1、仪表原理一、概述(一)、自动化仪表的发展从工业自动化仪表的发展过程看，大体上经历了三个阶段。1、基地式仪表阶段：这是历史上首先发展起来的，大约是在 20 世纪 3040 年代期间。这类仪表的优点是，简单、价廉、实用。但是，只适用于简单的控制系统，无法或不便于应用在复杂控制系统中。2、单元组合式仪表阶段：我国 20 世纪 50 年代以后发展起来的，它们与复杂控制系统的推广应用相适应。用单元组合式仪表，可以方便地组成简单与复杂的控制系统。这类仪表的广泛应用与系统结构的发展和需要是分不开的。单元组合仪表按其发展，可分为 I、II、III 型。3、以微处理器为基本组成部分的控制装置阶段：微处理器于 2
2、0 世纪 70 年代初出现，由于它灵活、可靠、价廉、迅速成为信息科学与技术的宠儿，被广泛应用于工业、国防、家庭等领域。以微处理器为基本组成部分的控制装置，主要沿着三条路发展。1)、分散型综合控制系统(总体分散控制装置)：这是 20 世纪 70 年代后期由仪表制造厂和计算机制造厂推出的新产品。作为最简单的形式，它是由各个基本控制站与数据总线构成。每个控制站可控制几个回路，相互间由数据总线传递信息，并可配置屏幕显示器操作站等。2)、可编程数字调节器：有些产品简称单回路调节器。它们采用微处理器为基本元件。控制规律采用数字运算。但它们的输入和输出与模拟式调节器相似，不须另加 A/D 与 D/A 插件。
3、这类仪表的功能相当丰富。表现在：a、每台调节器可有多个输入，12 个输出;b、有数十种控制规律(功能)，用以实现复杂控制十分方便;c、编程容易，几乎不需要计算机软件方面的专门知识，就可学会操作;d、改变控制方案和算法非常容易，只要输入和输出变量不增加，就不需要调整外部接线。另一类以顺序控制为主的形式称为可编程逻辑控制器，也有很好的功能和广泛的应用。3)、微计算机系统：微计算机包括个人计算机(PC)、单片机、单板机等，有些本来是通用的，也可供过程控制之用。(二)、自动化仪表的分类自动化仪表能从几个主要方面加以分类。1、按仪表工作所需能源来分可分为三类;一类是气动仪表，它以干燥、清洁的压缩空气为能
4、源，其压力大小一般为 0.14MPa一类是电动仪表，一般其能源为 220 伏交流供电。或 24 伏直流供电;还有一类是以液压为工作能源的液动仪表。2、按组成结构分有基地式仪表、单元组合式仪表、组装式仪表和分散型综合控制系统等。1)、基地式仪表：基地式仪表是给定、测量、调节等机构全装在一个壳体内的仪表。它是专为某种被测参数在特定的测量范围内使用的仪表。它与单输入单输出的简单控制系统相适应。2)、单元组合式仪表：单元组合式仪表按照自动调节系统中各组成部分的功能和现场使用要求，分成若干个独立的单元。各单元之间用标准信号联系。在使用时再按一定的要求，将各单元组合在一起。单元组合仪表按工作能源又可分成气
5、动单元组合仪表和电动单元组合仪表。3)、组件组装式仪表：它是将集成电路和其它一些电子元件按照功能制成若干插件，根据需要选择不同的插件就能组成;自动调节或控制系统。4)、分散型综合控制系统：在控制技术(Contro1)、计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、屏幕显示技术(CRT)等四“C”技术迅速发展的基础上研制成的一种新型控制系统。它的设计思想是分散控制、集中管理。3、按防爆能力分有普通型、隔爆型和安全火花型等类仪表。工业的迅猛发展，特别是石油化工企业对仪表的防爆能力日益重视，除气动仪表已应用在易燃、易爆场合外，电动仪表的设计者也考虑了各种防爆措施。现场仪表的
6、防爆能力已成为仪表性能的重要指标。1)、普通型：凡是未采取防爆措施的仪表2)、隔爆型：只能应用在非危险场所。采取隔离措施以防止引燃引爆事故的仪表例如最普通的办法是采用足够厚的金属外壳，其连接处采用符合规定的螺纹。有的情况下对壳体的材质和壳内空间的尺寸也有规定。这样的仪表。当表内电路出现故障时，其破坏范围被限制在密闭的壳体内，不至于将周围易燃气体引燃。也有采用充入惰性气体或将电路浸在油中的办法隔离的。其用意是用惰性气体或油熄灭电火花，并帮助散热降温。同时，使周围易燃物与电路隔离。3)、安全火花型仪表：这类仪表采用低压直流小功率电源供电，并且对电路中的储能元件(例如电容、电感)严加限制，使电路在故
