第一篇 化工测量仪表
在化工生产过程中, 为了有效地进行生产操作和自动控制, 需要对工艺
生产中的一些主要参数进行自动测量 。 用来测量这些参数的仪表称为化工
测量仪表 。 本篇将在介绍有关测量和测量仪表的基本知识的基础上, 介绍
有关压力, 流量, 液位, 温度等参数的测量方法及其相应的测量仪表 。
本篇实际上是研究如何获取化工生产过程中的, 信息, 的 。
一, 测量过程与测量误差
1,测量过程
参数检测就是用专门的技术工具, 依靠能量的变换, 实验和计算找到被测量的值 。
被测
变量 传感器
参数检测的基本过程
被测对象 变送器 显示装置
传感器 又称为检测元件或敏感元件, 它直接响应被测变量, 经能量转
换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号, 如 mV、
V,mA,Ω,Hz,位移, 力等等 。
由于传感器的输出信号种类很多, 而且信号往往很微弱, 一般都需要
经过变送环节的进一步处理, 把传感器的输出转换成如 0～ 10mA,4～
20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号, 这种检
测仪表称为 变送器 。
有些时候, 传感器可以不经过变送环节, 直接通过显示装置把被测量
显示出来 。
第 1章 测量仪表基本知识
2,测量误差
测量误差 —— 仪表测得的 测量值 与 被测真值 之差
ix tx it
xx? ? ?
由于真值在理论上是无法真正被获取的, 因此, 测量误差就是指检测
仪表 （ 精度较低 ） 和标准表 （ 精度较高 ） 在同一时刻对同一被测变量进行
测量所得到的 2个读数之差 。 即,
0ixx? ? ?
x0—— 标准表读数
测量误差的几种表示形式,绝对误差
0ixx? ? ?
实际相对误差
1 100%
tx
? ???
标称相对误差
2
0
100%x? ???
相对百分误差
3
m a x m i n
100%xx? ????
二, 测量仪表的品质指标
1,测量仪表的准确度 （ 精确度 ）
一台测量范围 0～ 1000kPa的压力测量仪表, 其最大绝对误差 10kPa(在整
个量程范围内 ),另一台测量范围 0～ 400kPa的压力测量仪表, 其最大绝对
误差 5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
虽然后者的最大绝对误差较小, 但这并不说明后者较前者精度高 。
在自动化仪表中, 通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度, 定义仪表的精度等级 。
由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误
差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差,
m a x
m a x m i n
100%xx? ??? ?最大绝对误差 ＝量程
仪表的 精度等级 （ 精确度等级 ）是指仪表在规定的工
作条件下允许的最大相对百分误差。
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
仪表的精度等级 （ 精确度等级 ） 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 。
把仪表允许的最大相对百分误差去掉, ±,号和, ％, 号, 便可以用来确定仪表的精度等级 。
目前, 按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有,
0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 。
所谓的 0.5级仪表, 表示该仪表允许的最大相对百分误差为 ± 0.5％, 以此类推 。
精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上,
1.5 1.0
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。
精度等级数值小于等于 0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级
数值一般大于等于 0.5。
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例：某压力变送器测量范围为 0～ 400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误
差为 — 5kPa，请确定该仪表的精度等级。
解：先求最大相对百分误差 5
* 1 0 0 % 1, 2 5 %4 0 0 0? ?? ? ??
去掉 ?和 %为 1.25，因此该变送器精度等级为 1.5级
例,根据工艺要求选择一测量范围为 0~40m3/h的流量计，要求测量误差不超过
?0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差 0, 5 * 1 0 0 % 1, 2 5 %
4 0 0?
?? ? ?
?
因此该流量计必须选择 1.0级的流量计
结论,
工艺要求的允许误差 ≥ 仪表的允许误差 ≥ 校验所得到的相对百分误差
2,非线性误差
在通常情况下, 总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应
关系 。 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的
实际对应关系与理论直线的吻合程度 。
通常非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线 （ 也称为校准曲线 ） 与理论
直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
被测变量
仪
表
输
出
理论
实际
max??
m a x 100
f?
????
测量范围上限－测量范围下限
％
3,变 差
在外界条件不变的情况下, 使用同一仪表对被测变量在全量程范围内
进行正反行程 （ 即逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时, 对应于同
一被测值的仪表输出可能不等, 二者之差的绝对值即为变差 。
变差的大小, 根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误
差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
被测变量
仪
表
输
出 下行程
上行程
max???
m a x 100?????
测量范围上限－测量范围下限
变 差 ％
4,灵敏度和分辨力
灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度, 它是指仪表
输出变化量和输入变化量之比, 即
灵敏度＝ Δy/Δx
分辨力又称为灵敏限, 是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量, 它也是灵
敏度的一种反映 。 对数字式仪表来说, 分辨力就是数字显示仪表变化一个 LSB（ 二
进制最低有效位 ） 时输入的最小变化量 。
5,动态误差
相对百分误差, 非线性误差, 变差都是稳态 （ 静态 ） 误差 。
动态误差是指检测系统受外扰动作用后, 被测变量处于变动状态下仪表示值
与参数实际值之间的差异 。
引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式
转换需要时间所造成的 。
衡量各种运动惯性的大小, 以及能量传递的快慢常采用时间常数 T和传递滞后
时间 （ 纯滞后时间 ） τ 两个参数表示 （ 这两个参数的含义与上一章中对象数
学模型中的时间常数 T和纯滞后时间 τ 的数学含义是一致的 ）
它们的存在会降低检测过程的动态性能, 其中纯滞后时间 τ 的不利影响会远
远超过时间常数 T的影响 。
三、测量系统中的常见信号类型
作用于测量装置输入端的被测信号, 要转换成以下几种便于传输和显
示的信号类型,
? 1,位移信号,
是一种机械信号, 包括直线位移和角位移 。 在测量力, 压力, 质量,
振动等物理量时, 要先把它们转换成位移量再处理 。
? 2,压力信号,
包括气压信号和液压信号, 工业检测中主要应用气压信号 。
? 3,电气信号,
有电压信号, 电流信号, 阻抗信号和频率信号等 。
传送快, 滞后小, 可远距离传递, 便于和电子计算机联接 。
? 4,光信号,
包括光通量信号, 干涉条纹信号, 衍射条纹信号, 莫尔条纹信号等 。
可是连续得, 也可是断续 （ 脉冲 ） 式的 。
四、测量系统中信号的传递形式
从传递信号的连续性的观点来分, 在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟
信号, 数字信号和开关信号,
1,模拟信号,
模拟信号,在时间上是连续变化的, 在任何瞬时都可以确定其数值的信号 。
可以变换为电信号, 即是平滑地, 连续地变化的电压或电流信号 。
