2.4.2 測壓儀表

測壓儀表通常分為液體式壓力計、彈性式壓力表、活塞式壓力計和電測式壓力計。其中，彈性式壓力表使用最為廣泛；但隨著科學技術的發展和自動測控系統的需要，現在越來越多地使用電測式壓力計，即壓力傳感器或壓力變送器[25]。這里重點介紹常用的測壓儀表。

圖2?14單圈彈簧管壓力表結構

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構如圖2?14所示。其動作原理是：當管接頭6與被測壓力管路相連接時，被測的工作介質就進入到彈簧管1內，使彈簧管自由端向右上方移動，從而帶動拉桿4，使扇形輪2繞自己的軸心轉動一定的角度，中心小齒輪11也隨著轉動。這樣裝在小齒輪軸上的指針9也同時轉動一定的角度，按照指針在表盤上移動的位置，便可確定被測壓力的大小。

標準壓力表精度等級應不低于0.4級。試驗時應使用標準壓力表，使用范圍應在壓力表量程的1/3～2/3的范圍之內。測量液力透平的規定點時，其指針應在量程的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算

Δ≤（δ±0.04Δt） （2?14）式中δ——壓力表精度級別的百分數；

Δt——使用溫度與校核時溫度之差。

當測量壓力大于大氣壓力時，應排盡儀表與取壓孔之間連接管內的空氣并充滿水之后再讀儀表的示值。當測量壓力小于大氣壓力時，彈簧真空壓力計的連接管內允許充氣，但應注意連接管內不得存水。

2.電容式壓力變送器

電容式壓力變送器是應用十分廣泛的一種壓力變送器，它包括壓力、差壓、絕對壓力、帶開方的壓差（用于流量測量）等幾個品種，以及高差壓、微差壓、高靜壓等規格。尤其是電容式差壓變送器，采用差動電容作為檢測元件，完全沒有機械傳動機構和機械調整裝置，尺寸緊湊、抗振性好、準確度高，而且零點調整和量程調整互不影響，因此，得到越來越廣泛的應用。

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

圖2?15 二室結構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—測量膜片

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

由此得出

式中 C0——測量膜片在初始位置時

與定極板間電容。

對于有初始張力的測量膜片，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——結構常數，它與定極板曲率半徑、球面定極板在中央動極板初始平面上投影半徑、測量膜片可動部分半徑、定極板球面中央與測量極板距離、球面定極板邊緣與測量極板距離及測量極板初始張力有關。

圖2?16 有差壓時兩側電容變化

a）電容變化 b）等效關系

3.壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是利用半導體壓阻效應制造的一種新型的傳感器，如將P型雜質擴散到N型硅片上，形成極薄的導電P型層，焊上引線制成半導體應變片，稱為“擴散硅應變片”。因N型硅基底即為彈性元件，并與擴散電阻結合在一起，無須粘貼，硅片邊緣有一個很厚的環形，中間部分很薄，形如杯子，故稱“硅杯”，這種擴散硅壓阻元件結構如圖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。

由擴散硅傳感器構成的差壓變送器，其典型電路原理如圖2?18所示。

圖2?17 擴散硅壓阻元件結構

1—硅杯 2—膜片 3—擴散電阻 4—內部引線 5—引線段 6—壓力接管

在差壓變送器中，硅杯上的應變電橋由1mA的恒流源供電，無差壓時，R1=R2=R3=R4，左右橋臂支路上的電流相等，I1=I2=0.5mA。有差壓時，R4減小，R2增大。因I2不變導致b點的電位升高。同時，R3增大、R1減小，引起a點電位下降。對角線ab間的電壓輸入到運算放大器A，放大后的輸出電壓經過晶體管VT轉換成電流信號（3～19mA），此電流流過負反饋電阻Rf，導致b點電位下降，直至ab兩點間的電壓接近為零。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 擴散硅差壓變送器電路原理