1、 變送器是單元組合儀表中不可缺少的基本單元之一。變變送器是單元組合儀表中不可缺少的基本單元之一。變送器的任務是把各種非電量的工藝參數（如壓力、流量、送器的任務是把各種非電量的工藝參數（如壓力、流量、溫度、液位等），變換成統一標準信號，然后根據系統溫度、液位等），變換成統一標準信號，然后根據系統的需要，傳送到有關單元控制和顯示或記錄。的需要，傳送到有關單元控制和顯示或記錄。 變送單元根據被測參數的不同，可分為壓力變送器、差變送單元根據被測參數的不同，可分為壓力變送器、差壓變送器、液位變送器和溫度變送器等壓變送器、液位變送器和溫度變送器等。 根據能源來分，有氣動變送器和電動變送器，下面我們根據能源

2、來分，有氣動變送器和電動變送器，下面我們先介紹氣動變送器。先介紹氣動變送器。 第五節第五節 壓力、差壓變送器壓力、差壓變送器 （一）氣動儀表基本元部件（一）氣動儀表基本元部件 氣動儀表中常遇到的元件及組件：氣動儀表中常遇到的元件及組件：1 1氣阻：在氣動單元組合儀表中，如同電子線路中氣阻：在氣動單元組合儀表中，如同電子線路中“電電阻阻”的作用一樣，氣阻在氣動管路中起著壓力降和改的作用一樣，氣阻在氣動管路中起著壓力降和改變氣體流量的作用。變氣體流量的作用。 氣阻按其結構，可分為恒氣阻與可調氣阻兩類。氣阻按其結構，可分為恒氣阻與可調氣阻兩類。恒氣阻：在氣動單元組合儀表中稱為恒節流孔。即流通恒氣阻：

3、在氣動單元組合儀表中稱為恒節流孔。即流通截面積不能調整的節流元件，在氣路中恒氣阻用下列截面積不能調整的節流元件，在氣路中恒氣阻用下列符號表示符號表示。壓力、差壓變送器（續）壓力、差壓變送器（續）氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）恒氣阻的結構一般有三種形式，如下圖所示。恒氣阻的結構一般有三種形式，如下圖所示。可調氣阻：即流通截面積可以調整、氣體通過時壓力降可調氣阻：即流通截面積可以調整、氣體通過時壓力降可以改變的節流元件。可以改變的節流元件。 在氣路中可調氣阻用下列符號表示。在氣路中可調氣阻用下列符號表示。 在氣動單元組合儀表中是個關鍵元件。通過它可以整定在氣動單元組合儀表中是個關

4、鍵元件。通過它可以整定微分時間、積分時間、比例度和配比值微分時間、積分時間、比例度和配比值。P1(a)毛細管式P2dP1P2d（b)縫隙式(c)薄壁小孔式P2P1可調氣阻的結構形式很多，常見的結構形式如圖所示可調氣阻的結構形式很多，常見的結構形式如圖所示 P1P2(a)圓錐-圓錐P1P2(b)圓柱-圓錐P1P2(b)圓球-圓錐氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續） 氣阻對空氣流動的阻礙程度，一般用氣阻氣阻對空氣流動的阻礙程度，一般用氣阻R R來定量的表來定量的表示。氣阻值的大小等于每增加單位質量流量的氣體所需示。氣阻值的大小等于每增加單位質量流量的氣體所需要增加的壓力差，即：要增加的

5、壓力差，即： 式中式中： P P 氣阻前后的壓降；氣阻前后的壓降； M M 流過氣阻的質量流量；流過氣阻的質量流量； R R 氣阻值。氣阻值。 MPR氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）2氣容氣容 凡是氣體流過時，能儲存或放出氣體的氣室稱為氣容。氣凡是氣體流過時，能儲存或放出氣體的氣室稱為氣容。氣容在氣動儀表中起緩沖、防止振蕩的作用。容在氣動儀表中起緩沖、防止振蕩的作用。 氣容在數值上定義：使氣室內壓力增加或減少單位數值，氣容在數值上定義：使氣室內壓力增加或減少單位數值，所需要增加（或減少）的空氣量。可表示為所需要增加（或減少）的空氣量。可表示為 在氣動儀表中很少單獨使用氣容，往往

