈性元件易于變形，而且位移很大，常用于微壓與低壓的測(cè)量（一般不超過(guò)1MPa）。

2.彈簧管壓力表

彈簧管壓力表的測(cè)量范圍極廣，品種規(guī)格繁多。按其所使用的測(cè)壓元件不同，可有單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。按其用途不同，除普通彈簧管壓力表外，還有耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。它們的外形與結(jié)構(gòu)基本上是相同的，只是所用的材料有所不同。

彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理如圖3-6所示。

彈簧管1是壓力表的測(cè)量元件。圖中所示為單圈彈簧管，它是一根彎成270°圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，管子的另一端固定在接頭9上。當(dāng)通入被測(cè)的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形。由于變形，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。輸入壓力p越大，產(chǎn)生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測(cè)得B點(diǎn)的位移量，就能反映壓力p的大小，這就是彈簧管壓力表的基本測(cè)量原理。

彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過(guò)放大機(jī)構(gòu)才能指示出來(lái)。具體的放大過(guò)程如下：彈簧管自由端B的位移通過(guò)拉桿2（見(jiàn)圖3-6）使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過(guò)同軸的中心齒輪4的帶動(dòng)而作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力p的數(shù)值。由于彈簧管自由端的位移與被測(cè)壓力之間具有正比關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是線性的。

游絲7用來(lái)克服因扇形齒輪和中心齒輪間的傳動(dòng)間隙而產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)整螺釘8的位置（即改變機(jī)械傳動(dòng)的放大系數(shù)），可以實(shí)現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當(dāng)壓力低于或高于給定范圍時(shí)，就會(huì)破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險(xiǎn)。這時(shí)就應(yīng)采用帶有報(bào)警或控制觸點(diǎn)的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點(diǎn)信號(hào)壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時(shí)，及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以提醒操作人員注意或通過(guò)中間繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制。

圖3-7是電接點(diǎn)信號(hào)壓力表的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。壓力表指針上有動(dòng)觸點(diǎn)2，表盤(pán)上另有兩根可調(diào)節(jié)的指針，上面分別有靜觸點(diǎn)1和4。當(dāng)壓力超過(guò)上限給定數(shù)值（此數(shù)值由靜觸點(diǎn)4的指針位置確定）時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)2和靜觸點(diǎn)4接觸，紅燈5的電路被接通，使紅燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數(shù)值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)2與靜觸點(diǎn)1接觸，接通了綠色信號(hào)燈3的電路。靜觸點(diǎn)1、4的位置可根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。

三、電氣式壓力計(jì)

電氣式壓力計(jì)是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行傳輸及顯示的儀表。這種儀表的測(cè)量范圍較廣，分別可測(cè)7×10^-5Pa至5×10²MPa的壓力，允許誤差可至0.2%。由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)，所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制和報(bào)警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。

電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常用的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。圖3-8是電氣式壓力計(jì)的組成方框圖。

壓力傳感器的作用是把壓力信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行輸出，當(dāng)輸出的電信號(hào)能夠被進(jìn)一步變換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，壓力傳感器又稱(chēng)為壓力變送器。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。例如直流電流4～20mA、空氣壓力0.02～0.1MPa都是當(dāng)前通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。我國(guó)還有一些變送器以直流電流0～10mA為輸出信號(hào)。

下面簡(jiǎn)單介紹霍爾片式、應(yīng)變片式、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力變送器。

1.霍爾片式壓力傳感器

霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。

霍爾片為一半導(dǎo)體（如鍺）材料制成的薄片。如圖3-9所示，在霍爾片的Z軸方向加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的恒定磁場(chǎng)，在Y軸方向加一外電場(chǎng)（接入直流穩(wěn)壓電源），便有恒定電流沿Y軸方向通過(guò)。電子在霍爾片中運(yùn)動(dòng)（電子逆Y軸方向運(yùn)動(dòng)）時(shí)，由于受電磁力的作用，而使電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個(gè)端面上有電子積累，另一個(gè)端面上正電荷過(guò)剩，于是在霍爾片的X軸方向上出現(xiàn)電位差，這一電位差稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，這樣一種物理現(xiàn)象就稱(chēng)為“霍爾效應(yīng)”。