例如,连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化
的电势信号 。
2,数字信号,
数字信号,是一种以离散形式出现的不连续信号, 通常用二进制数, 0”
和, 1”组合的代码序列来表示 。 数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲
和高低电平交替变化的电压信号 。
连续变化的工艺参数 （ 模拟信号 ） 可以通过数字式传感器直接转换成数字
信号 。 然而, 大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号, 然后
再利用模拟 -数字 （ A/D） 转换技术把电模拟量转换成数字量 。 将一个模拟信
号转换为数字信号时, 必须用一定的计量单位使连续参数整量化, 即用最接
近的离散值 （ 数字量 ） 来近似表示连续量的大小 。 由于数字量只能增大或减
小一个单位, 所以, 计量单位越小, 整量化所造成的误差也就越小 。
? 3,开关信号,
开关信号,用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号 。
例如,用水银触点温度计来检测温度的变化时, 可利用水银
触点的, 断开, 与, 闭合, 来判断温度是否达到给定值 。
在自动检测技术中, 利用开关式传感器 （ 如干簧管, 电触点
式传感器 ） 可以将模拟信号变换成开关信号 。
五、测量仪表的分类
1,根据所测参数的不同, 分成压力 （ 差压, 负压 ） 测量仪
表, 流量测量仪表, 物位 （ 液位 ） 测量仪表, 温度测量
仪表, 物质成分分析仪表及物性检测仪表等 。
2,按表达示数的方式不同, 分成指示型, 记录型, 讯号型,
远传指示型, 累积型等 。
3,按精度等级及使用场合的不同, 分成实用仪表, 范型仪
表和标准仪表, 分别使用在现场, 实验室, 标定室 。
六、化工检测的发展趋势
由于化工生产过程中被测介质形态多样 （ 气态, 液态,
固态及混合体 ） ；有时还具有特殊性质 （ 强腐蚀, 强辐
射, 高温, 高压, 深冷, 真空, 高粘度等 ） ；检测环境
比较恶劣, 存在众多的影响和干扰, 如电源电压, 频率
波动, 温度, 压力变化, 水汽, 湿度, 光照, 辐射, 盐
雾, 烟雾, 粉尘等, 这些情况都要求化工检测仪表有稳
定的工作特性, 高的抗干扰能力和相应的防护措施 。
检测技术及仪器仪表的发展,
? 1,检测技术的现代化,
随着科学技术的发展, 新技术, 新材料, 新工艺不断
涌现, 新的检测方法不断得到开发 。
? 2,检测仪表的集成化, 数字化, 智能化,
传感器, 集成电路, 电子技术, 数字化技术, 微机技
术的应用
例题分析
2,某台测温仪表的测温范围为 200~1000○ C,工
艺上要求测温误差不能大于 ± 5○ C,试确定应
选仪表的准确度等级 。
解,工艺上允许的相对百分误差为,
δ允 =± 5/（ 1000-200） × 100%=± 0.625%
要求所选的仪表相对百分误差不能大于工艺上的
δ允, 才能保证测温误差不大于 ± 5○ C,所以所
选仪表的准确度等级应为 0.5级 。
仪表的准确度等级越高, 能使测温误差越小, 但
为了不增加投资费用, 不宜选用过高准确度的
仪表 。
第 2章 压力测量
压力,化工生产中, 由气体或液体均匀垂直地作用于单位面
积上的力 。
化工生产中, 通常遇到压力和真空度的测量 。 若压力不
符合要求, 不仅会影响生产效率, 降低产品质量, 还会造成
严重生产事故 。 化学反应中, 压力既影响物料平衡关系, 也
影响化学反应速度 。 所以, 压力的测量与控制, 对保证生产
过程正常进行, 达到高产, 优质, 低消耗和安全是十分重要
的
三种压力表示方法
绝对压力 pa
表压力 p
负压或真空度 ph
第一节 压力单位及测压仪表
pa
绝对压力零线
p
ph
pa
大气压 p0
1.01325× 105Pa
绝对压力是指物体所受的实际压力 。
表压是指一般压力表所测得的压力, 它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差, 即
0ap p p??
真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差, 有时也称为负压, 即
0hap p p??
由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中, 本身就承受着大气压力, 因此工程
上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小, 一般的压力检测仪表所指示的压力也是
表压或者真空度 。
除特殊说明之外, 以后所提及的压力均指表压 。
压力检测仪表的分类
目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多, 根据敏感元件和转换原理
的不同, 一般分为四类,
(1)液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃 U形管或单管进行测量 。
(2)弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理, 将被测压力转换成位移进行测
量的 。 常用的弹性元件有弹簧管, 膜片和波纹管等 。
(3)电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表,
如电阻, 电荷量等 。
(4)活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理, 将被测压力转换成活塞面积上
所加平衡砝码的质量来进行测量 。
活塞式压力计的测量精度较高, 允许误差可以小到 0.05％ ～ 0.02％,
它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定 。
液柱式压力检测
液柱式压力检测是以 液体静力学原理 为基础的, 它们一
般采用水银或水为工作液, 用 U型管进行测量, 常用于较低
压力, 负压或压力差的检测 。
p1 p2 p1 p2
h
(a) (b)
21p p p g h?? ? ? ?
特点：直观, 可靠, 准确度较高等, 但 U形管只能测量较低
的压力或差压, 为了便于读数, U形管一般是用玻璃做成, 易
破损, 另外它只能进行现场指示 。
用 U形管进行压力检测, 其误差来源主要有,
① 温度误差 —— 由使用环境温度的变化引起的测量误差 。
它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化 （ 要求 U形管材料的温度系数
极小 ） ；二是工作液密度随温度的变化 。 例如水, 当温度从 10℃ 变到 20℃ 时, 其密
度从 999.8kg/m3减小到 998.3kg/m3,相对变化量为 0.15％ 。
② 安装误差 —— 当 U形管安装不垂直时将会产生安装误差 。 例如 若倾斜 5°, 读数误差
约 0.38％ 。
第二节 弹性式压力计
弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法 。
xp xp
xp
xp xp
x x x
x
x
平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管
膜 片 受压力作用产生位移, 可直接带动传动机构指示 。 但是膜片的位移较小, 灵敏度低, 指示精度不高,
一般为 2.5级 。 膜片更多的是和其他转换元件合起来使用, 通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；
波纹管 的位移相对较大, 一般可在其顶端安装传动机构, 带动指针直接读数 。 其特点是灵敏高 （ 特别是在
低压区 ）, 常用于检测较低的压力 （ 1.0～ 106Pa）, 但波纹管迟滞误差较大, 精度一般只能达到 1.5级；
弹簧管 结构简单, 使用方便, 价格低廉, 它使用范围广, 测量范围宽, 可以测量负压, 微压, 低压, 中压
和高压, 因此应用十分广泛 。 根据制造的要求, 仪表精度最高可达 0.15级 。
—— 弹簧管和弹簧管压力表
弹簧管是横截面呈非圆形 （ 椭圆形或扁圆形 ）,
弯成圆弧状 （ 中心角常为 270° ） 的空心管子 。
管子的一端为封闭, 另一端为开口 。 闭口端作
为自由端, 开口端作为固定端 。
被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔, 由于弹簧管的非圆横截面, 使它有
变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩, 其结果使弹簧管的自由端产生位移, 同时改变其
中心角 。 位移量 （ 中心角改变量 ） 和所加压力有如下的函数关系,
22
222
0
)1(1
??
??
?
?
?
??????
a
b
bh
R
EP
式中 θ 0为弹簧管中心角的初始角； Δθ为受压后中心角的改变量； R为弹簧管弯曲圆弧的
外半径； h为管壁厚度； a,b为弹簧管椭圆形截面的长, 短半轴 。
0
P
?
?
?
?