7、障下所产生的火花微弱到不足以点燃周围的易燃气体。此外，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压大电流不能进入危险区。安全火花型仪表是电动仪表中防爆性能最好的一类。(三)、单元组合仪表的统一信号、分类和命名1、统一信号单元组台式仪表按其能源分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。气动单元组合仪表的能源为 140kPa 的干燥清洁的压缩空气，它的统一信号为 20100kPa。I 型电动单元组合仪表的能源为交流 220V，统一信号为直流 010mA，II 型单元组合仪表能源为直流 24V，统一信号为直流 420mA。2、分类单元组合式仪表可分为现场安装仪表和控制室安装仪表两大部分，共八大类
8、。按仪表在系统中所起的不同作用，现场安装仪表可分为变送单元类和执行单元类;控制室内安装仪表又可分为调节单元类、转换单元类、运算单元类、显示单元类、给定单元类和辅助单元类等。各单元的作用和品种如下：1)、变送单元类：它将各种被测参数如温度、压力、流量、物位等物理量转换成相应的 010mA DC、420mA DC 或20100kPa 信号，并将其传送到显示、调节单元，以供指示、记录或控制。变送单元的主要品种有：温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。2)、转换单元类：转换单元是单元组合仪表与其它系列仪表之间联系的桥梁，它能将电压、频率等电信号转换成相应010mA DC、420
9、mA DC 或 20100kPa 信号，实现与电动单元组合仪表标准信号之间的转换，如电动调节单元的输出需进行电气转换才能驱动最常用的气动薄膜调节阀。这类产品有：直流毫伏转换器、频率转换器、气电转换器、电气转换器等。3)、调节单元类：它将来自变送单元的测量信号和给定信号进行比较，按其差值给出控制信号去控制执行器的动作，使测量值和给定值相等。调节单元的品种有比例、积分、微分调节器;比例、积分调节器;比例、微分调节器和比例调节器等。4)、运算单元类：它将各类仪表输出的标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等数学运算，以满足多参数复台测量、校正和调节的要求。运算单元的品种有加减器、乘除器和开方器等
10、。5)、显示单元类：已将各种被测参数进行指示、记录、报警和积算等，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元副品种有：比例积算器、开方积算器、自动显示记录仪等。6)、给定单元类：提供被控参数的给定值送到调节单元，实现定值控制。给定单元的输出也可供给其它仪表作为参考基准值。其品种有恒流结定器、比值给定器和时间程序给定器等。7)、执行单元类：它接收调节器所输出的调节信号或手动控制信号，使阀门开大或关小，以达到调节的目的。这类产品有电动执行器和各种气动调节阀。8)、辅助单元类：辅助单元有操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。操作器用于手动操作。阻尼器用于压力或流量等信号的平滑阻尼。限幅器用于限制信号的上、