6、與氣阻組成阻容藕在氣動儀表中很少單獨使用氣容，往往與氣阻組成阻容藕荷組件荷組件 dPdmC氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）3 3、節流通室、節流通室 由一個變氣阻、一個氣容和一個恒氣阻串聯而成的組件由一個變氣阻、一個氣容和一個恒氣阻串聯而成的組件叫節流通室。如圖所示。叫節流通室。如圖所示。在穩定的狀態下，單位時間內流過氣阻在穩定的狀態下，單位時間內流過氣阻R R1 1的流量的流量MM1 1，應等，應等于單位時間流過氣阻于單位時間流過氣阻R R2 2的流量的流量MM2 2。由于由于 所以所以 節流通室示意圖節流通室示意圖1211RPPM2322RPPM232121RPPRPP氣動

7、儀表基本元部件（續氣動儀表基本元部件（續）當當P P3 3通大氣，即通大氣，即P P3 3（表壓）（表壓）= 0 = 0 上式整理可得上式整理可得式中式中 可見，當可調氣可見，當可調氣阻阻R R1 1一定時，即一定時，即K K為定值時，為定值時，P P2 2隨隨P P1 1成比例成比例變化。改變變化。改變R R1 1的阻值，就可以改變的阻值，就可以改變P P1 1與與P P2 2的比例關系。的比例關系。 112122KPPRRRP212RRRK氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）4噴嘴噴嘴擋板機構擋板機構 噴嘴擋板機構是氣動儀表中的氣動控噴嘴擋板機構是氣動儀表中的氣動控制元件，也是

8、最基本的元件之一，一般用下面符號表示制元件，也是最基本的元件之一，一般用下面符號表示。 噴嘴擋板機構是由恒氣阻、噴嘴擋板機構是由恒氣阻、氣容和噴嘴擋板構成的氣容和噴嘴擋板構成的變氣阻變氣阻串聯而成的節流通室，串聯而成的節流通室，其機結構如右圖所示其機結構如右圖所示 噴嘴后的氣容稱為噴嘴背壓室，室內壓力稱為噴嘴背壓噴嘴后的氣容稱為噴嘴背壓室，室內壓力稱為噴嘴背壓P P背背，此壓力即為噴嘴擋板機構的輸出壓力。，此壓力即為噴嘴擋板機構的輸出壓力。壓縮空氣（約壓縮空氣（約0.14MPa0.14MPa）作為氣源，）作為氣源，經恒氣阻進入背壓室經恒氣阻進入背壓室后，再由噴嘴擋板間隙排出（一般排入大氣）。后

9、，再由噴嘴擋板間隙排出（一般排入大氣）。恒氣阻背壓室噴嘴擋板P背P源h h氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續） 氣流經過恒氣阻時，由于恒節流孔孔徑很小（一般為氣流經過恒氣阻時，由于恒節流孔孔徑很小（一般為0.150.150.3mm0.3mm），它將對壓縮空氣的流動造成很大的阻力，），它將對壓縮空氣的流動造成很大的阻力，只是很少流量的氣流通過恒節流孔進入背壓室。而背壓室只是很少流量的氣流通過恒節流孔進入背壓室。而背壓室中的壓力是隨噴嘴擋板間的相對位移而變化的。當擋板靠中的壓力是隨噴嘴擋板間的相對位移而變化的。當擋板靠近噴嘴時，氣阻增大，

10、背壓室內的氣體不易排出，則近噴嘴時，氣阻增大，背壓室內的氣體不易排出，則P P背背上升；反之，擋板離開噴嘴時，氣阻減小，由于噴嘴內徑上升；反之，擋板離開噴嘴時，氣阻減小，由于噴嘴內徑（一般為（一般為0.80.81.2mm1.2mm）比恒節流孔徑大，所以壓縮空氣）比恒節流孔徑大，所以壓縮空氣很自由地跑到大氣中，則很自由地跑到大氣中，則P P背背下降。因此噴嘴擋板間的距下降。因此噴嘴擋板間的距離離h h不同，就有不同不同，就有不同的的P P背背，從而完成了擋板的微小位移轉，從而完成了擋板的微小位移轉換成氣壓信號的任務。換成氣壓信號的任務。恒氣阻背壓室噴嘴擋板P背P源h h 噴嘴擋板間的距離噴嘴擋板

