第 3章 过程参数的检测
概述
压力检测
温度检测
流量检测
物位检测
成分和物性参数的检测
软测量技术简介
3.2 压力检测压力的表示方法检测方法的分类液柱式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测智能式压力变送器压力检测仪表的选用和安装三种压力表示方法 绝对压力 pa
表压力 p
负压或真空度 ph
3.2.1 压力的表示方法
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
0hap 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 。
pa
绝对压力零线
p
ph
pa
大气压 p0
1.01325× 105Pa
除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。
3.2.2 压力检测方法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 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 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 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。
3.2.3 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 。
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％。
用 U形管进行压力检测，其误差来源主要有：
3.2.4 弹性式压力检测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 。
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；
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。
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 abbhREP
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
DDZ-III型差压变送器检测 部分,ΔP → 输入力 Fi
杠杆系统,力的传递和力矩比较，
生成位移信号位移检测放大器,位移 → 输出 Io
电磁反馈装置,输出 → 反馈力 Ff
△ P 膜盒 Fi
杠杆系统 △ M 位移检测 放大器电磁反馈机构
Ff
Io
(1) 测量部分作用,把被测差压 ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力 Fi
A1=A2=Ad
Fi=Ad(P1-P2)
=AdΔP
Fi=A1P1-A2P2
因,
故,
p1p2
负压室 正压室轴封膜片主杠杆主杠杆的支点膜片的有效面积
(2) 杠杆系统进行力的传递和力矩比较
① 主杠杆 将 Fi转换为 F1
② 矢量机构 将 F1转换为 F2
③ 副杠杆将 F2产生的力矩与 Ff
产生的力矩进行比较,
生成位移变化
z
z
① 主杠杆将 Fi转换为 F1
F1作用于矢量机构上
iFl
lF
2
1
1?
H
F1
Fi
l2
l1
② 矢量机构将输入力 F1转换为作用于副杠杆上的力 F2
tgFF 12?
1F
3F
2F
1F
2F
3F
(a) (b)
③ 副杠杆 进行力矩的比较
23 FlM i?
fff FlM?
z z zM l F?
fi MMM
F2产生的力矩
Ff产生的力矩合力矩调零力 Fz产生的力矩
i f zM M M M
最终的合力矩 z
z
(3) 电磁反馈装置 作用,把变送器的输出电流 I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力 F
f
Ff =πBDcWI0
设 Kf =πBDcW改变反馈动圈的匝数 W，
可以改变 Kf的大小反馈动圈 1固定在副杠杆上,且处于永久磁钢 2的磁场中,可在其中左右移动 。 软铁芯 3和永久磁钢 2组成磁路 。 软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场,从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直 。 当变送器的输出电流过反馈动圈时,就会产生电磁反馈力 Ff。 Ff与变送器输出电流 I0之间的关系为：
则 Ff = KfI0
1-3短接,2-4短接
W = W1=725匝
1-2短接
W = W1+W2=2175匝可实现 3,1的量程调整
W1=725匝,W2=1450匝
R11与 W1的直流电阻相同
(4) 整机特性
dA
p? iF 1F 2F
zF
fF
0IiM
fM
zM
M?
12ll tan? 3l K
fl
zl
fK
回放
z
ff
z
P FKl
lPK
0I?
dA
p? iF 1F 2F
zF
fF
0IiM
fM
zM
M?
12ll tan? 3l K
fl
zl
fK
z
ff
z
ff
d FKl
lP
Kll
lltgAI
2
31
0?
1ffl K K若：
Io mA
ΔPmin ΔPmax
4
20
ΔP
13
0
2 11
d z z
f f f f
ll KKI A tg P l F
l l K K l K K
1.变送器的输出电流 I0和输入信号 ΔP之间呈线性关系
2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流 I0在输入信号范围下限时为 4mA。
3.改变 tgθ或 Kf可以调整变送器的量程
4.零点和量程要反复调整
z
ff
z
ff
d FKl
lP
Kll
lltgAI
2
31
0?