11、下限范围。安全栅用于将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用。二、测量的基本知识在石油生产过程中，为了正确地指导生产操作，保证安全生产，保证产品质量和实现生产过程自动调节，需要对工艺生产中的压力、物位、流量、温度等参数进行自动测量。用来测量这些参数的仪表称为测量仪表。(一)、测量过程1、测量的概念测量是用实验的方法或专门的设备，将被测物理量与该参数的已知测量单位(标准量)进行比较，以求得二者比值，进而求得被测物理量的量值。被测量量值与测量单位的关系可用式(0-1)表示：g=A/UX (0-1)A- 被测量UX-测量单位g-比值比值与测量单位的大小有关。为了准确地表达被测量的测量值，在其比值结
12、果上均须乘以测量单位，即A=g UX上式取近似相等是因为任何测量都必然存在误差。2、测量方法测量方法就是实现被测量与其单位比较的方法。对其参数的测量来说、测量方法的选择十分重要。若方法不当，即使有精密的测量仪表和设备，也往往不能得到理想的结果。测量方法从不同的角度出发，有不同的分类方法。(1)按测量方式分类1)、直接测量将被测量与标准量(测量单位)直接进行比较或用预先按标准标定好的仪器直接得出测量值的方法。例如，用尺子量长度，用温度计测体温等。2)、间接测量对几个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过函数关系式求得被测量的结果。例如求矩形面积A=L(长)B(宽)，只要将直接测得的
13、 L 和 B 代入算式就可得到面积 A 的值。(2)按接触方式分类1)、接触式测量在测量过程中测量的敏感元件直接与被测介质接触，得到被测量结果的方法。例如水银温度计测量温度。此类方法一般精度较高，测量范围广，使用方便。2)、非接触式测量在测量过程中测量仪表的任何部分都不与被测介质接触就能得到测量结果的方法。例如光学、超声波、放射线等仪表。它不干扰被测对象，特别是在一些接触式测量方法不能胜任的场合，例如运动对象的参数测量、腐蚀性介质及危险场合下的参数测量等，使用非接触测量方法就更为方便、安全和准确。3、测量仪表测量仪表是进行测量的基本工具之一。由于石油加工参数种类繁多，生产条件各有不同。应用的各
14、种测量仪表工作原理和结构也各有不同。但是，从测量仪表的组成来看，基本上是由检测环节、传送放大环节和显示环节三部分组成，各部分之间的关系如图 0-1 所示。检测环节直接感受被测量，并将它变换成适合于测量的信号，经传送放大环节对信号进行传送并最后由显示部分进行指示、记录。综上所述，测量仪表无论应用那一种原理，它们的共性在于被测参数都要经过一次或多次的信号能量形式变换，最后由指针的位移或数字形式显示出来。所以各种测量仪表的测量过程，实质上就是将被测参数信号能量形式一次或多次的不断变换和传送，并将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。而测量仪表就是实现这种变送和比较的工具。(二)、仪表的测量误差及
15、性能指标1、测量误差所谓误差就是某一量值的给出值与客观真实值之差。测量的目的是希望能正确地反映被测参数的真实值。但是无论怎样努力(包括测量原理、方法、精确度等方面的努力)，因在测量过程中始终存在着各种各样的影响因素，使得测量结果不可能绝对准确，而只能尽量接近真实值。测量值与真实值之间始终存在着一定差值，这一差值称为测量误差。一个测量结果，只有当知道它的测量误差或指明其误差范围时，这种测量结果才有意义。在测量过程中，测量误差按其产生的原因不同，可以分为三类。1)、系统误差在同一条件下，多次测量同一被测参数时，测量结果的误差大小与符号均保持不变或在条件变化时按某一确定规律变化的误差。它是由于测量过
16、程中仪表使用不当或测量时外界条件变化等原因所引起的。必须指出，单纯地增加测量次数是无法减少系统误差对测量结果的影响的，但在找出产生误差的原因之后，便可通过对测量结果引入适当的修正值而加以消除。系统误差决定测量结果的准确性。2)、随机误差在相同条件下，对某一参数进行重复测量时，测量结果的误差大小与符号均不固定，且无一定规律的误差。产生随机误差的原因很复杂，是由许多微小变化的复杂因素共同作用的结果所致。对单次测量来说，随机误差是没有任何规律的、既不可预测，也无法控制，但对于一系列重复测量结果来说，它的分布服从统计规律。因此，可以取多次测量结果的算术平均值作为最终的测量结果，以算术平均值均方根误差的