11、間的距離h h與背壓室內的壓力與背壓室內的壓力P P背背間的關系一般由實間的關系一般由實驗求得。特性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，曲線不驗求得。特性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，曲線不夠陡，也不直，即噴嘴擋板機構的靈敏度與線性均不好。常夠陡，也不直，即噴嘴擋板機構的靈敏度與線性均不好。常常只用中間常只用中間a ab b段。在此段，擋板位移段。在此段，擋板位移h h與與P P背背的變化比較符的變化比較符合線性規律，并且斜率也較陡。在此段內各點均有較穩定的合線性規律，并且斜率也較陡。在此段內各點均有較穩定的放大倍數，機構工作既靈敏又穩定放大倍數，機構工作既靈敏又穩定. . 與曲線與曲線a

12、a至至b b這一段相應這一段相應的位移的位移h hb bh ha a， 一般只有百分只幾毫米。一般只有百分只幾毫米。 壓力變化范圍壓力變化范圍P Pa aP Pb b只有只有0.008MPa0.008MPa， 但經放大器放大但經放大器放大1010倍后，倍后， 輸出壓力在輸出壓力在0.020.020.1MPa0.1MPa范圍內變化范圍內變化。 P背0.13abPaPb00.010.020.03h h( ( mm ) )氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）5 5功率放大器功率放大器 利用噴嘴擋板機構，可以將擋板微小的位移量轉換成相利用噴嘴擋板機構，可以將擋板微小的位移量轉換成相當大的噴

13、嘴背壓當大的噴嘴背壓P P背，背，而且在一定的工作范圍內，兩者近而且在一定的工作范圍內，兩者近似成線性關系。似成線性關系。 在輸出氣壓之前，要先把背壓進行功率放大（壓力和流在輸出氣壓之前，要先把背壓進行功率放大（壓力和流量都放大），使它變為標準統一信號并有足夠的功率將量都放大），使它變為標準統一信號并有足夠的功率將信號遠傳。因此，功率放大器是氣動儀表的主要部件之信號遠傳。因此，功率放大器是氣動儀表的主要部件之一，功率放大器一般用符號表示。一，功率放大器一般用符號表示。 氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）耗氣型功率放大器原理圖耗氣型功率放大器原理圖1一閥桿；一閥桿； 2一膜片：一膜

14、片：3一彈簧片：一彈簧片：4一球閥一球閥耗氣型功率放大器：耗氣型功率放大器： 主要由金屬膜片主要由金屬膜片2 2、閥桿、閥桿1 1、彈簧片、彈簧片3 3和球閥和球閥4 4組成。閥桿的組成。閥桿的上下端各構成一個變氣阻。一個是圓球圓柱形，一個是圓上下端各構成一個變氣阻。一個是圓球圓柱形，一個是圓錐錐圓柱型組成的節流通室。功率放大器的輸入是噴嘴背壓圓柱型組成的節流通室。功率放大器的輸入是噴嘴背壓室的壓力。而通室室的壓力。而通室B B中的壓力就是功率放大器輸出的壓力。中的壓力就是功率放大器輸出的壓力。氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續） 通室壓力的變化取決于兩個變節流閥的開度比。通室壓力

15、的變化取決于兩個變節流閥的開度比。 當當擋板靠近噴嘴時擋板靠近噴嘴時，背壓增大，作用于金屬膜片，背壓增大，作用于金屬膜片2 2上的壓力上的壓力就增大。因此，通過金屬膜片就增大。因此，通過金屬膜片2 2對閥桿產生的推力就增大，對閥桿產生的推力就增大，閥桿向下位移。使球閥開大，錐閥關小閥桿向下位移。使球閥開大，錐閥關小，改變了兩個變節流改變了兩個變節流閥之間的開度比，閥之間的開度比，即決定了放大器的輸出。因為錐閥的變小，即決定了放大器的輸出。因為錐閥的變小，C C氣室的排氣量減少。球閥的打開使氣源由氣室的排氣量減少。球閥的打開使氣源由A A室大量進入室大量進入B B室，室，由于排氣量減少，進氣量增