Io mA
ΔPmin ΔPmax
4
20
ΔP
—— 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
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 测量原理图 3.86 差 动电容式压力变送器的差动电容结构
Uo
图 2,6 6 差动电容式压力变送器的差动电容结构隔离膜片固定电极硅油测量膜片玻璃层引线固定电极底座
ΔP=0 d1=d2=d0
ΔP≠0 d1=d0+δ d2=d0-δ
01
11
1 d
A
d
AC
i
02
22
2 d
A
d
AC
i
21
)11(
00
12 ddACCC ii
1KP由于：
01
11
1 d
A
d
AC
i?
02
22
2 d
A
d
AC
i
相对变化值 与被测差压 ΔP成线性关系，
12
12
ii
ii
CC
CC
且与灌充液的介电常数无关
22
000
12
2
d
A
d
A
d
ACC
ii
22
000
12
2
d
Ad
d
A
d
ACC
ii
pdCC CC
ii
ii
012
12?
振荡器 解调器线性调整
IC
1
基准电压稳压源
IC
3 功放限流负反馈调零零迁
RL
Io
E
－
If
＋Id
Iz
（ │ ）
Vc
Vr
差动电容框图 供参考电容式压力变送器,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 。
3.2.5 电气式 压力检测 —— 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
3P
(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 。
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。
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。
r1 r2
1 2
3P
(a)传感器
1－外壳 2－弹性筒 3－膜片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 rU E E E P
r 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 。
—— 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 电磁放大部分整机电路图
－
+
供参考测量部分 —— 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。
3.2.6 数 字式 压力 /差压变送器
1151数字式差压变送器数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。
ST3000差压变送器
SUPCON
Honeywell
ST3000,1151数字式差压变送器都是采用 HART通信方式进行通信的
—— ST3000差压变送器传感器 —— 三组件 （ 差压,温度和静压 ）
差压传感器 —— 扩散硅压阻传感器差压传感器温度传感器静压传感器多路转换
A/D CPU D/A
数字 IO
ROM RAM EPROM
Hart信号差压传感器 —— 主传感器,测量差压温度,静压传感器 —— 辅助传感器,用于补偿,以提高测量精度
RAM—— 存储变送器的各种参数
EPROM—— 存储着与 RAM同样的数据 。 当仪表掉电时,数据被保存,当仪表来电时,EPROM中的数据自动传递到 RAM中,不须后备电池变送器设置 —— 通过数字设定器设置,如：仪表的量程,编号,零点调整,
量程调整,阻尼时间 ……
差压传感器温度传感器静压传感器多路转换
A/D CPU D/A
数字 IO
ROM RAM EPROM
Hart信号
—— 1151数字式差压变送器传感器 AD7715 CPU
WDT
AD421
HT2012
△ P I0
1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，
结合 HART通信技术开发的一种智能式变送器，
具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输 4-20mADC电流信号，
特别适用于工业企业对模拟 式 1151差压 变送器的数字化改造。
其 原理框图如下：
传感器部分
RETURN
1.传感器采用电容式差压传感器
2.将输入差压转换成 0～ 2.5V左右的电压信号 。
3.变送器的正常工作电流必须等于或小于 3.5mA
4.传感器部分工作电流为 0.8mA左右 。
AD7715
1.AD7715是美国 ADI公司生产的 16位模数转换器。它具有 0.0015％的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。
2.特别适用于智能式变送器
3.带有模拟前置放大器的 A/D转换芯片采用 ∑-Δ转换技术，实现 16位的高精度模数转换 。
4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，
而其它路信号不常用的情况下可以使用。
5.在低速采样应用中,AD7715的性能最佳。当采用 60Hz或 60Hz以下的更新速度进行采样时,AD7715对 50Hz的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于 60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，
这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，
即加入所谓的后置滤波器。
6,AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热电偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。
供参考
∑-Δ转换技术
Σ-Δ调制器包含 1个差分放大器,1个积分器,1个比较器以及 1个由 1bit
DAC（ 1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。
反馈 DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。
调制器输出中,1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的,1”，反之亦然。
积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的 Σ-Δ调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。
供参考
AD7715是以 ∑ － △ 原理工作的 16
位模数转换器采用单一 5V(AD7715－ 5)或
3V(AD7715－ 3)电源供电可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合。
供参考
CPU