17、 23 倍作为随机误差的置信区间，相应的概率作为置信概率，可减小误差对测量结果的影响。随机误差决定测量结果的精密度。3)、疏忽误差测量结果显著偏离校测量的实际值所对应的误差。产生的主要原因是由于工作人员在读取或记录测量数据时的疏忽大意所造成的，带有这类误差的测量结果毫无意义，因此应加强责任感，细小工作，避免发生这类误差。2、仪表的性能指标仪表的性能指标是评价仪表性能好坏、质量优劣的主要依据，也是正确地选择仪表和使用仪表以进行准确测量所必需具备和了解的知识。若仪表选择和使用不当。即使选用性能好、质量高的仪表，也不能得到准确的测量结果。相反，如果选择、使用得当，用精度稍差的仪表往往也可以满足测量要
18、求。因此，深入了解反映仪表性能的主要指标，根据要求正确地选择和使用仪表，对于测量工作者来说是十分重要的。仪表的性能指标很多，概括起来不外乎技术、经济及使用方面的指标。仪表技术方面的指标有：基本误差、精度等级、回差、灵敏度、反应时间等。仪表经济方面的指标有：功耗、价格、使用寿命等。仪表使用方面的指标有：操作维修是否方便、能否安全可靠运行以及抗干扰与防护能力的强弱、重量体积的大小、自动化程度的高低等。显然。上述性能指标的划分也是相对的。在未加说明的情况下，有关性能指标一般指仪表在规定的正常工作条件下而言。正常工作条件即电源电压、频率、温度、压力、湿度、振动、外界磁场、安装位置等等，应符合仪表出厂时
19、的规定要求。下面对仪表的一些重要性能指标分别介绍如下：1、绝对误差和相对误差1)、绝对误差仪表的测量值与真实值之间的代数差，可表示为式中：a绝对误差，x被测参数的测量值;x。被测参数的真实值。在工程上，要知道被测参数的真实值是困难的。一般采用标准表(精确度较高的仪表)的指标值作为测量的“真实值”。应注意绝对误差不是误差的绝对值。2)、相对误差测量值的绝对误差与其真实值之比百分数，即式中：r相对误差;其它参数意义同式(0-2)。因为相对误差随被测量的变化而变化，故相对误差可反映测量值在某一点上的准确度，而不能全面反映仪表在整个测量范围内的准确度。事实上，仪表的准确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪
20、表的测量范围有关，工业上一般采用引用误差来衡量仪表的准确度。2、引用误差测量值的绝对误差与测量仪表的量程之比的百分数，即式中：q引用误差，L仪表的量程，即仪表测量范围的上限值 L 与下限值 L之差。显然，具有相同绝对误差的两台仪表 T，量程大的仪表引用误差较量程小的为低。通常在规定的工作条件下，当被测量平稳地增加或减少时，仪表测量范围内各点绝对误差取最大者 Mmax 与量程 L 之比的百分数称为该仪表的最大引用误差 qmax 即它是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差。它也是仪表的主要性能指标，可以比较确切地反映仪表的测量精度。3、精确度及其等级1)、精确度精确度(简称精度)是精密度和
21、准确度的综合。表示正常使用条件下所得结果的可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。允许引用误差 q 允(简称允许误差)是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许值。它是根据仪表的最大引用误差 qmax 与国家规定的精度等级综合后确定的，即允许误差去掉“”号与“%”号，其数值即为仪表的精度2)、精度等级它是按国家统一规定的允许误差大小而划分的。某一级仪表的允许误差是指在正常情况下与国家规定这类仪表所允许具有的最大引用误差。例如;精度等级为 1 级的仪表，其允许误差为1%，也就是说该仪表在测量范围内各点处的引用误差均不允许超过1%。目前，我国规定生产的仪表精度等级有：0.005;0.02;0.