16、加，所以由于排氣量減少，進氣量增加，所以B B氣室的輸出氣壓增加。氣室的輸出氣壓增加。 反之，如背壓減少，閥桿上移，關小進氣球閥開大排氣錐閥，反之，如背壓減少，閥桿上移，關小進氣球閥開大排氣錐閥，故故B B室的輸出氣壓降低。室的輸出氣壓降低。 氣源氣源A A室與輸出室與輸出B B室之間僅有一個球閥控制，只要球閥一微室之間僅有一個球閥控制，只要球閥一微小的位移，就可保證有足夠的氣量從小的位移，就可保證有足夠的氣量從A A室進入室進入B B室，輸出由室，輸出由B B室引出。這個氣流輸出量大大地超過了進入室引出。這個氣流輸出量大大地超過了進入D D室的氣流量，室的氣流量，實現了氣流量的放大，同時把背

17、壓也放大了約實現了氣流量的放大，同時把背壓也放大了約6 61010倍。倍。氣動儀表基本元部件（續）氣動儀表基本元部件（續）（二）氣動壓力變送器（二）氣動壓力變送器 壓力變送器的作用是，連續測量生產過程中各種液體、壓力變送器的作用是，連續測量生產過程中各種液體、蒸汽和氣體壓力，并把這一壓力成比例地轉換成統一的氣蒸汽和氣體壓力，并把這一壓力成比例地轉換成統一的氣壓信號（壓信號（0.020.020.1MPa0.1MPa），送至有關的氣動單元儀表，），送至有關的氣動單元儀表，以實現壓力的顯示和調節。以實現壓力的顯示和調節。 壓力變送器可分為測量表壓的普通壓力變送器和測量絕對壓力變送器可分為測量表壓的普

18、通壓力變送器和測量絕對壓力的絕對壓力變送器。壓力的絕對壓力變送器。 1 1基本原理：氣動壓力變送器，基本原理：氣動壓力變送器，是根據力矩平衡原理工是根據力矩平衡原理工作的作的。它是由測量部分和氣動轉換部分組成。它是由測量部分和氣動轉換部分組成。前者接受被前者接受被測壓力，并將其轉換成力；后者將此力再轉換成測壓力，并將其轉換成力；后者將此力再轉換成0.020.020.1MPa0.1MPa的氣壓信號。的氣壓信號。 壓力變送器測量部分壓力變送器測量部分的測壓敏感元件根據所產生測量力的測壓敏感元件根據所產生測量力的范圍而定。常用的有下列幾種：的范圍而定。常用的有下列幾種：氣動儀表基本元部件（續）氣動儀

19、表基本元部件（續）（1 1）波紋管式）波紋管式 波紋管式用來測量低壓力（波紋管式用來測量低壓力（0 02.5MPa2.5MPa）的敏感元件一般）的敏感元件一般采用黃銅或不銹鋼制成的波紋管，其結構原理如圖所示。采用黃銅或不銹鋼制成的波紋管，其結構原理如圖所示。當被測壓力通入測量室時，波紋管產生一軸向推力，經測當被測壓力通入測量室時，波紋管產生一軸向推力，經測量波紋管轉換成測量力，通過推杠作用在主杠桿上，傳遞量波紋管轉換成測量力，通過推杠作用在主杠桿上，傳遞到氣動轉換部分到氣動轉換部分。波紋管式波紋管式 1-1-測量波紋管；測量波紋管；2 2測量室測量室 3 3推桿；推桿；4 4螺帽；螺帽；5 5

20、主杠桿主杠桿 6 6出軸膜片出軸膜片 氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續）（2 2）彈簧管式彈簧管式 測量中、高壓（測量中、高壓（2.52.510MPa10MPa、101060MPa60MPa）的敏感元）的敏感元件一般采用鉻釩鋼制成的彈簧管，其測量部分的結構原件一般采用鉻釩鋼制成的彈簧管，其測量部分的結構原理如圖所示。當被測壓力理如圖所示。當被測壓力P P進入彈簧管內時，彈簧管末進入彈簧管內時，彈簧管末端便產生一徑向力，這個力經過拉桿傳遞到氣動轉換部端便產生一徑向力，這個力經過拉桿傳遞到氣動轉換部分的主杠桿上。分的主杠桿上。 彈簧管式彈簧管式1 1彈簧管；彈簧管；2 2推桿；推桿；3 3主