1,AT89S8252微处理器,它与 MCS-51兼容。
2,8K bytes的 Flash ROM,2K bytes的 EEPROM,256 bytes的 RAM、
32个 I/O口线,两个 DPTR,3个 16位定时 /计数器,1个全双工串行口,可编程看门狗,在片振荡器和时钟电路等 。
3,CPU采用 3V供电,工作频率 1.8432MHz。
4,CPU采取间断工作方式
1/5时间工作,4/5时间休眠,以降低 CPU功耗供参考
HART通信部分实现 HART协议物理层的硬件电路供参考
AD421及电压调整 电路供参考
AD421的作用：
① 将 CPU输入的数字信号转换为 4～ 20mA直流电流作为整机的输出
② 将通信部分输入的数字信号叠加在 4～ 20mA直流电流上一起输出
③ 与场效应管 VT1等组成电压调整 电路三极管 VT2起分流作用,以减少流过场效应管 VT1的电流
作用：
供参考
WDT监控电路
MAX6304ESA复位电路
CPU正常工作时 WDO输出为高电平，对 CPU的工作没有影响
CPU受外界干扰不能正常工作时 WDO
输出将变为低电平,使 CPU产生不可屏蔽的中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，
输出 RESET信号对 CPU进行复位，使
CPU重新进入正常工作电源故障端 PFI经过分压电阻 R1,R2接供电源 UCC，当电源发生较大波动时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对 CPU的影响。
供参考
1151数字式差压变送器的软件测控程序包括 A/D采样程序,非线性补偿程序,
量程转换程序,线性或开方输出程序,阻尼程序以及 D/A输出程序等通信程序采用串行口中断接收 /发送分为两部分：测控程序和通信程序
3.2.7 压力检测仪表的选用和安装选用＋安装其它仪表也基本适应
—— 压力检测仪表的选用三个方面 —— 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：根据被测参数的大小来确定,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！！
被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程 1/3~2/3为宜。（经验要求而已）
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,30,6 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 。
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 。
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 。
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,环境温度变化大的场合,应选择使用温度适当,温度系数小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
—— 压力检测仪表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
12
2
33
测量特殊介质时的压力测量仪表安装
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 放热,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 。
Next Section……
概述
压力检测
温度检测
流量检测
物位检测
成分和物性参数的检测
软测量技术简介
3.2 压力检测压力的表示方法检测方法的分类液柱式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测智能式压力变送器压力检测仪表的选用和安装三种压力表示方法 绝对压力 pa
表压力 p
负压或真空度 ph
3.2.1 压力的表示方法
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
0hap 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 。
pa
绝对压力零线
p
ph
pa
大气压 p0
1.01325× 105Pa
除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。
3.2.2 压力检测方法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 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 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 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。
3.2.3 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 。
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％。
用 U形管进行压力检测，其误差来源主要有：
3.2.4 弹性式压力检测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 。
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；
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。
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 abbhREP
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
DDZ-III型差压变送器检测 部分,ΔP → 输入力 Fi
杠杆系统,力的传递和力矩比较，
生成位移信号位移检测放大器,位移 → 输出 Io
电磁反馈装置,输出 → 反馈力 Ff
△ P 膜盒 Fi
杠杆系统 △ M 位移检测 放大器电磁反馈机构
Ff
Io
(1) 测量部分作用,把被测差压 ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力 Fi
A1=A2=Ad
Fi=Ad(P1-P2)
=AdΔP
Fi=A1P1-A2P2
因,
故,
p1p2
负压室 正压室轴封膜片主杠杆主杠杆的支点膜片的有效面积
(2) 杠杆系统进行力的传递和力矩比较
① 主杠杆 将 Fi转换为 F1
② 矢量机构 将 F1转换为 F2
③ 副杠杆将 F2产生的力矩与 Ff
产生的力矩进行比较,
生成位移变化
z
z
① 主杠杆将 Fi转换为 F1
F1作用于矢量机构上
iFl
lF
2
1
1?
H
F1
Fi
l2
l1
② 矢量机构将输入力 F1转换为作用于副杠杆上的力 F2
tgFF 12?