1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮
4－中心齿轮 5－指针 6－－面板
7－游丝 8－调节螺钉 9－接头
图 3-18 弹簧管压力表
弹簧管自由端 B的位移量一般很小, 需要通过放大机
构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量,
也可采用多圈弹簧管, 其原理与单圈弹簧管相似 。
单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示
式压力检测仪表 （ 也有电接点输出的弹簧管压力表 ）
弹簧管压力表结构简单, 使用方便, 价格低廉, 测量
范围宽, 可以测量负压, 微压, 低压, 中压和高压
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为 1.5级或 2.5级, 但根据制造的要求, 其精
度等级最高可达 0.15级 。
—— 膜盒式差压变送器
工作原理：力矩平衡
检测元件 —— 膜盒或膜片
杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构
膜盒式差压变送器构成
△ P 测量部分 Fi
杠杆系统 △ M 放大器
反馈部分
Ff
Io
一, 电容式差压变送器
电容式 差压变送器采用差动 电容作为检测元件
主要包括测量部件和转换放大电路两部分,
差压电
容膜盒
电容 -电流转
换电路
调零、零
迁电路
电流放大器
反馈电路
Δp ΔC Ii
If
＋
＋
Iz
－
Io
测量部分 转换放大部分
第三节 电气式压力计
ΔP=0
Ci1=Ci2=15pF
ΔP＞ 0
Ci1的电容量减小
Ci2的电容量增大
—— 差动 电容测量原理
电容式 差压变送器 测量原理
电容式压力变送器, 目前 在工业生产中应
用非常广泛, 其输出信号也是标准 4～
20mADC电流信号 。
电容式压力变送器是先将压力的变化转换
为电容量的变化, 然后进行测量的 。
电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板, 在两个
固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片, 作为电容的中央动极
板, 在 测量膜片两侧的空腔中充满硅油 。
电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片, 当差压过大
并超过允许测量范围时, 测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上,
因此不易损坏, 与力矩平衡式相比, 电容式没有杠杆传动机构,
因而尺寸紧凑, 密封性与抗振性好, 测量精度相应提高, 可达 0.2
级 。
二, 应变片 压力 /差压变送器
利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为,
S
lR ??
当电阻体受外力作用时, 电阻体的长度, 截面积或电阻率会发生变化, 即其阻值也会发
生变化 。 这种 因尺寸变化引起阻值变化 称为 应变效应 。
应变片多以金属材料为主, 一般和弹性元件一起使用 。
r1 r2
1 2
3 P
(a)传感器
1－外壳 2－弹性筒 3－膜片
应变筒的上端与外壳固定在一起, 下端与不锈钢密封膜片 3
紧密接触, 应变片 r1和 r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁, 与
筒体之间不发生相对滑动 。
r1沿应变筒轴向贴放, 作为测量片； r2沿径向贴放, 作为温
度补偿片 。
图中应变片 r1,r2的静态性能完全相同 。 当膜片受到外力作
用时, 弹性筒轴向受压, 使应变片 r1产生轴向应变, 阻值
变小；而应变片 r2受到轴向压缩, 引起径向拉伸, 阻值变
大 。 实际上, r2的变化量比 r1的变化量要小, r2的主要作用
是温度补偿 。
是应变片阻值变化量的测量电桥, 图中 R3和 R4是两个阻值
相等的精密固定电阻 。
Ui E －
＋
＋
－
r1
r2
R3
R4
A B
(b)测量电桥
不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r
3 1
3 4 1 2
( ) U 0 R rUER R r r? ? ? ???, 不 受 压 时
若应变片受压, 则,r1= r0+Δr1； r2= r0+Δr2 (Δr1≠Δr2)
0 1 2201 1 2 1 2
0 1 0 2 0 1 2 0
1( )
2 4 2 2 4
r r rrr r r r r
U E E E Pr r r r r r r r
? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?
由此可见, 由压力作用时, r1和 r2一减一增, 使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化
时, r1,r2同时增减, 不影响电桥的平衡 。 如果仪表能把电桥输出电压 Ui进一步转换为标
准信号输出, 则该仪表即可称为应变式压力变送器 。
结论,应变片式压检测仪表 具有较大的测量范围, 被测压力可达几百 MPa,并具有良好
的动态性能, 适用于快速变化的压力测量 。 但是, 尽管测量电桥具有一定的温度补偿的
作用, 应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂, 因此, 这种压力检测仪表较
多地用于一般要求的动态压力检测, 测量精度一般在 0.5～ 1.0％ 左右 。
三, 压阻式 （ 扩散硅 ） 压力 /差压变送器
因 电阻率变化引起阻值变化 称为 压阻效应 。 半导体材料的压阻效应比较明显。
用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后
和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容
性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。
p2 p1
硅杯
图 3-30 压阻式传感器示意图
正压侧隔
离膜片
引出线
负压侧隔
离膜片
硅油
构成框图,
扩散硅压
阻传感器
前置
放大器
调零电路
V－ I转换 △ P US U01
UZ
IO
检测部分 电磁放大部分
测量部分 —— 扩散硅压阻传感器
—— 把被测差压 ΔP成比例地转换为不平衡电压 US
1.负压室 2.正压室 3.硅杯
4.引线 5.硅片
Ri1 Ri2 Ri3 Ri4
测量部分 —— 惠斯顿电桥
Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 U
S
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
IS
不受压时,Ri1＝ Ri2＝ Ri3＝ Ri4＝ R
测量部分 —— 电压转换
＋ US －
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
IS
受压时：△ Ri1＝△ Ri4＝ r1
△ Ri2＝△ Ri3＝ r2
24()
2
i i S
S
R R IU ??
21()
2
Sr r I??
受压时，流经 2桥臂的电流始终相等
P??
1KP??
结论,
压阻式压力传感器的主要 优点 是体积小，结构简单,
其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。
扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。
此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高
的脉动压力。
因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。
这种传感器的缺点则是 扩散 电阻 存在温度效应,容易受环境温度的影响,有些厂家在
传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单
晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。
第四节 压力计的选用和安装
选用＋安装
其它仪表也基本适应
一, 压力计的选用
三个方面 —— 选用时应根据生产工艺对压力检测的要求, 被测介质
的特性, 现场使用的环境等条件本着节约的原则合理
地考虑仪表的 量程, 精度, 类型 （ 材质 ） 等 。
⑴ 量程 仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围
关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定 。 同时必须考虑到被测对象
可能发生的异常超压情况, 对仪表的量程选择必须留有足够的余地 。
测量稳定压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 3/4
测量脉动压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 2/3
测量高压压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 3/5
最小工作压力 Pimin不低于上限值 Pmax的 1/3
仪表的量程等级,1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及它们 10n倍 。
在选用仪表量程时, 应采用相应规程或者标准中的数值 。
这只是一
个一般经
验要求，
不是绝对
的！！
⑵ 仪表精度 —— 根据生产允许的最大误差来确定, 即要求实际被测压力允
许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差 。
—— 在选择时应坚持节约的原则, 只要测量精度能满足生产的
要求, 就不必追求用过高精度的仪表 。
例：有一压力容器在正常工作时压力范围为 0.4～ 0.6MPa,要求使用弹簧管压力表进行检测,
并使测量误差不大于被测压力的 ± 4％, 试确定该表的量程和精度等级 。
解,由题意可知, 被测对象的压力比较稳定, 设仪表量程为 0～ AMPa, 则
根据工作压力的要求,3
0, 6 0, 84A M P a? ? ? 10, 4 1, 23A M P a? ? ?