21、杠桿主杠桿 4-4-出軸膜片；出軸膜片；5 5支架；支架；6-6-螺帽螺帽 7 7殼體殼體 氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續）（3 3）雙波紋管真空補償式）雙波紋管真空補償式 雙波紋管真空補償式，用來測量絕對壓力，測量部分結雙波紋管真空補償式，用來測量絕對壓力，測量部分結構原理如圖所示。它是由安裝在同一軸線上有效面積相構原理如圖所示。它是由安裝在同一軸線上有效面積相同的兩個不銹鋼波紋管組成，波紋管同的兩個不銹鋼波紋管組成，波紋管1 1為測量波紋管，為測量波紋管，波紋管波紋管2 2為補償波紋管，為補償波紋管，預先抽成真空預先抽成真空，然后密封。其，然后密封。其工作原理如下。工作原理如下。

22、雙波紋管式雙波紋管式 1 1測量波紋管；測量波紋管；2 2補償波紋管補償波紋管 3 3推桿；推桿；4 4主杠桿主杠桿氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續） 由于兩個波紋管的有效面積相同，即由于兩個波紋管的有效面積相同，即A A1 1 = A= A2 2，當被測的，當被測的絕對壓力絕對壓力P P1 1進入測量波紋管進入測量波紋管1 1時，在被測壓力時，在被測壓力P P1 1與大氣壓與大氣壓力力P P2 2的差壓作用下，測量波紋管底部產生一個推力的差壓作用下，測量波紋管底部產生一個推力F F1 1，其值為其值為： F F1 1P P 1 1 A A 1 1P P 2 2 A A 2 2 由于補償

23、波紋管內部已抽成真空，所以它僅僅受到周圍由于補償波紋管內部已抽成真空，所以它僅僅受到周圍大氣壓力大氣壓力P P2 2的作用，在它的底部所產生的軸向壓縮力的作用，在它的底部所產生的軸向壓縮力: : F F 2 2 = P = P2 2A A2 2 因此，作用在主杠桿因此，作用在主杠桿4 4上的合力（即測量力）為：上的合力（即測量力）為： F FF.F.1 1F.F.2 2P P1 1A A1 1P P 2 2 A A 2 2P P 2 2 A A 2 2P P 1 1 A A 1 1 從上式可以看出，測量力從上式可以看出，測量力F F與被測絕對壓力與被測絕對壓力P P1 1成正比，成正比，而與大

24、氣壓力無關，故測得的壓力為絕對壓力。補償了而與大氣壓力無關，故測得的壓力為絕對壓力。補償了由于大氣壓力變化而引起的測量誤差由于大氣壓力變化而引起的測量誤差。 氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續）氣動壓力變送器（續）2 2單杠桿壓力變送器單杠桿壓力變送器單杠桿壓力變送器是根據力矩平衡單杠桿壓力變送器是根據力矩平衡原理工作的。原理工作的。被測壓力被測壓力P P通過彈性元通過彈性元件轉換為測量力件轉換為測量力F F1 1，作用在主杠桿的，作用在主杠桿的下端，對支點（即密封膜片）產生下端，對支點（即密封膜片）產生一個順時針方向的力矩一個順時針方向的力矩MM1 1，使主杠，使主杠

25、桿作順時針方向偏轉。主杠桿上端桿作順時針方向偏轉。主杠桿上端的擋板靠近噴嘴，引起噴嘴背壓增的擋板靠近噴嘴，引起噴嘴背壓增加，此壓力經過功率放大器放大后加，此壓力經過功率放大器放大后作為作為P P出出輸出。變送器輸出也進入反輸出。變送器輸出也進入反饋波紋管內，并產生一個反饋力饋波紋管內，并產生一個反饋力F F2 2，由于反饋力的作用使主杠桿對支點由于反饋力的作用使主杠桿對支點產生一個逆時針方向力矩產生一個逆時針方向力矩MM2 2，這樣，這樣，主杠桿上作用著兩個力矩主杠桿上作用著兩個力矩. .單杠桿壓力變送器（續）單杠桿壓力變送器（續） 主杠桿上作用著兩個力矩，即由測量部分產生的主杠桿上作用著兩個