1F
3F
2F
1F
2F
3F
(a) (b)
③ 副杠杆 进行力矩的比较
23 FlM i?
fff FlM?
z z zM l F?
fi MMM
F2产生的力矩
Ff产生的力矩合力矩调零力 Fz产生的力矩
i f zM M M M
最终的合力矩 z
z
(3) 电磁反馈装置 作用,把变送器的输出电流 I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力 F
f
Ff =πBDcWI0
设 Kf =πBDcW改变反馈动圈的匝数 W，
可以改变 Kf的大小反馈动圈 1固定在副杠杆上,且处于永久磁钢 2的磁场中,可在其中左右移动 。 软铁芯 3和永久磁钢 2组成磁路 。 软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场,从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直 。 当变送器的输出电流过反馈动圈时,就会产生电磁反馈力 Ff。 Ff与变送器输出电流 I0之间的关系为：
则 Ff = KfI0
1-3短接,2-4短接
W = W1=725匝
1-2短接
W = W1+W2=2175匝可实现 3,1的量程调整
W1=725匝,W2=1450匝
R11与 W1的直流电阻相同
(4) 整机特性
dA
p? iF 1F 2F
zF
fF
0IiM
fM
zM
M?
12ll tan? 3l K
fl
zl
fK
回放
z
ff
z
P FKl
lPK
0I?
dA
p? iF 1F 2F
zF
fF
0IiM
fM
zM
M?
12ll tan? 3l K
fl
zl
fK
z
ff
z
ff
d FKl
lP
Kll
lltgAI
2
31
0?
1ffl K K若：
Io mA
ΔPmin ΔPmax
4
20
ΔP
13
0
2 11
d z z
f f f f
ll KKI A tg P l F
l l K K l K K
1.变送器的输出电流 I0和输入信号 ΔP之间呈线性关系
2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流 I0在输入信号范围下限时为 4mA。
3.改变 tgθ或 Kf可以调整变送器的量程
4.零点和量程要反复调整
z
ff
z
ff
d FKl
lP
Kll
lltgAI
2
31
0?
Io mA
ΔPmin ΔPmax
4
20
ΔP
—— 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
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 测量原理图 3.86 差 动电容式压力变送器的差动电容结构
Uo
图 2,6 6 差动电容式压力变送器的差动电容结构隔离膜片固定电极硅油测量膜片玻璃层引线固定电极底座
ΔP=0 d1=d2=d0
ΔP≠0 d1=d0+δ d2=d0-δ
01
11
1 d
A
d
AC
i
02
22
2 d
A
d
AC
i
21
)11(
00
12 ddACCC ii
1KP由于：
01
11
1 d
A
d
AC
i?
02
22
2 d
A
d
AC
i
相对变化值 与被测差压 ΔP成线性关系，
12
12
ii
ii
CC
CC
且与灌充液的介电常数无关
22
000
12
2
d
A
d
A
d
ACC
ii
22
000
12
2
d
Ad
d
A
d
ACC
ii
pdCC CC
ii
ii
012
12?
振荡器 解调器线性调整
IC
1
基准电压稳压源
IC
3 功放限流负反馈调零零迁
RL
Io
E
－
If
＋Id
Iz
（ │ ）
Vc
Vr
差动电容框图 供参考电容式压力变送器,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 。
3.2.5 电气式 压力检测 —— 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
3P
(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 。
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。
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。
r1 r2
1 2
3P
(a)传感器
1－外壳 2－弹性筒 3－膜片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 rU E E E P
r 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 。
—— 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 电磁放大部分整机电路图
－
+
供参考测量部分 —— 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。
3.2.6 数 字式 压力 /差压变送器
1151数字式差压变送器数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。
ST3000差压变送器
SUPCON
Honeywell
ST3000,1151数字式差压变送器都是采用 HART通信方式进行通信的
—— ST3000差压变送器传感器 —— 三组件 （ 差压,温度和静压 ）
差压传感器 —— 扩散硅压阻传感器差压传感器温度传感器静压传感器多路转换
A/D CPU D/A
数字 IO
ROM RAM EPROM
Hart信号差压传感器 —— 主传感器,测量差压温度,静压传感器 —— 辅助传感器,用于补偿,以提高测量精度
RAM—— 存储变送器的各种参数
EPROM—— 存储着与 RAM同样的数据 。 当仪表掉电时,数据被保存,当仪表来电时,EPROM中的数据自动传递到 RAM中,不须后备电池变送器设置 —— 通过数字设定器设置,如：仪表的量程,编号,零点调整,
量程调整,阻尼时间 ……
差压传感器温度传感器静压传感器多路转换
A/D CPU D/A
数字 IO
ROM RAM EPROM
Hart信号
—— 1151数字式差压变送器传感器 AD7715 CPU
WDT
AD421
HT2012
△ P I0
1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，
结合 HART通信技术开发的一种智能式变送器，