霍爾電勢(shì)的大小與半導(dǎo)體材料、所通過(guò)的電流（一般稱(chēng)為控制電流）、磁感應(yīng)強(qiáng)度以及霍爾片的幾何尺寸等因素有關(guān)，可用式（3-12）表示

U_H=R_HBI　　（3-12）

式中，U_H為霍爾電勢(shì)；R_H為霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為控制電流的大小。

由式（3-12）可知，霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)U_H，但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)U_H約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。

必須指出，導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過(guò)它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。

如果選定了霍爾元件，并使電流保持恒定，則在非均勻磁場(chǎng)中，霍爾元件所處的位置不同，所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也將不同，這樣就可得到與位移成比例的霍爾電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)位移-電勢(shì)的線性轉(zhuǎn)換。

將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖3-10所示。被測(cè)壓力由彈簧管1的固定端引入，彈簧管的自由端與霍爾片3相連接，在霍爾片的上、下方垂直安放兩對(duì)磁極，使霍爾片處于兩對(duì)磁極形成的非均勻磁場(chǎng)中。霍爾片的四個(gè)端面引出四根導(dǎo)線，其中與磁鋼2相平行的兩根導(dǎo)線和直流穩(wěn)壓電源相連接，另兩根導(dǎo)線用來(lái)輸出信號(hào)。

當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例。利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制。

2.應(yīng)變片式壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類(lèi)。被測(cè)壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮應(yīng)變時(shí)，其阻值減小；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸應(yīng)變時(shí)，其阻值增加。應(yīng)變片阻值的變化，再通過(guò)橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級(jí)電勢(shì)輸出，并用毫伏計(jì)或其他記錄儀表顯示出被測(cè)壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力計(jì)。

圖3-11是一種應(yīng)變片式壓力傳感器的原理圖。應(yīng)變筒1的上端與外殼2固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，兩片康銅絲應(yīng)變片r₁和r₂用特殊膠合劑（縮醛膠等）貼緊在應(yīng)變筒的外壁。r₁沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測(cè)量片；r₂沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。應(yīng)變片與筒體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，并且保持電氣絕緣。當(dāng)被測(cè)壓力p作用于膜片而使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，沿軸向貼放的應(yīng)變片r₁也將產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變ε₁，于是r₁的阻值變小；而沿徑向貼放的應(yīng)變片r₂，由于本身受到橫向壓縮將引起縱向拉伸應(yīng)變ε₂，于是r₂阻值變大。但是由于ε₂比ε₁要小，故實(shí)際上r₁的減少量將比r₂的增大量為大。

應(yīng)變片r₁和r₂與兩個(gè)固定電阻r₃和r₄組成橋式電路，如圖3-11（b）所示。由于r₁和r₂的阻值變化而使橋路失去平衡，從而獲得不平衡電壓ΔU作為傳感器的輸出信號(hào)，在橋路供給直流穩(wěn)壓電源最大為10V時(shí)，可得最大ΔU為5mV的輸出。傳感器的被測(cè)壓力可達(dá)25MPa。由于傳感器的固有頻率在25000Hz以上，故有較好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測(cè)量。傳感器的非線性及滯后誤差小于額定壓力的1%。

3.壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成，其工作原理如圖3-12所示。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。

壓阻式壓力傳感器具有精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件下工作，便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化。壓阻式壓力傳感器不僅可以用來(lái)測(cè)量壓力，稍加改變，就可以用來(lái)測(cè)量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。

4.電容式壓力變送器

20世紀(jì)70年代初由美國(guó)最先投放市場(chǎng)的電容變送器，是一種開(kāi)環(huán)檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性好、測(cè)量精度高、體積小、重量輕、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最受歡迎的壓力、差壓變送器。其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA（DC）電流信號(hào)。

電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量的。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，差壓變送器的應(yīng)用數(shù)量多于壓力變送器，因此，以下按差壓變送器介紹，其實(shí)兩者的原理和結(jié)構(gòu)基本上相同。

圖3-13是電容式差壓變送器的原理圖，將左右對(duì)稱(chēng)的不銹鋼底座的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片。基座內(nèi)側(cè)有玻璃層，基座和玻璃層中央有孔道相通。玻璃層內(nèi)表面磨成凹球面，球面上鍍有金屬膜，此金屬膜層有導(dǎo)線通往外部，構(gòu)成電容的左右固定極板。在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測(cè)量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板。在測(cè)量膜片兩側(cè)的空腔中充滿(mǎn)硅油。

