2.4.2 測(cè)壓儀表

測(cè)壓儀表通常分為液體式壓力計(jì)、彈性式壓力表、活塞式壓力計(jì)和電測(cè)式壓力計(jì)。其中，彈性式壓力表使用最為廣泛；但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的需要，現(xiàn)在越來越多地使用電測(cè)式壓力計(jì)，即壓力傳感器或壓力變送器[25]。這里重點(diǎn)介紹常用的測(cè)壓儀表。

圖2?14單圈彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)

1—彈簧管 2—扇形輪 3—下夾板 4—拉桿 5—外殼 6—管接頭 7—支持器 8—上夾板 9—指針

10—表盤 11—中心小齒輪

1.彈性式壓力表

單圈彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)如圖2?14所示。其動(dòng)作原理是：當(dāng)管接頭6與被測(cè)壓力管路相連接時(shí)，被測(cè)的工作介質(zhì)就進(jìn)入到彈簧管1內(nèi)，使彈簧管自由端向右上方移動(dòng)，從而帶動(dòng)拉桿4，使扇形輪2繞自己的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，中心小齒輪11也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣裝在小齒輪軸上的指針9也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，按照指針在表盤上移動(dòng)的位置，便可確定被測(cè)壓力的大小。

標(biāo)準(zhǔn)壓力表精度等級(jí)應(yīng)不低于0.4級(jí)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)壓力表，使用范圍應(yīng)在壓力表量程的1/3～2/3的范圍之內(nèi)。測(cè)量液力透平的規(guī)定點(diǎn)時(shí)，其指針應(yīng)在量程的1/3以上。壓力表的上限壓力分別為1×10nMPa、1.6×10nMPa、2.5×10nMPa、4×10nMPa、6×10nMPa，其中n=-1，0，1，2，3，4等。

彈簧壓力表由于溫度變化引起的示值誤差按下式計(jì)算

Δ≤（δ±0.04Δt） （2?14）式中δ——壓力表精度級(jí)別的百分?jǐn)?shù)；

Δt——使用溫度與校核時(shí)溫度之差。

當(dāng)測(cè)量壓力大于大氣壓力時(shí)，應(yīng)排盡儀表與取壓孔之間連接管內(nèi)的空氣并充滿水之后再讀儀表的示值。當(dāng)測(cè)量壓力小于大氣壓力時(shí)，彈簧真空壓力計(jì)的連接管內(nèi)允許充氣，但應(yīng)注意連接管內(nèi)不得存水。

2.電容式壓力變送器

電容式壓力變送器是應(yīng)用十分廣泛的一種壓力變送器，它包括壓力、差壓、絕對(duì)壓力、帶開方的壓差（用于流量測(cè)量）等幾個(gè)品種，以及高差壓、微差壓、高靜壓等規(guī)格。尤其是電容式差壓變送器，采用差動(dòng)電容作為檢測(cè)元件，完全沒有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械調(diào)整裝置，尺寸緊湊、抗振性好、準(zhǔn)確度高，而且零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整互不影響，因此，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二室結(jié)構(gòu)的電容式差壓傳感器如圖2?15所示。圖中金屬膜6為電容左右兩個(gè)定極板，測(cè)量膜片7為動(dòng)極板，并將左右空間分隔成兩個(gè)室。左右二室充滿硅油，當(dāng)左右二室承受高壓pH和低壓pL時(shí)，硅油的不可壓縮性和流動(dòng)性將壓差Δp=pH-pL傳遞到測(cè)量膜片左右面上。當(dāng)Δp=0時(shí)，左右兩電容CH與CL相等，ΔC=CH-CL=0；當(dāng)Δp≠0時(shí)，測(cè)量膜片7變形，即動(dòng)極板向低壓側(cè)定極板靠近，同時(shí)遠(yuǎn)離高壓側(cè)定極板，從而使CL>CH。采用差動(dòng)電容的好處是減少介電常數(shù)ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性，又可提高靈敏度，改善線性關(guān)系。

圖2?15 二室結(jié)構(gòu)的電容式差壓傳感器

1、4—波紋隔離膜片 2、3—不銹鋼基座 5—玻璃層 6—金屬膜 7—測(cè)量膜片

當(dāng)Δp≠0時(shí)，兩側(cè)電容變化如圖2?16所示。圖中動(dòng)極板變形至虛線所示位置時(shí)，它與動(dòng)極板初始位置間的假想電容為CA，它與低壓側(cè)定極板間電容為CL，它與高壓側(cè)定極板間電容為CH。

由此得出

式中 C0——測(cè)量膜片在初始位置時(shí)

與定極板間電容。

對(duì)于有初始張力的測(cè)量膜片，在差壓Δp=pH-pL作用下的撓度與差壓成正比，由此可得

式中 K1——結(jié)構(gòu)常數(shù)，它與定極板曲率半徑、球面定極板在中央動(dòng)極板初始平面上投影半徑、測(cè)量膜片可動(dòng)部分半徑、定極板球面中央與測(cè)量極板距離、球面定極板邊緣與測(cè)量極板距離及測(cè)量極板初始張力有關(guān)。

圖2?16 有差壓時(shí)兩側(cè)電容變化

a）電容變化 b）等效關(guān)系

3.壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制造的一種新型的傳感器，如將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線制成半導(dǎo)體應(yīng)變片，稱為“擴(kuò)散硅應(yīng)變片”。因N型硅基底即為彈性元件，并與擴(kuò)散電阻結(jié)合在一起，無須粘貼，硅片邊緣有一個(gè)很厚的環(huán)形，中間部分很薄，形如杯子，故稱“硅杯”，這種擴(kuò)散硅壓阻元件結(jié)構(gòu)如圖2?17所示。通常硅杯1的尺寸十分小巧緊湊，直徑約為1.8～10mm，膜厚為50～500μm。

由擴(kuò)散硅傳感器構(gòu)成的差壓變送器，其典型電路原理如圖2?18所示。

圖2?17 擴(kuò)散硅壓阻元件結(jié)構(gòu)

1—硅杯 2—膜片 3—擴(kuò)散電阻 4—內(nèi)部引線 5—引線段 6—壓力接管

在差壓變送器中，硅杯上的應(yīng)變電橋由1mA的恒流源供電，無差壓時(shí)，R1=R2=R3=R4，左右橋臂支路上的電流相等，I1=I2=0.5mA。有差壓時(shí)，R4減小，R2增大。因I2不變導(dǎo)致b點(diǎn)的電位升高。同時(shí)，R3增大、R1減小，引起a點(diǎn)電位下降。對(duì)角線ab間的電壓輸入到運(yùn)算放大器A，放大后的輸出電壓經(jīng)過晶體管VT轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)（3～19mA），此電流流過負(fù)反饋電阻Rf，導(dǎo)致b點(diǎn)電位下降，直至ab兩點(diǎn)間的電壓接近為零。恒流源保證電橋的總電流為1mA。

于是，變送器的總電流就是4～20mA，此輸出電流可以反映差壓大小。

圖2?18 擴(kuò)散硅差壓變送器電路原理