26、力矩，即由測量部分產生的順時針方向力矩順時針方向力矩MM1 1和由反饋波紋管產生的逆時針和由反饋波紋管產生的逆時針方向力矩方向力矩MM2 2，這兩個力矩決定著主杠桿的運動狀，這兩個力矩決定著主杠桿的運動狀況。當兩者相等時，主杠桿就處于平衡狀態，噴況。當兩者相等時，主杠桿就處于平衡狀態，噴嘴擋板間的距離就不再改變。這時，就有一個與嘴擋板間的距離就不再改變。這時，就有一個與壓力壓力P P相對應的氣壓信號相對應的氣壓信號P P出出輸出。輸出。 根據力矩平衡原理推導出根據力矩平衡原理推導出P P出出與與P P的關系。的關系。假定反饋波紋管的有效面積為假定反饋波紋管的有效面積為A A2 2，波紋管內的壓

27、力為，波紋管內的壓力為P P出出，則有反饋力則有反饋力F F2 2為：為： F F2 2P P出出A A2 2 (1) (1) 同理測量力同理測量力F F1 1可以寫成可以寫成 F F1 1P PA A1 1 (2) (2) 式中式中 P P被測壓力被測壓力 A A1 1-決定于彈性元件特性的一個系數。決定于彈性元件特性的一個系數。 假定測量力假定測量力F F1 1離支點的距離為離支點的距離為l l1 1，反饋力，反饋力F F2 2離支點的距離離支點的距離l l2 2，則作用在主杠桿上的兩個力矩分別為，則作用在主杠桿上的兩個力矩分別為 MM1 1F F1 1 l l1 1 =P =PA A1

28、1 l l1 1 (3) (3) M M2 2F F2 2 l l2 2=P=P出出A A2 2l l2 2 (4) (4) 單杠桿壓力變送器（續）單杠桿壓力變送器（續） 當當MM1 1MM2 2時，則有時，則有 PAPA1 1l l1 1P P出出A A2 2l l2 2 （5 5） (6)(6) 由此可見，根據上述力矩平衡關系，由此可見，根據上述力矩平衡關系，A A1 1、A A2 2近似常數，近似常數，l l1 1是恒定不變的，而是恒定不變的，而l l2 2調整到某一固定值，主杠桿平衡時，調整到某一固定值，主杠桿平衡時，變送器輸出信號變送器輸出信號P P出出與輸入壓力與輸入壓力P P之間

29、具有固定的一一對之間具有固定的一一對應的比例關系。應的比例關系。 若令若令 (7) (7) 則（則（6 6）式可寫成）式可寫成 P P出出K K1 1P (8)P (8)式中式中K K1 1稱為單杠桿壓力變送器的放大系數，改變稱為單杠桿壓力變送器的放大系數，改變K K1 1就可改就可改變變送器的測量范圍。變變送器的測量范圍。22111lAlAK PlAlAP2211出單杠桿壓力變送器（續）單杠桿壓力變送器（續） 當變送器結構確定后，當變送器結構確定后，A A1 1、A A2 2、l l1 1都是固定的，要都是固定的，要改變改變K K1 1唯一可變的是唯一可變的是l l2 2。l l2 2可以通

30、過移動量程支點可以通過移動量程支點（即反饋波紋管的支點）（即反饋波紋管的支點）來改變。來改變。當當l l2 2變大（負反變大（負反饋力矩變大）時，則饋力矩變大）時，則K K1 1變小，在輸出范圍（變小，在輸出范圍（0.020.020.1MPa0.1MPa）相同時，量程就可以變大；反之）相同時，量程就可以變大；反之，l l2 2減小，減小，K K1 1值就增加，量程就變小。當量程支點移到主杠桿值就增加，量程就變小。當量程支點移到主杠桿的最上端時的最上端時，l l2 2增至最大，增至最大，K K1 1最小，變送器達到它最小，變送器達到它的最大量程。的最大量程。 要使這種變送器的最大和最小量程之比越

31、大，主杠要使這種變送器的最大和最小量程之比越大，主杠桿就應越長。主杠桿過長，一方面影響變送器的精桿就應越長。主杠桿過長，一方面影響變送器的精度；另一方面使儀表體積變大。所以，單杠桿壓力度；另一方面使儀表體積變大。所以，單杠桿壓力變送器的最大和最小量程之比不能太大（一般為變送器的最大和最小量程之比不能太大（一般為6.256.25），這是它的缺點。為了提高量程的可變范圍，），這是它的缺點。為了提高量程的可變范圍，可以采用雙杠桿壓力變送器。可以采用雙杠桿壓力變送器。單杠桿壓力變送器（續）單杠桿壓力變送器（續）（三）力平衡式電動差壓變送器（三）力平衡式電動差壓變送器 力平衡式電動力平衡式電動變送器是變