當(dāng)被測(cè)壓力p₁、p₂分別加于左右兩側(cè)的隔離膜片時(shí)，通過(guò)硅油將差壓傳遞到測(cè)量膜片上，使其向壓力小的一側(cè)彎曲變形，引起中央動(dòng)極板與兩邊固定電極間的距離發(fā)生變化，因而兩電極的電容量不再相等，而是一個(gè)增大、另一個(gè)減小，電容的變化量通過(guò)引線傳至測(cè)量電路，通過(guò)測(cè)量電路的檢測(cè)和放大，輸出一個(gè)4～20mA的直流電信號(hào)。

電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過(guò)載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了過(guò)載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗震性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。

四、智能型壓力變送器

隨著集成電路的廣泛應(yīng)用，其性能不斷提高，成本大幅度降低，使得微處理器在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分普遍。智能型壓力或差壓變送器就是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測(cè)儀表。例如，用帶有溫度補(bǔ)償?shù)碾娙輦鞲衅髋c微處理器相結(jié)合，構(gòu)成精度為0.1級(jí)的壓力或差壓變送器，其量程范圍為100∶1，時(shí)間常數(shù)在0～36s間可調(diào)，通過(guò)手持通信器，可對(duì)1500m之內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行工作參數(shù)的設(shè)定、量程調(diào)整以及向變送器加入信息數(shù)據(jù)。

智能型變送器的特點(diǎn)是可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。利用手持通信器，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行各種運(yùn)行參數(shù)的選擇和標(biāo)定；其精確度高，使用與維護(hù)方便。通過(guò)編制各種程序，使變送器具有自修正、自補(bǔ)償、自診斷及錯(cuò)誤方式告警等多種功能，因而提高了變送器的精確度，簡(jiǎn)化了調(diào)整、校準(zhǔn)與維護(hù)過(guò)程，促使變送器與計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)直接對(duì)話。

下面以美國(guó)費(fèi)希爾-羅斯蒙特公司（Fisher-Rosemount）的3051C型智能差壓變送器為例對(duì)其工作原理作簡(jiǎn)單介紹。

3051C型智能差壓變送器包括變送器和275型手持通信器。

變送器由傳感膜頭和電子線路板組成，圖3-14為其原理方框圖。

被測(cè)介質(zhì)壓力通過(guò)電容傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的差動(dòng)電容信號(hào)。傳感膜頭還同時(shí)進(jìn)行溫度的測(cè)量，用于補(bǔ)償溫度變化的影響。上述電容和溫度信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到電子線路板模塊。

在工廠的特性化過(guò)程中，所有的傳感器都經(jīng)受了整個(gè)工作范圍內(nèi)的壓力與溫度循環(huán)測(cè)試。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)所得到的修正系數(shù)，都貯存在傳感膜頭的內(nèi)存中，從而可保證變送器在運(yùn)行過(guò)程中能精確地進(jìn)行信號(hào)修正。

電子線路板模塊接收來(lái)自傳感膜頭的數(shù)字輸入信號(hào)和修正系數(shù)，然后對(duì)信號(hào)加以修正與線性化。電子線路板模塊的輸出部分將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA DC電流信號(hào)，并與手持通信器進(jìn)行通信。

在電子線路板模塊的永久性EEPROM存儲(chǔ)器中存有變送器的組態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)遇到意外停電，其中數(shù)據(jù)仍然保存，所以恢復(fù)供電之后，變送器能立即工作。

數(shù)字通信格式符合HART協(xié)議，該協(xié)議使用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Bell 202頻移調(diào)制（FSK）技術(shù)。通過(guò)在4～20mA DC輸出信號(hào)上疊加高頻信號(hào)來(lái)完成遠(yuǎn)程通信。羅斯蒙特公司采用這一技術(shù)，能在不影響回路完整性的情況下實(shí)現(xiàn)同時(shí)通信和輸出。

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，其上帶有鍵盤(pán)及液晶顯示器。它可以接在現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)端子上，就地設(shè)定或檢測(cè)，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室中，接在某個(gè)變送器的信號(hào)線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測(cè)。為了便于通信，信號(hào)回路必須有不小于250Ω的負(fù)載電阻。其連接示意圖如圖3-15所示。