根据仪表的量程系列, 可选用量程范围为 0～ 1.0MPa的弹簧管压力表 。
由题意, 被测压力的允许最大绝对误差为,Δmax=± 0.4*4%=± 0.016 MPa
这就要求所选仪表的相对百分误差为,0.016/（ 1-0） *100%=1.6%
按照仪表的精度等级, 可选择 1,5级的压力表 。
⑶ 仪表类型
正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提 。 主要应考虑以下几个方面,
仪表的材料 压力检测 (检测仪表 )的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触, 因
此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件 。
输
出
信
号
类
型
只需观察压力变化的, 可选如 弹簧管压力表, 液柱式压力计 那样的直接指示型的仪表；
如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表, 则可选用电气式压力检测仪表或其他具有
电信号输出的仪表；
如果要检测快速变化的压力信号, 则可选用电气式压力检测仪表, 如压阻式压力传感器；
如果控制系统要求能进行数字量通信, 则可选用智能式压力检测仪表 。
例如,对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；
氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金, 因为氨气对铜的腐
蚀性极强；
又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同, 但要禁油,
因为油进入氧气系统极易引起爆炸 。
使用环境 对爆炸性较强的环境, 在使用电气压力仪表时, 应选择防爆型压力仪表；对于
温度特别高或特别低的环境, 应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件 。
上述选型原则也适用于差压, 流量, 液位等其它检测仪表的选型
二, 压力计的安装
分三种情况介绍,
一般压力检测仪表的安装
特殊压力检测仪表的安装 （ 高温, 高压, 腐蚀等 ）
压力变送器的安装
一般压力测量仪表的安装
无论选用何种 压力 仪表和采用何种安装方式, 在安装过程中都应注意以下几点,
? 压力仪表必须经检验合格后才能安装
? 压力 仪表 的连接处, 应根据被测压力的高低和被测介质性质, 选择适当的材料作
为密封垫圈, 以防泄漏
? 压力 仪表 尽可能安装在室温, 相对湿度小于 80％, 振动小, 灰尘少, 没有腐蚀性
物质的地方, 对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰
? 压力 仪表 应垂直安装 。 一般情况下, 安装高度应与人的视线齐平, 对于高压压力
仪表, 其安装高度应高于一般人的头部
? 测量 液体 或蒸汽介质压力时, 应避免液柱产生的误差, 压力仪表应安装在与取压
口同一水平的位置上, 否则必须对压力仪表的示值进行修正
? 导压管的粗细合适, 一般为 6～ 10mm,长度尽可能短, 否则会引起测量迟缓
? 压力仪表与取压口之间应安装切断阀, 以便维修
测量特殊介质时的压力测量仪表安装
? 测量高温 （ 60℃ 以上 ） 流体介质的压力时, 为防止热介质与弹性元件直接接触,
压力仪表之前应加装 U形管或盘旋管等形式的冷凝器, 避免因温度变化对测量精度
和弹性元件产生的影响 。 如图 (a),(b)
(a) (b)
? 测量高压流体介质的压力时, 安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处,
以防发生以外 。
? 测量腐蚀性介质的压力时, 除选择具有防腐能力的压力仪表之外, 还应加装隔离
装置, 利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来, 如图 (c),(d)
(c) (d)
1
1 2
2
3 3
? 测量波动剧烈 （ 如泵, 压缩机的出口压力 ） 的压力时, 应在压力仪表之前加装针
形阀和缓冲器, 必要时还应加装阻尼器, 如图 (e)
(e)
4
? 测量粘性大或易结晶的介质压力时, 应在取压装置上安装隔离罐, 使罐内和导压
管内充满隔离液, 必要时可采取保温措施, 如图 (f)
(f)
蒸汽
? 测量含尘介质压力时, 最好在取压装置后安装一个除尘器, 如图 (g)。
(g)
5
总之, 针对被测介质的不同性质, 要采取相应的 防热, 防腐, 防冻, 防堵和防尘 等措施
差压变送器的安装
三个方面的内容,
取压口的选择
引压管的安装
变送器本身的安装
差压变送器取压口的选择 液体, 气体, 蒸汽？？
被测介质为 液体 时, 取压口应位于管道下半部与管道水平线
成 0～ 45° 角内, 目的是保证引压管内没有气泡, 两根引压管内液
柱产生的附加压力可以相互抵消；
问：能否从底部引出？ 为什么？
45° 45°
(a)液体
被测介质为 气体 时, 取压口应位于管道上半部与管道垂直中
心线成 0～ 45° 角内, 其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液
体 。
45° 45°
(b)气体
被测介质为 蒸汽 时, 取压口应位于管道上半部与管道水平线
成 0～ 45° 角内 。 最常见的接法是从管道水平位置接出, 并分别安
装凝液罐, 这样两根引压管内部都充满冷凝液, 而且液位高度相
同 。
45° 45°
(c)蒸汽
差压变送器引压管的安装
引压管应按最短距离敷设, 引压管的弯曲处应该是均匀的圆角, 曲率半径一般不小于引
压管外径的 10倍 。 引压管的管路应保持垂直, 或者与水平线之间不小于 1:10的倾斜度,
必要时要加装气体, 凝液, 微粒收集器等设备, 并定期排除收集物 。
引压管内径与引压管长度
引压管内径 引压管
mm 长度 m
被测介质
＜ 1.6 1.6～ 4.5 4.5～ 9
水、水蒸气、干气体 7～ 9 10 13
湿气体 13 13 13
低中粘度油品 13 19 25
脏液体 25 25 33
在测量液体介质时, 变送器只能安装在取样口之上时, 在引压管的管路中应有排气装置,
如图 (a)所示, 这样, 即使有少量气泡, 也不会对测量精度造成影响 。
在测量气体介质时, 如果差压变送器只能安装在取样口之下时, 必须加装如图 (b)所致
的贮液罐和排放阀, 克服因滞留液对测量精度产生影响 。
测量蒸汽时的引压管管路则如图 (c)所示 。
－ +
－ +
－ +
1 1
2 2
3 3
1 1
4 4
5 5
1
6 6
5 5
7
7
7
(a) (b) (c)
1－取压口 2－放空阀 3－贮气罐 4－贮液罐
5－排放阀 6－凝液罐 7－差压变送器
差压变送器本身的安装 差压变送器通常必须安装切断阀 1,2和平衡阀 3,构成三阀组
－ +
2 1
3
1,2－切断阀 3－平衡阀
差压变送器是用来测量差压的, 但如果正, 负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者
关闭时, 就会造成差压变送器单向受很大的静压力, 有时会使仪表产生附加误差, 严重
时会使仪表损坏 。
为了防止差压计单向受很大的静压力, 必须正确使用平衡阀 。
在 启用 差压变送器时, 应先开平衡阀 3,使正, 负压室连通, 受压相同, 然后再打开切
断阀 1,2,最后再关闭平衡阀 3,变送器即可投入运行 。
差压变送器需要 停用检修 时, 应先打开平衡阀, 然后再关闭切断阀 1,2。
当切断阀 1,2关闭, 平衡阀 3打开时, 即可以对仪表进行零点校验 。
在化工生产过程中, 为了有效地进行生产操作和自动控制, 需要对工艺
生产中的一些主要参数进行自动测量 。 用来测量这些参数的仪表称为化工
测量仪表 。 本篇将在介绍有关测量和测量仪表的基本知识的基础上, 介绍
有关压力, 流量, 液位, 温度等参数的测量方法及其相应的测量仪表 。
本篇实际上是研究如何获取化工生产过程中的, 信息, 的 。
一, 测量过程与测量误差
1,测量过程
参数检测就是用专门的技术工具, 依靠能量的变换, 实验和计算找到被测量的值 。
被测
变量 传感器
参数检测的基本过程
被测对象 变送器 显示装置
传感器 又称为检测元件或敏感元件, 它直接响应被测变量, 经能量转
换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号, 如 mV、
V,mA,Ω,Hz,位移, 力等等 。
由于传感器的输出信号种类很多, 而且信号往往很微弱, 一般都需要
经过变送环节的进一步处理, 把传感器的输出转换成如 0～ 10mA,4～
20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号, 这种检
测仪表称为 变送器 。
有些时候, 传感器可以不经过变送环节, 直接通过显示装置把被测量
显示出来 。
第 1章 测量仪表基本知识
2,测量误差
测量误差 —— 仪表测得的 测量值 与 被测真值 之差
ix tx it
xx? ? ?