具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输 4-20mADC电流信号，
特别适用于工业企业对模拟 式 1151差压 变送器的数字化改造。
其 原理框图如下：
传感器部分
RETURN
1.传感器采用电容式差压传感器
2.将输入差压转换成 0～ 2.5V左右的电压信号 。
3.变送器的正常工作电流必须等于或小于 3.5mA
4.传感器部分工作电流为 0.8mA左右 。
AD7715
1.AD7715是美国 ADI公司生产的 16位模数转换器。它具有 0.0015％的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。
2.特别适用于智能式变送器
3.带有模拟前置放大器的 A/D转换芯片采用 ∑-Δ转换技术，实现 16位的高精度模数转换 。
4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，
而其它路信号不常用的情况下可以使用。
5.在低速采样应用中,AD7715的性能最佳。当采用 60Hz或 60Hz以下的更新速度进行采样时,AD7715对 50Hz的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于 60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，
这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，
即加入所谓的后置滤波器。
6,AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热电偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。
供参考
∑-Δ转换技术
Σ-Δ调制器包含 1个差分放大器,1个积分器,1个比较器以及 1个由 1bit
DAC（ 1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。
反馈 DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。
调制器输出中,1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的,1”，反之亦然。
积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的 Σ-Δ调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。
供参考
AD7715是以 ∑ － △ 原理工作的 16
位模数转换器采用单一 5V(AD7715－ 5)或
3V(AD7715－ 3)电源供电可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合。
供参考
CPU
1,AT89S8252微处理器,它与 MCS-51兼容。
2,8K bytes的 Flash ROM,2K bytes的 EEPROM,256 bytes的 RAM、
32个 I/O口线,两个 DPTR,3个 16位定时 /计数器,1个全双工串行口,可编程看门狗,在片振荡器和时钟电路等 。
3,CPU采用 3V供电,工作频率 1.8432MHz。
4,CPU采取间断工作方式
1/5时间工作,4/5时间休眠,以降低 CPU功耗供参考
HART通信部分实现 HART协议物理层的硬件电路供参考
AD421及电压调整 电路供参考
AD421的作用：
① 将 CPU输入的数字信号转换为 4～ 20mA直流电流作为整机的输出
② 将通信部分输入的数字信号叠加在 4～ 20mA直流电流上一起输出
③ 与场效应管 VT1等组成电压调整 电路三极管 VT2起分流作用,以减少流过场效应管 VT1的电流
作用：
供参考
WDT监控电路
MAX6304ESA复位电路
CPU正常工作时 WDO输出为高电平，对 CPU的工作没有影响
CPU受外界干扰不能正常工作时 WDO
输出将变为低电平,使 CPU产生不可屏蔽的中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，
输出 RESET信号对 CPU进行复位，使
CPU重新进入正常工作电源故障端 PFI经过分压电阻 R1,R2接供电源 UCC，当电源发生较大波动时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对 CPU的影响。
供参考
1151数字式差压变送器的软件测控程序包括 A/D采样程序,非线性补偿程序,
量程转换程序,线性或开方输出程序,阻尼程序以及 D/A输出程序等通信程序采用串行口中断接收 /发送分为两部分：测控程序和通信程序
3.2.7 压力检测仪表的选用和安装选用＋安装其它仪表也基本适应
—— 压力检测仪表的选用三个方面 —— 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：根据被测参数的大小来确定,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！！
被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程 1/3~2/3为宜。（经验要求而已）
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,30,6 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 。
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 。
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 。
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,环境温度变化大的场合,应选择使用温度适当,温度系数小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
—— 压力检测仪表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
12
2
33
测量特殊介质时的压力测量仪表安装
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 放热,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 。
Next Section……