手持通信器能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能。

（1）組態(tài)　組態(tài)可分為兩部分。首先，設(shè)定變送器的工作參數(shù)，包括測(cè)量范圍、線性或平方根輸出、阻尼時(shí)間常數(shù)、工程單位選擇；其次，可向變送器輸入信息性數(shù)據(jù)，以便對(duì)變送器進(jìn)行識(shí)別與物理描述，包括給變送器指定工位號(hào)、描述符等。

（2）測(cè)量范圍的變更　當(dāng)需要更改測(cè)量范圍時(shí)，不需到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

（3）變送器的校準(zhǔn)　包括零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)。

（4）自診斷　3051C型變送器可進(jìn)行連續(xù)自診斷。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，變送器將激活用戶(hù)選定的模擬輸出報(bào)警。手持通信器可以詢(xún)問(wèn)變送器，確定問(wèn)題所在。變送器向手持通信器輸出特定的信息，以識(shí)別問(wèn)題，從而可以快速地進(jìn)行維修。

由于智能型差壓變送器有好的總體性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定工作能力，所以每五年才需校驗(yàn)一次。智能型差壓變送器與手持通信器結(jié)合使用，可遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，尤其是危險(xiǎn)或不易到達(dá)的地方，給變送器的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了極大的方便。

五、壓力計(jì)的選用及安裝

正確地選用及安裝是保證壓力計(jì)在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)有作用的重要環(huán)節(jié)。

1.壓力計(jì)的選用

壓力計(jì)的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過(guò)程對(duì)壓力測(cè)量的要求，結(jié)合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析。選用壓力計(jì)和選用其他儀表一樣，一般應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）儀表類(lèi)型的選用　儀表類(lèi)型的選用必須滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄或報(bào)警；被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性能（諸如腐蝕性、溫度高低、黏度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是否對(duì)測(cè)量?jī)x表提出特殊要求；現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（諸如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件等）對(duì)儀表類(lèi)型有否特殊要求等等。總之，根據(jù)工藝要求正確選用儀表類(lèi)型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的重要前提。

例如普通壓力計(jì)的彈簧管多采用銅合金，高壓的也有采用碳鋼的，而氨用壓力計(jì)彈簧管的材料卻都采用碳鋼，不允許采用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，所以普通壓力計(jì)用于氨氣壓力測(cè)量時(shí)很快就要損壞。

氧氣壓力計(jì)與普通壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上完全相同，只是氧用壓力計(jì)禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)易引起爆炸。所用氧氣壓力計(jì)在校驗(yàn)時(shí)，不能像普通壓力計(jì)那樣采用變壓器油作為工作介質(zhì)，并且氧氣壓力計(jì)在存放中要嚴(yán)格避免接觸油污。如果必須采用現(xiàn)有的帶油污的壓力計(jì)測(cè)量氧氣壓力時(shí)，使用前必須用四氯化碳反復(fù)清洗，認(rèn)真檢查直到無(wú)油污時(shí)為止。

（2）儀表測(cè)量范圍的確定　儀表的測(cè)量范圍是指該儀表可按規(guī)定的精確度對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的范圍，它是根據(jù)操作中需要測(cè)量的參數(shù)的大小來(lái)確定的。

在測(cè)量壓力時(shí)，為了延長(zhǎng)儀表使用壽命，避免彈性元件因受力過(guò)大而損壞，壓力計(jì)的上限值應(yīng)該高于工藝生產(chǎn)中可能的最大壓力值。根據(jù)“化工自控設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定”，在測(cè)量穩(wěn)定壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)測(cè)量上限值的2/3；測(cè)量脈動(dòng)壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)測(cè)量上限值的1/2；測(cè)量高壓壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)測(cè)量上限值的3/5。

為了保證測(cè)量值的準(zhǔn)確度，所測(cè)的壓力值不能太接近于儀表的下限值，亦即儀表的量程不能選得太大，一般被測(cè)壓力的最小值不低于儀表滿(mǎn)量程的1/3為宜。

根據(jù)被測(cè)參數(shù)的最大值和最小值計(jì)算出儀表的上、下限后，還不能以此數(shù)值直接作為儀表的測(cè)量范圍。因?yàn)閮x表標(biāo)尺的極限值不是任意取一個(gè)數(shù)字都可以的，它是由國(guó)家主管部門(mén)用規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了的。因此，選用儀表的標(biāo)尺極限值時(shí)，也只能采用相應(yīng)的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值（一般可在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄中找到）。