22、05;0.1;0.2;0.25;0.4;0.5;1.0;1.5;2.5 等。无论哪种仪表，凡用于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度要求。4、回差(又称变差)在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程(被测参数由小到大和由大到小)测量时，所得仪表示值之间的差值，称为回差。回差的大小、一般用在同一被测参数数值下，正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示。即造成回差的原因很多，例如传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的弹性滞后的影响等;回差的大小反映了仪表的精密度，因此要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差。测量仪表的回差示意图见图 0-2
23、。5、灵敏度、灵敏限及分辨率1)、灵敏度它反映了仪表示值变化对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表到达稳态后，输出增量与输入增量之比，一般用仪表的输出变化量(例如指针的线位移或角位移)与引起此变化的输入(被测参数)变化量之比来表示，即测量仪表的灵敏度可以用增大放大系统(电子或机械)的放大倍数的方法来提高。仪表灵敏度高，仪表示值读数精度可以提高，但是必须指出，仪表的性能指标主要取决于仪表的基本误差，如果想单纯地通过提高灵敏度来达到更准确的测量是不合理的。相反灵敏度过高，会出现虚假现象，反而会使精确度降低，因此为防止虚假灵敏度，通常规定仪表标尺刻度上的最小分格值不能小于仪表允许的绝对误差值。2)、灵
24、敏限它是指能引起仪表示值发生可见变化的被测参数的最小变化量。它代表了仪表的不灵敏区，主要由元件的惯性、摩擦阻力、传动间隙等所致。通常规定仪表的灵敏限不得大于仪表允许绝对误差的一半。3)、分辨率上述灵敏度和灵敏限的概念，一般适用于模拟式仪表。而在数字式仪表中，往往用分辨率来表示仪表灵敏度或灵敏限的大小。数字式仪表的分辨率是指仪表在最小量程上最末一位改变一个数字所表示的物理量。例如：七位数字式电压表，若在最小量程时满度值为 1V，则该数字式电压表的分辨率为0.1uV。数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨率就越高。5、反应时间当用仪表对被测参数进行测量时，在该测参数变化以后。仪表指示值总要经过一段时
25、间后才能准确地显示出来。反应时间就是用来表示测量仪表能不能尽快反应出被测参数变化的性能指标。反应时间大，说明仪表需较长时间才能给出准确的指示，这就不宜用来测量变化频繁的参数。因为在这种情况下，当仪表尚未准确显示出被测参数时，参数本身却早已改变了，使仪表始终显示不出被测参数瞬时值的真实情况，将会导致显著的动态误差。所以，仪表的反应时间长短，实际上是反映了仪表动态特性的好坏。仪表的反应时间有不同的表示方法。当输入信号突然(阶跃)变化一个数值时，仪表的输出(即指示值)从一个稳态变化到一个新的稳态需要一定的时间，可用仪表的输出由开始变化到达到新稳态值的 63.2%所用的时间来表示反应时间，也有用变化到
26、新稳态值的 95%所用的时间来表示反应时间的。6、可靠性现代工业生产的自动化程度日益提高，仪表的任务不仅要提供检测数据，而且要以此为依据，直接参与生产过程的控制，因此仪表在生产过程中的地位越来越重要。仪表出现故障往往会导致严重的事故，为此必须加强仪表可靠性的研究?提高仪表的质量。衡量仪表可靠性的综合指标是有效率，其定义为：对使用者来说，当然希望平均无故障工作时间尽可能长，同时又希望平均修复时间尽可能短，即有效度的数值越接近于1，仪表工作就越可靠。三、压力检测仪表压力(包含差压和真空度)是工业生产中最重要的参数之一。它决定着生产过程能否正常进行，关系到设备和人身的安全等。另外，有些物理量如液位、
27、流量、温度等常常是通过压力来间接进行检测的。(一)、压力的定义及单位工程上的压力与物理学上的压强具有相同的概念，即垂直作用在物体单位面积上的力称为压力。它的数值由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。在国际单位制中其单位为牛顿/米 2，即：帕斯卡，其表示的符号为：Pa，简称“帕”，帕这个单位很小，约为 0.1mm 水柱所产生的压力。Pa、kPa、MPa 是法定的压力计量单位。在工程中常用单位还有工程大气压(kgf/cm2)、物理大气压(atm)、毫米汞柱(mmHg)、毫米水柱(mmH2O)、磅/英寸 2(psi)、巴(bar)等，工程大气压(kgf/cm2)、物理大气压(atm)和巴(b