32、送器是DDZ-DDZ-型表，型表，采用采用了了4 420mA DC20mA DC的信號制，可使電源及信號傳的信號制，可使電源及信號傳遞共有二根線，遞共有二根線，構成二線制變送器，同時構成二線制變送器，同時24V24V電源供電提高了安全性。電源供電提高了安全性。 變送器量程調整方便，變送器量程調整方便，可采用更換動圈抽頭和可采用更換動圈抽頭和改變矢量角的辦法調整量程改變矢量角的辦法調整量程，比改變杠桿活動，比改變杠桿活動支點的方法方便得多。變送器采用了較先進的支點的方法方便得多。變送器采用了較先進的固定支點的矢量機構，提高了儀表的可靠性和固定支點的矢量機構，提高了儀表的可靠性和穩定性。穩定性。壓

33、力、差壓變送器（續）壓力、差壓變送器（續） 1 1工作原理工作原理 差壓變送器的結構如下圖所示。差壓變送器由差壓變送器的結構如下圖所示。差壓變送器由兩部分組成，下半部分為測量部分，上半部分為兩部分組成，下半部分為測量部分，上半部分為轉換部分。前者包括測量室、測量元件（膜盒）、轉換部分。前者包括測量室、測量元件（膜盒）、主杠桿，后者包括主杠桿、矢量機構、副杠桿、主杠桿，后者包括主杠桿、矢量機構、副杠桿、反饋機構、差動變壓器及放大器等。反饋機構、差動變壓器及放大器等。 差壓變送器是根據力平衡原理工作的，這種結構差壓變送器是根據力平衡原理工作的，這種結構是一個具有深度負反饋的有差系統。是一個具有深度

34、負反饋的有差系統。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續）差壓變送器結構示意圖差壓變送器結構示意圖當被測的差壓當被測的差壓PP分別作用在膜盒的分別作用在膜盒的兩側時，在膜盒的兩側時，在膜盒的連接片處產生一集連接片處產生一集中力中力F F，此力通過，此力通過支點為支點為H H的主杠桿，的主杠桿，轉換為作用于矢量轉換為作用于矢量機構的力機構的力F1F1。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 矢量機構主要由矢量橫桿和矢量機構主要由矢量橫桿和型支型支撐板組成。矢量機構把主杠桿的撐板組成。矢量機構把主杠桿的水平方向的力水平方向的力F F1 1分解為垂直方向的分解為垂直

35、方向的力力F F1 1和矢量角和矢量角方向的力方向的力F F3 3兩個分兩個分力。力。 由于矢量板的端部是固定在基座上由于矢量板的端部是固定在基座上的，因此分力的，因此分力F F3 3被固定點上的反作被固定點上的反作用力所平衡，對副杠桿不起作用。用力所平衡，對副杠桿不起作用。而分力而分力F F2 2則作用在副杠桿上，其則作用在副杠桿上，其值等于值等于F F1 1tgtg，在主杠桿對矢量機在主杠桿對矢量機構的作用力構的作用力F F1 1不變的情況下，可通不變的情況下，可通過調整矢量角過調整矢量角來改變矢量機構來改變矢量機構的輸出力的輸出力F F2 2。F1F2F3矢量機構如圖所示。矢量機構如圖所

36、示。 力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 副杠桿以十字簧片副杠桿以十字簧片MM為支點，為支點，將將F F2 2傳遞到反饋動圈傳遞到反饋動圈1212處，處，形成作用力形成作用力F F4 4。F F4 4與反饋動與反饋動圈在磁場中所受到的反饋力圈在磁場中所受到的反饋力F Ff f相比較，其差值相比較，其差值FF使副杠使副杠桿繞十字簧片桿繞十字簧片MM偏轉，從而偏轉，從而使檢測片使檢測片8 8與差動變壓器與差動變壓器9 9之之間的距離改變間的距離改變SS。這造成了。這造成了差動變壓器的輸出變化差動變壓器的輸出變化uu，uu經放大器放大，并轉換成經放大器放大，并轉換成4 420m