由于真值在理论上是无法真正被获取的, 因此, 测量误差就是指检测
仪表 （ 精度较低 ） 和标准表 （ 精度较高 ） 在同一时刻对同一被测变量进行
测量所得到的 2个读数之差 。 即,
0ixx? ? ?
x0—— 标准表读数
测量误差的几种表示形式,绝对误差
0ixx? ? ?
实际相对误差
1 100%
tx
? ???
标称相对误差
2
0
100%x? ???
相对百分误差
3
m a x m i n
100%xx? ????
二, 测量仪表的品质指标
1,测量仪表的准确度 （ 精确度 ）
一台测量范围 0～ 1000kPa的压力测量仪表, 其最大绝对误差 10kPa(在整
个量程范围内 ),另一台测量范围 0～ 400kPa的压力测量仪表, 其最大绝对
误差 5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
虽然后者的最大绝对误差较小, 但这并不说明后者较前者精度高 。
在自动化仪表中, 通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度, 定义仪表的精度等级 。
由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误
差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差,
m a x
m a x m i n
100%xx? ??? ?最大绝对误差 ＝量程
仪表的 精度等级 （ 精确度等级 ）是指仪表在规定的工
作条件下允许的最大相对百分误差。
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
仪表的精度等级 （ 精确度等级 ） 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 。
把仪表允许的最大相对百分误差去掉, ±,号和, ％, 号, 便可以用来确定仪表的精度等级 。
目前, 按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有,
0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 。
所谓的 0.5级仪表, 表示该仪表允许的最大相对百分误差为 ± 0.5％, 以此类推 。
精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上,
1.5 1.0
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。
精度等级数值小于等于 0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级
数值一般大于等于 0.5。
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例：某压力变送器测量范围为 0～ 400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误
差为 — 5kPa，请确定该仪表的精度等级。
解：先求最大相对百分误差 5
* 1 0 0 % 1, 2 5 %4 0 0 0? ?? ? ??
去掉 ?和 %为 1.25，因此该变送器精度等级为 1.5级
例,根据工艺要求选择一测量范围为 0~40m3/h的流量计，要求测量误差不超过
?0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差 0, 5 * 1 0 0 % 1, 2 5 %
4 0 0?
?? ? ?
?
因此该流量计必须选择 1.0级的流量计
结论,
工艺要求的允许误差 ≥ 仪表的允许误差 ≥ 校验所得到的相对百分误差
2,非线性误差
在通常情况下, 总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应
关系 。 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的
实际对应关系与理论直线的吻合程度 。
通常非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线 （ 也称为校准曲线 ） 与理论
直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
被测变量
仪
表
输
出
理论
实际
max??
m a x 100
f?
????
测量范围上限－测量范围下限
％
3,变 差
在外界条件不变的情况下, 使用同一仪表对被测变量在全量程范围内
进行正反行程 （ 即逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时, 对应于同
一被测值的仪表输出可能不等, 二者之差的绝对值即为变差 。
变差的大小, 根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误
差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
被测变量
仪
表
输
出 下行程
上行程
max???
m a x 100?????
测量范围上限－测量范围下限
变 差 ％
4,灵敏度和分辨力
灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度, 它是指仪表
输出变化量和输入变化量之比, 即
灵敏度＝ Δy/Δx
分辨力又称为灵敏限, 是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量, 它也是灵
敏度的一种反映 。 对数字式仪表来说, 分辨力就是数字显示仪表变化一个 LSB（ 二
进制最低有效位 ） 时输入的最小变化量 。
5,动态误差
相对百分误差, 非线性误差, 变差都是稳态 （ 静态 ） 误差 。
动态误差是指检测系统受外扰动作用后, 被测变量处于变动状态下仪表示值
与参数实际值之间的差异 。
引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式
转换需要时间所造成的 。
衡量各种运动惯性的大小, 以及能量传递的快慢常采用时间常数 T和传递滞后
时间 （ 纯滞后时间 ） τ 两个参数表示 （ 这两个参数的含义与上一章中对象数
学模型中的时间常数 T和纯滞后时间 τ 的数学含义是一致的 ）
它们的存在会降低检测过程的动态性能, 其中纯滞后时间 τ 的不利影响会远
远超过时间常数 T的影响 。
三、测量系统中的常见信号类型
作用于测量装置输入端的被测信号, 要转换成以下几种便于传输和显
示的信号类型,
? 1,位移信号,
是一种机械信号, 包括直线位移和角位移 。 在测量力, 压力, 质量,
振动等物理量时, 要先把它们转换成位移量再处理 。
? 2,压力信号,
包括气压信号和液压信号, 工业检测中主要应用气压信号 。
? 3,电气信号,
有电压信号, 电流信号, 阻抗信号和频率信号等 。
传送快, 滞后小, 可远距离传递, 便于和电子计算机联接 。
? 4,光信号,
包括光通量信号, 干涉条纹信号, 衍射条纹信号, 莫尔条纹信号等 。
可是连续得, 也可是断续 （ 脉冲 ） 式的 。
四、测量系统中信号的传递形式
从传递信号的连续性的观点来分, 在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟
信号, 数字信号和开关信号,
1,模拟信号,
模拟信号,在时间上是连续变化的, 在任何瞬时都可以确定其数值的信号 。
可以变换为电信号, 即是平滑地, 连续地变化的电压或电流信号 。
例如,连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化
的电势信号 。
2,数字信号,
数字信号,是一种以离散形式出现的不连续信号, 通常用二进制数, 0”
和, 1”组合的代码序列来表示 。 数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲
和高低电平交替变化的电压信号 。
连续变化的工艺参数 （ 模拟信号 ） 可以通过数字式传感器直接转换成数字
信号 。 然而, 大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号, 然后
再利用模拟 -数字 （ A/D） 转换技术把电模拟量转换成数字量 。 将一个模拟信