28、ar)压力等级基本相同。1 巴1 公斤力100KPa14.5psi，相当于 10 米水柱的压力。它们之间的常用换算见表 3-1 各压力单位间的换算。表 3-1 各压力单位间的换算常用压力压强单位换算表帕斯卡 Pa(N/m2 )千克力每平方厘米 Kgf/cm2 巴bar 毫巴mbar 标准大气压atm 托torr 英寸水柱inH2O 毫米汞柱mmHg 磅每平方英寸PSI(lb/in2)Pa11.0210-5110-50.019.8710-67.510-34.0110-37.510-31.4510-4Kgf/cm29.810410.98980.670.967735.56393735.5614.2b
29、ar11051.02110000.987750.06401750.0614.5mbar1001.0210-30.00119.8710-40.750.4010.751.4510-2atm1013251.031.011013.25176040676014.7torr133.321.3610-31.3310-31.331.3210-310.53511.9310-2inH2O249.092.5410-32.4910-32.492.4610-31.8711.873.6110-2mmHg133.321.3610-31.3310-31.331.3210-310.53511.9310-2PSI68957.03
30、10-26.9010-268.956.8110-251.71527.651.7151为方便记忆，可以简化为如下规律：1. 1atm=0.1MPa=100KPa=1 公斤=1bar=10 米水柱=14.5PSI2. 1KPa=0.01 公斤=0.01bar=10mbar=7.5mmHg=0.3inHg=7.5torr=100mmH2O=4inH2O绝对压力的零线P 表压大气压力线P 绝压P 绝压1100P 负压真空(二)、压力的分类图 3-1 各种压力间的关系在压力检测中，压力常分为表压、绝压、负压或真空度、差压或压差。绝对压力是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力和。表压和真空度是相对大气压力而
31、言的，大气压力即地球表面空气柱重量所产生的压力。工业上所用的压力指示值常为表压，表压是当绝对压力高于大气压力时，绝对压力和大气压力之差;真空度是当绝对压力小于大气压力时，大气压力和绝对压力之差。差压力是任意两个压力相比较时的差值。它们之间的关系如图 3-1 各种压力间的关系。(三)、压力检测方法测量压力或真空度的仪表很多，按其转换原理的不同，大致可以分四大类：1、液柱式压力计液柱式压力计是依据流体动力学的原理，把被测压力转换成液柱高度的压力汁。它被广泛应用于表压和真空度的测量中。也可以测定两点的压力差。按其结构形式不同，有 u 型管压力计、单管压力计和斜管压力计等。这类压力计结构简单，使用方便
32、，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围窄。2、弹性式压力计弹性式压力计是利用弹性元件受压后所产生的弹性变形的原理进行测量的。由于测量范围不同，所以弹性元件也不一样，例如弹簧管压力计、波纹管压力计及薄膜式压力计等。3、电气式压力计它是将被测的压力通过机械和电气元件转换成电量(如电压、电流、频率等)来进行测量的仪表，如电容式、电感式、应变片式和霍尔片式等压力计。4、活塞式压力计它是特被测压力转换成活塞上所加平均砝码的重量来进行测量的，是一种精度较高的标准型压力计，允许误差可为0.05%0.02%。常用于校验其它压力计。类别名称示意图测量范围 Kgf/cm2 输出特性最大最
33、小薄膜式平薄膜 010-10103波纹膜 010-5010挠性膜 010-701波纹管波纹管 010-5010弹簧管式单圈弹簧管 010-30104多圈弹簧管 010-40103在海洋采油工艺主要采用弹性变形测压力和电测法测量压力。用弹性变形测压法测量压力时，当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的形变，根据形变的大小便可测出压力的大小。常用的弹性元件有三类：薄膜式、波纹管式和弹簧管式，其种类及性能如下表弹性元件种类及性能。(1)、压力表弹簧管式压力表是工业生产上应用广泛的一种测压仪表，并以单圈弹簧管的应用为最多。单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管管，如图 13 所示。它的截面积呈扁圆或椭
34、圆形。椭圆形的长轴 a 与图面垂直和弹簧管中心袖 O 相干行。A 为弹簧管的固定端，即被测压力的输入端;B 为弹簧管的自由端。即位移输出端，r 为弹簧管中心角初始角，r 为中心角的变化量;R 和r 分别为弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径，a 和 b 为弹簧管椭圆截面的长半袖和短半袖。作为压力-位移转换元件的弹簧管，当它的固定端通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力 P 的作用下将趋向圆形，其自由端就由 B 移到 B，如图 13 上虚线所示，弹簧管的中心角即减小r。根据弹性变形的原理可知，中心角的相对变化值r 与被测压力 P 的关系可用下式表示：由式(12)可知，如要求 P 与r/r 成正比关系，必