（3）儀表精度級(jí)的選取　儀表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測(cè)量誤差來(lái)確定的。一般來(lái)說(shuō)，所選用的儀表越精密，則測(cè)量結(jié)果越精確、可靠。但不能認(rèn)為選用的儀表精度越高越好，因?yàn)樵骄艿膬x表，一般價(jià)格越貴，操作和維護(hù)越費(fèi)事。因此，在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，應(yīng)盡可能選用精度較低、價(jià)廉耐用的儀表。

下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明壓力表的選用。

例3　某臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力范圍為25～28MPa，測(cè)量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察，并能高低限報(bào)警，試正確選用一臺(tái)壓力表，指出型號(hào)、精度與測(cè)量范圍。

解　由于往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力脈動(dòng)較大，所以選擇儀表的上限值為

p₁=p_max×2=28×2=56MPa

根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報(bào)警的要求，由本章附錄一，可查得選用YX-150型電接點(diǎn)壓力表，測(cè)量范圍為0～60MPa。

由于，故被測(cè)壓力的最小值不低于滿(mǎn)量程的1/3，這是允許的。

另外，根據(jù)測(cè)量誤差的要求，可算得允許誤差為

所以，精度等級(jí)為1.5級(jí)的儀表完全可以滿(mǎn)足誤差要求。

至此，可以確定，選擇的壓力表為YX-150型電接點(diǎn)壓力表，測(cè)量范圍為0～60MPa，精度等級(jí)為1.5級(jí)。

2.壓力計(jì)的安裝

壓力計(jì)的安裝正確與否，直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和壓力計(jì)的使用壽命。

（1）測(cè)壓點(diǎn)的選擇　所選擇的測(cè)壓點(diǎn)應(yīng)能反映被測(cè)壓力的真實(shí)大小。為此，必須注意以下幾點(diǎn)。

①要選在被測(cè)介質(zhì)直線流動(dòng)的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地方。

②測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的壓力時(shí)，應(yīng)使取壓點(diǎn)與流動(dòng)方向垂直，取壓管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應(yīng)保持平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。

③測(cè)量液體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體；測(cè)量氣體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上方，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。

（2）導(dǎo)壓管鋪設(shè)

①導(dǎo)壓管粗細(xì)要合適，一般內(nèi)徑為6～10mm，長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短，最長(zhǎng)不得超過(guò)50m，以減少壓力指示的遲緩。如超過(guò)50m，應(yīng)選用能遠(yuǎn)距離傳送的壓力計(jì)。

②導(dǎo)壓管水平安裝時(shí)應(yīng)保證有1∶10～1∶20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的排出。

③當(dāng)被測(cè)介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時(shí)，必須加設(shè)保溫伴熱管線。

④取壓口到壓力計(jì)之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計(jì)時(shí)使用。切斷閥應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的地方。

（3）壓力計(jì)的安裝

①壓力計(jì)應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。

②安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動(dòng)和高溫影響。

③測(cè)量蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測(cè)壓元件接觸［見(jiàn)圖3-16（a）］；對(duì)于有腐蝕性介質(zhì)的壓力測(cè)量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐，圖3-16（b）表示了被測(cè)介質(zhì)密度ρ₂大于和小于隔離液密度ρ₁的兩種情況。

總之，針對(duì)被測(cè)介質(zhì)的不同性質(zhì)（高溫、低溫、腐蝕、臟污、結(jié)晶、沉淀、黏稠等），要采取相應(yīng)的防熱、防腐、防凍、防堵等措施。

④壓力計(jì)的連接處，應(yīng)根據(jù)被測(cè)壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧希鳛槊芊鈮|片，以防泄漏。

⑤當(dāng)被測(cè)壓力較小，而壓力計(jì)與取壓口又不在同一高度時(shí)，對(duì)由此高度而引起的測(cè)量誤差應(yīng)按Δp=±Hρg進(jìn)行修正。式中H為高度差，ρ為導(dǎo)壓管中介質(zhì)的密度，g為重力加速度。

⑥為安全起見(jiàn)，測(cè)量高壓的壓力計(jì)除選用有通氣孔的外，安裝時(shí)表殼應(yīng)向墻壁或無(wú)人通過(guò)之處，以防發(fā)生意外。