号转换为数字信号时, 必须用一定的计量单位使连续参数整量化, 即用最接
近的离散值 （ 数字量 ） 来近似表示连续量的大小 。 由于数字量只能增大或减
小一个单位, 所以, 计量单位越小, 整量化所造成的误差也就越小 。
? 3,开关信号,
开关信号,用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号 。
例如,用水银触点温度计来检测温度的变化时, 可利用水银
触点的, 断开, 与, 闭合, 来判断温度是否达到给定值 。
在自动检测技术中, 利用开关式传感器 （ 如干簧管, 电触点
式传感器 ） 可以将模拟信号变换成开关信号 。
五、测量仪表的分类
1,根据所测参数的不同, 分成压力 （ 差压, 负压 ） 测量仪
表, 流量测量仪表, 物位 （ 液位 ） 测量仪表, 温度测量
仪表, 物质成分分析仪表及物性检测仪表等 。
2,按表达示数的方式不同, 分成指示型, 记录型, 讯号型,
远传指示型, 累积型等 。
3,按精度等级及使用场合的不同, 分成实用仪表, 范型仪
表和标准仪表, 分别使用在现场, 实验室, 标定室 。
六、化工检测的发展趋势
由于化工生产过程中被测介质形态多样 （ 气态, 液态,
固态及混合体 ） ；有时还具有特殊性质 （ 强腐蚀, 强辐
射, 高温, 高压, 深冷, 真空, 高粘度等 ） ；检测环境
比较恶劣, 存在众多的影响和干扰, 如电源电压, 频率
波动, 温度, 压力变化, 水汽, 湿度, 光照, 辐射, 盐
雾, 烟雾, 粉尘等, 这些情况都要求化工检测仪表有稳
定的工作特性, 高的抗干扰能力和相应的防护措施 。
检测技术及仪器仪表的发展,
? 1,检测技术的现代化,
随着科学技术的发展, 新技术, 新材料, 新工艺不断
涌现, 新的检测方法不断得到开发 。
? 2,检测仪表的集成化, 数字化, 智能化,
传感器, 集成电路, 电子技术, 数字化技术, 微机技
术的应用
例题分析
2,某台测温仪表的测温范围为 200~1000○ C,工
艺上要求测温误差不能大于 ± 5○ C,试确定应
选仪表的准确度等级 。
解,工艺上允许的相对百分误差为,
δ允 =± 5/（ 1000-200） × 100%=± 0.625%
要求所选的仪表相对百分误差不能大于工艺上的
δ允, 才能保证测温误差不大于 ± 5○ C,所以所
选仪表的准确度等级应为 0.5级 。
仪表的准确度等级越高, 能使测温误差越小, 但
为了不增加投资费用, 不宜选用过高准确度的
仪表 。
第 2章 压力测量
压力,化工生产中, 由气体或液体均匀垂直地作用于单位面
积上的力 。
化工生产中, 通常遇到压力和真空度的测量 。 若压力不
符合要求, 不仅会影响生产效率, 降低产品质量, 还会造成
严重生产事故 。 化学反应中, 压力既影响物料平衡关系, 也
影响化学反应速度 。 所以, 压力的测量与控制, 对保证生产
过程正常进行, 达到高产, 优质, 低消耗和安全是十分重要
的
三种压力表示方法
绝对压力 pa
表压力 p
负压或真空度 ph
第一节 压力单位及测压仪表
pa
绝对压力零线
p
ph
pa
大气压 p0
1.01325× 105Pa
绝对压力是指物体所受的实际压力 。
表压是指一般压力表所测得的压力, 它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差, 即
0ap p p??
真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差, 有时也称为负压, 即
0hap p p??
由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中, 本身就承受着大气压力, 因此工程
上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小, 一般的压力检测仪表所指示的压力也是
表压或者真空度 。
除特殊说明之外, 以后所提及的压力均指表压 。
压力检测仪表的分类
目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多, 根据敏感元件和转换原理
的不同, 一般分为四类,
(1)液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃 U形管或单管进行测量 。
(2)弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理, 将被测压力转换成位移进行测
量的 。 常用的弹性元件有弹簧管, 膜片和波纹管等 。
(3)电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表,
如电阻, 电荷量等 。
(4)活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理, 将被测压力转换成活塞面积上
所加平衡砝码的质量来进行测量 。
活塞式压力计的测量精度较高, 允许误差可以小到 0.05％ ～ 0.02％,
它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定 。
液柱式压力检测
液柱式压力检测是以 液体静力学原理 为基础的, 它们一
般采用水银或水为工作液, 用 U型管进行测量, 常用于较低
压力, 负压或压力差的检测 。
p1 p2 p1 p2
h
(a) (b)
21p p p g h?? ? ? ?
特点：直观, 可靠, 准确度较高等, 但 U形管只能测量较低
的压力或差压, 为了便于读数, U形管一般是用玻璃做成, 易
破损, 另外它只能进行现场指示 。
用 U形管进行压力检测, 其误差来源主要有,
① 温度误差 —— 由使用环境温度的变化引起的测量误差 。
它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化 （ 要求 U形管材料的温度系数
极小 ） ；二是工作液密度随温度的变化 。 例如水, 当温度从 10℃ 变到 20℃ 时, 其密
度从 999.8kg/m3减小到 998.3kg/m3,相对变化量为 0.15％ 。
② 安装误差 —— 当 U形管安装不垂直时将会产生安装误差 。 例如 若倾斜 5°, 读数误差
约 0.38％ 。
第二节 弹性式压力计
弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法 。
xp xp
xp
xp xp
x x x
x
x
平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管
膜 片 受压力作用产生位移, 可直接带动传动机构指示 。 但是膜片的位移较小, 灵敏度低, 指示精度不高,
一般为 2.5级 。 膜片更多的是和其他转换元件合起来使用, 通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；
波纹管 的位移相对较大, 一般可在其顶端安装传动机构, 带动指针直接读数 。 其特点是灵敏高 （ 特别是在
低压区 ）, 常用于检测较低的压力 （ 1.0～ 106Pa）, 但波纹管迟滞误差较大, 精度一般只能达到 1.5级；
弹簧管 结构简单, 使用方便, 价格低廉, 它使用范围广, 测量范围宽, 可以测量负压, 微压, 低压, 中压
和高压, 因此应用十分广泛 。 根据制造的要求, 仪表精度最高可达 0.15级 。
—— 弹簧管和弹簧管压力表
弹簧管是横截面呈非圆形 （ 椭圆形或扁圆形 ）,
弯成圆弧状 （ 中心角常为 270° ） 的空心管子 。
管子的一端为封闭, 另一端为开口 。 闭口端作
为自由端, 开口端作为固定端 。
被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔, 由于弹簧管的非圆横截面, 使它有
变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩, 其结果使弹簧管的自由端产生位移, 同时改变其
中心角 。 位移量 （ 中心角改变量 ） 和所加压力有如下的函数关系,
22
222
0
)1(1
??
??
?
?
?
??????
a
b
bh
R
EP
式中 θ 0为弹簧管中心角的初始角； Δθ为受压后中心角的改变量； R为弹簧管弯曲圆弧的
外半径； h为管壁厚度； a,b为弹簧管椭圆形截面的长, 短半轴 。
0
P
?
?
?
?