35、须使式中其余各参数均为定值。而中心角的变化量r 与中心角的初始值 r 成正比(一般取 y=270)，并随椭圆短半轴 b 的减小而增大。如果 b=a，则r 将等于零，即具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能作测压元件。此外，r 的数值还与弹性材料的性质、几何尺寸等因素有关。由以上可知，弹簧管受压后其形变位移和受力的大小具有比例关系。因此，生产中，我们大多采用弹簧管作为弹性元件来测压，经常使用单弹簧管和多弹簧管，以单弹簧管应用为最多。弹簧管压力表是工业生产上应用最为广泛的一种测压仪表。1)、弹簧管压力表的结构弹簧管压力表的结构如图 1-4 弹簧管压力表所示。压力表外观见图 3-5。被测压力由接头 9 通入，
36、迫使弹簧管 1 的自由端 B 向上方扩张。自由端 B 的弹性变形位移由拉杆 2 使扇形齿轮 3 作逆时针偏转，于是指针 5 通过同轴的中心齿轮 4 的带动而作顺时针偏转，从而在面板 6 的刻度尺上显示出被测压力 P的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝 7 是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变调整螺钉 8 的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表量程的调整。弹簧管的材料，因被测介质的性质、被测压力的高低而不同。但是，使用压力表时，必须注意被测介质的化学性质。例如，测量氨气压力必须采用不锈钢弹簧管，而不能采用
37、铜质材料;测氧气压力时，则严禁沾有油脂，以确保安全生产。(四)、压力变送器变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数(如压力、流量、温度、液位等)。变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关单元进行控制、显示或记录。变送单元根据被测参数的不同，可分为压力变送器、差压变送器、液位变送器和温度变送器等。压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。1、电容式差压变送器电容式压力变送器是目前常用的一种变送器，它的精度高、使用方便、稳定性好。(1)、特点电容式差压变送器的敏感元件为差动电容式敏感元件。将差压的变化转换为电容量的变
38、化。这个变化经变送部分运算放大后变送器输出与被测差压成线性的 420mA 直流信号。电容式差压变送器与其它差压变速器相比有下列优点;当测量膜盒一侧承受单向过载压力时。具有单向保护机构;在变送器中因没有杠杆系统，所以静压误差的问题比较容易解决，比较耐振耐冲击，使其可靠性、稳定性高。整个差压变送器的精度较高，允许误差不超过量程的0.25%;电容式差压变送器是二线制变送器，供电电压为 24VDC，当负载电阻过大达 1650 欧时，供电电压可提高到 45VDC，在无负载时，变送器供电电压可降到12VDC，所以电容式差压、压力变送器被广泛用于生产过程中。由于是两线传输，即采用变送单元的供电电流作为信号，
39、变送单元需要一定的静态工作电流，所以信号的下限不能选在0mA，根据国际电工委员会标准，电流信号的下限为 4mA，即所谓的“活”零点。仪表零点为 4mA 比 0mA 安全，便于区分仪表是断电还是指示最小。两线制的优点是：1、二线制可以做到本安防爆，因此可应用于大部分需防爆的场合，但是只能用于传感器本身功耗小的情况。2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰;两线制与三线制必须用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于 420mA两线制环路，接收器电阻通常为 250(取
40、样 Uout=15V)这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远;4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制;5、将 4mA 用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏(0mA 状态)十分方便。6、在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。7、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线;可节省大量电缆线和安装费用。(2)、工作原理电容式差压变送器的原理方框图如图 113 所示。图 1-13 变
41、送器原理方框图它是由检测部分相传送部分组成，检测部分是将被测的差压经活动电极转换为静电容量变化。传送部分是将静电容的变化量经测量电路转换为电压，再经将电压转换成电流的运算放大器，输出与被测差压成线性的直流电流信号。1)、检测部分检测部分的工作原理如图 114 所示。图 1-14 检测部分结构原理图测量膜盒充以填充液(硅油)，测量膜片(可动电极)和两边弧形固定电极分别形成电容 C1 和 C2。被测的差压通过导压管进入变送器的正、负压室，分别加于左右两个隔离膜片上。通过硅油将压力传送到测量膜片上，在两边压力差的作用下，可左右移动 0.1 毫米的距离，从而使 C1 和 C2 的电容量不再相等。这一静