1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮
4－中心齿轮 5－指针 6－－面板
7－游丝 8－调节螺钉 9－接头
图 3-18 弹簧管压力表
弹簧管自由端 B的位移量一般很小, 需要通过放大机
构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量,
也可采用多圈弹簧管, 其原理与单圈弹簧管相似 。
单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示
式压力检测仪表 （ 也有电接点输出的弹簧管压力表 ）
弹簧管压力表结构简单, 使用方便, 价格低廉, 测量
范围宽, 可以测量负压, 微压, 低压, 中压和高压
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为 1.5级或 2.5级, 但根据制造的要求, 其精
度等级最高可达 0.15级 。
—— 膜盒式差压变送器
工作原理：力矩平衡
检测元件 —— 膜盒或膜片
杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构
膜盒式差压变送器构成
△ P 测量部分 Fi
杠杆系统 △ M 放大器
反馈部分
Ff
Io
一, 电容式差压变送器
电容式 差压变送器采用差动 电容作为检测元件
主要包括测量部件和转换放大电路两部分,
差压电
容膜盒
电容 -电流转
换电路
调零、零
迁电路
电流放大器
反馈电路
Δp ΔC Ii
If
＋
＋
Iz
－
Io
测量部分 转换放大部分
第三节 电气式压力计
ΔP=0
Ci1=Ci2=15pF
ΔP＞ 0
Ci1的电容量减小
Ci2的电容量增大
—— 差动 电容测量原理
电容式 差压变送器 测量原理
电容式压力变送器, 目前 在工业生产中应
用非常广泛, 其输出信号也是标准 4～
20mADC电流信号 。
电容式压力变送器是先将压力的变化转换
为电容量的变化, 然后进行测量的 。
电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板, 在两个
固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片, 作为电容的中央动极
板, 在 测量膜片两侧的空腔中充满硅油 。
电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片, 当差压过大
并超过允许测量范围时, 测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上,
因此不易损坏, 与力矩平衡式相比, 电容式没有杠杆传动机构,
因而尺寸紧凑, 密封性与抗振性好, 测量精度相应提高, 可达 0.2
级 。
二, 应变片 压力 /差压变送器
利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为,
S
lR ??
当电阻体受外力作用时, 电阻体的长度, 截面积或电阻率会发生变化, 即其阻值也会发
生变化 。 这种 因尺寸变化引起阻值变化 称为 应变效应 。
应变片多以金属材料为主, 一般和弹性元件一起使用 。
r1 r2
1 2
3 P
(a)传感器
1－外壳 2－弹性筒 3－膜片
应变筒的上端与外壳固定在一起, 下端与不锈钢密封膜片 3
紧密接触, 应变片 r1和 r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁, 与
筒体之间不发生相对滑动 。
r1沿应变筒轴向贴放, 作为测量片； r2沿径向贴放, 作为温
度补偿片 。
图中应变片 r1,r2的静态性能完全相同 。 当膜片受到外力作
用时, 弹性筒轴向受压, 使应变片 r1产生轴向应变, 阻值
变小；而应变片 r2受到轴向压缩, 引起径向拉伸, 阻值变
大 。 实际上, r2的变化量比 r1的变化量要小, r2的主要作用
是温度补偿 。
是应变片阻值变化量的测量电桥, 图中 R3和 R4是两个阻值
相等的精密固定电阻 。
Ui E －
＋
＋
－
r1
r2
R3
R4
A B
(b)测量电桥
不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r
3 1
3 4 1 2
( ) U 0 R rUER R r r? ? ? ???, 不 受 压 时
若应变片受压, 则,r1= r0+Δr1； r2= r0+Δr2 (Δr1≠Δr2)
0 1 2201 1 2 1 2
0 1 0 2 0 1 2 0
1( )
2 4 2 2 4
r r rrr r r r r
U E E E Pr r r r r r r r
? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?
由此可见, 由压力作用时, r1和 r2一减一增, 使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化
时, r1,r2同时增减, 不影响电桥的平衡 。 如果仪表能把电桥输出电压 Ui进一步转换为标
准信号输出, 则该仪表即可称为应变式压力变送器 。
结论,应变片式压检测仪表 具有较大的测量范围, 被测压力可达几百 MPa,并具有良好
的动态性能, 适用于快速变化的压力测量 。 但是, 尽管测量电桥具有一定的温度补偿的
作用, 应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂, 因此, 这种压力检测仪表较
多地用于一般要求的动态压力检测, 测量精度一般在 0.5～ 1.0％ 左右 。
三, 压阻式 （ 扩散硅 ） 压力 /差压变送器
因 电阻率变化引起阻值变化 称为 压阻效应 。 半导体材料的压阻效应比较明显。
用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后
和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容
性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。
p2 p1
硅杯
图 3-30 压阻式传感器示意图
正压侧隔
离膜片
引出线
负压侧隔
离膜片
硅油
构成框图,
扩散硅压
阻传感器
前置
放大器
调零电路
V－ I转换 △ P US U01
UZ
IO
检测部分 电磁放大部分
测量部分 —— 扩散硅压阻传感器
—— 把被测差压 ΔP成比例地转换为不平衡电压 US
1.负压室 2.正压室 3.硅杯
4.引线 5.硅片
Ri1 Ri2 Ri3 Ri4
测量部分 —— 惠斯顿电桥
Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 U
S
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
IS
不受压时,Ri1＝ Ri2＝ Ri3＝ Ri4＝ R
测量部分 —— 电压转换
＋ US －
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
IS
受压时：△ Ri1＝△ Ri4＝ r1
△ Ri2＝△ Ri3＝ r2
24()
2
i i S
S
R R IU ??
21()
2
Sr r I??
受压时，流经 2桥臂的电流始终相等
P??
1KP??
结论,
压阻式压力传感器的主要 优点 是体积小，结构简单,
其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。
扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。
此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高
的脉动压力。
因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。
这种传感器的缺点则是 扩散 电阻 存在温度效应,容易受环境温度的影响,有些厂家在
传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单
晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。
第四节 压力计的选用和安装
选用＋安装
其它仪表也基本适应
一, 压力计的选用
三个方面 —— 选用时应根据生产工艺对压力检测的要求, 被测介质
的特性, 现场使用的环境等条件本着节约的原则合理
地考虑仪表的 量程, 精度, 类型 （ 材质 ） 等 。
⑴ 量程 仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围
关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定 。 同时必须考虑到被测对象
可能发生的异常超压情况, 对仪表的量程选择必须留有足够的余地 。
测量稳定压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 3/4
测量脉动压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 2/3
测量高压压力：最大工作压力 Pimax不超过上限值 Pmax的 3/5
最小工作压力 Pimin不低于上限值 Pmax的 1/3
仪表的量程等级,1,1.6,2.5,4.0,6.0kPa以及它们 10n倍 。
在选用仪表量程时, 应采用相应规程或者标准中的数值 。
这只是一
个一般经
验要求，
不是绝对
的！！
⑵ 仪表精度 —— 根据生产允许的最大误差来确定, 即要求实际被测压力允
许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差 。
—— 在选择时应坚持节约的原则, 只要测量精度能满足生产的
要求, 就不必追求用过高精度的仪表 。
例：有一压力容器在正常工作时压力范围为 0.4～ 0.6MPa,要求使用弹簧管压力表进行检测,
并使测量误差不大于被测压力的 ± 4％, 试确定该表的量程和精度等级 。
解,由题意可知, 被测对象的压力比较稳定, 设仪表量程为 0～ AMPa, 则
根据工作压力的要求,3
0, 6 0, 84A M P a? ? ? 10, 4 1, 23A M P a? ? ?