42、电容量变化经引出线送往传送部分放大，转换为420mA DC 信号输出。在正常输入差压作用下，浮动膜片基本上是不动的。当膜盒一侧承受单向过载压力时，浮动膜片产生位移。这样就使测量膜片的变形量减小、由于检测部分们核心体是随单向过载压力浮动的，因此。在承受单向压力时隔离膜片与基座波纹间挤出的充灌液被吸收，测量膜片不会紧贴到对面的球形固定电极上，而是隔离膜片紧贴在与其吻合的基座保护波纹上，因此，便能顶住外加压力，起到了过载保护的作用。下而我们讨论检测部分的静态特性。假设测量膜片在差压P 的作用下移动距离为d，由于位移量很小，可近似认为P 与d 成比例变化，即d=K1P式中 K1比例系数。这样可动电极(
43、测量膜片)与左、右固定极板间距离由原来的 d0 变为 d0+d 和 d0-d 根据平行板电容公式，两个电容可分别写成：C1=K2/(d0+d) (1-6)C2=K2/(d0-d) (1-7)式中 K2 是由电容器极板面积和介质介电常数决定的系数解式(1-6)、式(1-75)可得出差压P 与差动电容 C1、C2的关系如下：式中 K3=K2/ d0 为一常数由上式可知，电容 C1、C2 与P 是成正比关系。因此传送部分的任务是将(C2 一 C1)与(C2 十 C1)的比值转换为电压或电流。2)、传送部分放大器是由运算放大器 IC 和晶体管组成的电流放大器;反馈部分是由电阻和电位器组成曲线性电阻网络
44、。其电容式差压变送器的结构方框图如图 115 所示。图 1-15 电容式差压变送器的结构方框图当 P1 和 P2 分别引入正、负压室，两者之差即被测差压P(P=P1-P2)使差动电容敏感元件中的电容 C1 的容量减小，电容 C2 的容量增加。由于差动电容敏感元件是由高频振荡器供电，因此两个电容量变化，被转换为电流变化，其中流过 C1 的电流为 i1，流过 C2 的电流为 i2。经相联整流(即解调)后输出两组信号，一组(i2-i1)称为差动信号，即为变送器检测部分的输出信号 I1(I1=i2-i1);另一组(i1+i2)称为共模信号Icm(Icm=i1+i2)。I1 与反馈信号 If 进行比较。
45、其差值经电流放大器放大成 420mA DC 输出。输出电流 I0 流过变送器负载R1，并通过反馈部分的电阻网络，转换成与 I0 成正比的直流电流信号 If，反馈至电流放大器的输入端，从而保证了与 Jf 之间的线性关系。共模信号 Icm 反馈到两对标准电阻上，与基准源在这两对标准电阻上所产生的压降进行比较，作为振荡放大器的输入信号，以控制高额振荡器的供电电压，使得 Icm 保持不变，从而保证了 I1 与被测压差P 之间成单一的比例关系。2、其它压力检测仪表(1)应变片式压力变送器物体受压后会产生内应力和产生弹性变形，在弹性限度之内，内应力与变形率(即应变)成正比，因而可以通过测量物体应变来求物体
46、所受的压力。应变片式压力变送器就是通过测量胶粘在弹性元件上或者与弹性元件制成一体的应变电阻值的大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所感受的压力。1、应变片原理作为感压元件的应变片是由金属导体或半导体材料制成的电导体，它的电阻值及随压力所产生的应变而变化。半导体材料具有较大电阻率的变化率，原因在于它远比金属导体有显著的压电电阻效应。当在半导体(例如单晶硅)的晶体结构上加以压力，会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电结构，表现为它的电阻率 的变化，这一物理现象称为压电电阻效应，并且，根据半导体材料的情况和所加压力的方向，可使电阻串增加或减小。因此，应变片式压力传感器利用应变片
47、作为转换元件，把被测压力 P 转换成应变片的电阻值变化，然后经桥式电路得到毫伏级电量输出结显示仪表。2、应变片式压力变送器压力传感器如图 1-17 所示。应变筒 1 的上端与外壳 2 固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片紧密接触。两片应变片 r1和 r2 用特殊胶桔剂紧贴在应变筒的外壁。r1 沿应变简的轴向贴放，作为测量片，r2 沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与筒体间不应有相对滑动现象，并保持电气绝缘。当被测压力P 作用于不锈钢膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片 r1 也将产生轴向压缩应变，应变量为 1，于是 r1的阻值变小，而沿径向贴放的应变片 r2 由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变，应变量为 2，于是、阻值变大。但是由于 2 比 1 要小，故实际上 r1 的减小量将比 r2 的增加量要大。图 l17 压力传感器示意图1。应变筒：2。外壳，3 一密封膜片