根据仪表的量程系列, 可选用量程范围为 0～ 1.0MPa的弹簧管压力表 。
由题意, 被测压力的允许最大绝对误差为,Δmax=± 0.4*4%=± 0.016 MPa
这就要求所选仪表的相对百分误差为,0.016/（ 1-0） *100%=1.6%
按照仪表的精度等级, 可选择 1,5级的压力表 。
⑶ 仪表类型
正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提 。 主要应考虑以下几个方面,
仪表的材料 压力检测 (检测仪表 )的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触, 因
此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件 。
输
出
信
号
类
型
只需观察压力变化的, 可选如 弹簧管压力表, 液柱式压力计 那样的直接指示型的仪表；
如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表, 则可选用电气式压力检测仪表或其他具有
电信号输出的仪表；
如果要检测快速变化的压力信号, 则可选用电气式压力检测仪表, 如压阻式压力传感器；
如果控制系统要求能进行数字量通信, 则可选用智能式压力检测仪表 。
例如,对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；
氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金, 因为氨气对铜的腐
蚀性极强；
又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同, 但要禁油,
因为油进入氧气系统极易引起爆炸 。
使用环境 对爆炸性较强的环境, 在使用电气压力仪表时, 应选择防爆型压力仪表；对于
温度特别高或特别低的环境, 应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件 。
上述选型原则也适用于差压, 流量, 液位等其它检测仪表的选型
二, 压力计的安装
分三种情况介绍,
一般压力检测仪表的安装
特殊压力检测仪表的安装 （ 高温, 高压, 腐蚀等 ）
压力变送器的安装
一般压力测量仪表的安装
无论选用何种 压力 仪表和采用何种安装方式, 在安装过程中都应注意以下几点,
? 压力仪表必须经检验合格后才能安装
? 压力 仪表 的连接处, 应根据被测压力的高低和被测介质性质, 选择适当的材料作
为密封垫圈, 以防泄漏
? 压力 仪表 尽可能安装在室温, 相对湿度小于 80％, 振动小, 灰尘少, 没有腐蚀性
物质的地方, 对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰
? 压力 仪表 应垂直安装 。 一般情况下, 安装高度应与人的视线齐平, 对于高压压力
仪表, 其安装高度应高于一般人的头部
? 测量 液体 或蒸汽介质压力时, 应避免液柱产生的误差, 压力仪表应安装在与取压
口同一水平的位置上, 否则必须对压力仪表的示值进行修正
? 导压管的粗细合适, 一般为 6～ 10mm,长度尽可能短, 否则会引起测量迟缓
? 压力仪表与取压口之间应安装切断阀, 以便维修
测量特殊介质时的压力测量仪表安装
? 测量高温 （ 60℃ 以上 ） 流体介质的压力时, 为防止热介质与弹性元件直接接触,
压力仪表之前应加装 U形管或盘旋管等形式的冷凝器, 避免因温度变化对测量精度
和弹性元件产生的影响 。 如图 (a),(b)
(a) (b)
? 测量高压流体介质的压力时, 安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处,
以防发生以外 。
? 测量腐蚀性介质的压力时, 除选择具有防腐能力的压力仪表之外, 还应加装隔离
装置, 利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来, 如图 (c),(d)
(c) (d)
1
1 2
2
3 3
? 测量波动剧烈 （ 如泵, 压缩机的出口压力 ） 的压力时, 应在压力仪表之前加装针
形阀和缓冲器, 必要时还应加装阻尼器, 如图 (e)
(e)
4
? 测量粘性大或易结晶的介质压力时, 应在取压装置上安装隔离罐, 使罐内和导压
管内充满隔离液, 必要时可采取保温措施, 如图 (f)
(f)
蒸汽
? 测量含尘介质压力时, 最好在取压装置后安装一个除尘器, 如图 (g)。
(g)
5
总之, 针对被测介质的不同性质, 要采取相应的 防热, 防腐, 防冻, 防堵和防尘 等措施
差压变送器的安装
三个方面的内容,
取压口的选择
引压管的安装
变送器本身的安装
差压变送器取压口的选择 液体, 气体, 蒸汽？？
被测介质为 液体 时, 取压口应位于管道下半部与管道水平线
成 0～ 45° 角内, 目的是保证引压管内没有气泡, 两根引压管内液
柱产生的附加压力可以相互抵消；
问：能否从底部引出？ 为什么？
45° 45°
(a)液体
被测介质为 气体 时, 取压口应位于管道上半部与管道垂直中
心线成 0～ 45° 角内, 其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液
体 。
45° 45°
(b)气体
被测介质为 蒸汽 时, 取压口应位于管道上半部与管道水平线
成 0～ 45° 角内 。 最常见的接法是从管道水平位置接出, 并分别安
装凝液罐, 这样两根引压管内部都充满冷凝液, 而且液位高度相
同 。
45° 45°
(c)蒸汽
差压变送器引压管的安装
引压管应按最短距离敷设, 引压管的弯曲处应该是均匀的圆角, 曲率半径一般不小于引
压管外径的 10倍 。 引压管的管路应保持垂直, 或者与水平线之间不小于 1:10的倾斜度,
必要时要加装气体, 凝液, 微粒收集器等设备, 并定期排除收集物 。
引压管内径与引压管长度
引压管内径 引压管
mm 长度 m
被测介质
＜ 1.6 1.6～ 4.5 4.5～ 9
水、水蒸气、干气体 7～ 9 10 13
湿气体 13 13 13
低中粘度油品 13 19 25
脏液体 25 25 33
在测量液体介质时, 变送器只能安装在取样口之上时, 在引压管的管路中应有排气装置,
如图 (a)所示, 这样, 即使有少量气泡, 也不会对测量精度造成影响 。
在测量气体介质时, 如果差压变送器只能安装在取样口之下时, 必须加装如图 (b)所致
的贮液罐和排放阀, 克服因滞留液对测量精度产生影响 。
测量蒸汽时的引压管管路则如图 (c)所示 。
－ +
－ +
－ +
1 1
2 2
3 3
1 1
4 4
5 5
1
6 6
5 5
7
7
7
(a) (b) (c)
1－取压口 2－放空阀 3－贮气罐 4－贮液罐
5－排放阀 6－凝液罐 7－差压变送器
差压变送器本身的安装 差压变送器通常必须安装切断阀 1,2和平衡阀 3,构成三阀组
－ +
2 1
3
1,2－切断阀 3－平衡阀
差压变送器是用来测量差压的, 但如果正, 负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者
关闭时, 就会造成差压变送器单向受很大的静压力, 有时会使仪表产生附加误差, 严重
时会使仪表损坏 。
为了防止差压计单向受很大的静压力, 必须正确使用平衡阀 。
在 启用 差压变送器时, 应先开平衡阀 3,使正, 负压室连通, 受压相同, 然后再打开切
断阀 1,2,最后再关闭平衡阀 3,变送器即可投入运行 。
差压变送器需要 停用检修 时, 应先打开平衡阀, 然后再关闭切断阀 1,2。
当切断阀 1,2关闭, 平衡阀 3打开时, 即可以对仪表进行零点校验 。