37、A DC20mA DC統一信號統一信號I Isc sc作作為輸出。為輸出。I Isc sc流經置于永久磁流經置于永久磁鋼內的反饋動圈，產生反饋鋼內的反饋動圈，產生反饋力力F Ff f，此力使杠桿趨于回復，此力使杠桿趨于回復到原來的位置，當到原來的位置，當F Ff f等于等于F F4 4時，時，測量杠桿系統重新處于平衡測量杠桿系統重新處于平衡狀態，此時輸出電流狀態，此時輸出電流I Isc sc與被與被測差壓成正比。測差壓成正比。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續）根據上述工作原理畫出的變送器方框圖如下圖所示。根據上述工作原理畫出的變送器方框圖如下圖所示。Su副杠桿杠桿系統差

38、動變壓器位移檢測放大器反饋動圈P420mAFfIscF4下面分別介紹其它組成部分的作用下面分別介紹其它組成部分的作用。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 2彈性元件彈性元件 力平衡式變送器中的彈性元件是用來將被測壓力或差壓信力平衡式變送器中的彈性元件是用來將被測壓力或差壓信號轉換為集中力。根據被測壓力或差壓的不同范圍可采用號轉換為集中力。根據被測壓力或差壓的不同范圍可采用彈簧管、波紋管和金屬膜盒等。彈簧管、波紋管和金屬膜盒等。 當彈性元件的位移很小時，彈性元件的有效面積可以認為當彈性元件的位移很小時，彈性元件的有效面積可以認為是常數是常數K K1 1。這時彈性元件對主杠桿

39、下端的作用力。這時彈性元件對主杠桿下端的作用力F F為為 F FK K1 1P P K K1-1-彈性元件有關的系數彈性元件有關的系數 力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 3 3測量杠桿系統和矢量機構測量杠桿系統和矢量機構 測量杠桿系統用于力的傳遞和比較，其上各作用力之間測量杠桿系統用于力的傳遞和比較，其上各作用力之間的關系根據力平衡原理可為：的關系根據力平衡原理可為： F F1 1K K2 2F F 式中式中 K K2 2- -系數，決定于系數，決定于F F和和F F1 1到支點到支點H H的距離之比。的距離之比。 矢量機構上的各個力之間的關系為：矢量機構上的各個力之間

40、的關系為： F F2 2F F1 1tg tg F F4 4K K3 3F F2 2式中式中 -矢量板上的矢量角；矢量板上的矢量角； K K3 3-系數，它決定于副杠桿上的作用力系數，它決定于副杠桿上的作用力F F2 2和和F F4 4到支點到支點MM的距離之比。的距離之比。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 3 3測量杠桿系統和矢量機構測量杠桿系統和矢量機構 反饋反饋力力F Ff f與變送器的輸出電流與變送器的輸出電流I Iscsc成正比，還與反成正比，還與反饋機構的結構參數（如反饋動圈匝數）有關，饋機構的結構參數（如反饋動圈匝數）有關，即即 F Ff fdBWdBW

41、I Isc sc = = K K4 4W W I Isc scK Kf f I Isc sc式中式中 K Kf f反饋機構的結構常數，反饋機構的結構常數，K Kf fK K4 4WW； B B永久磁鋼的磁感應強度，約永久磁鋼的磁感應強度，約3500350040004000高高斯；斯； WW反饋動圈匝數反饋動圈匝數，可通過改變反饋動圈中間，可通過改變反饋動圈中間抽頭的連接方式加以改變；抽頭的連接方式加以改變； d d反饋動圈的平均直徑。反饋動圈的平均直徑。力平衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續）綜合以上各式，且綜合以上各式，且F Ff ff f4 4，可導出下式：，可導出下式：

42、式中式中 K K變送器結構常數，變送器結構常數，K KK K1 1K K2 2K K3 3K K4 4。 從上式可以看出，變送器在力平衡條件下，從上式可以看出，變送器在力平衡條件下，對應對應于一定的矢量角于一定的矢量角和反饋動圈匝數和反饋動圈匝數WW，這時變，這時變送器輸出電流送器輸出電流I Iscsc與被測差壓與被測差壓PP成線性關系。成線性關系。若若改變矢量角改變矢量角和反饋動圈匝數和反饋動圈匝數WW則可改變儀表則可改變儀表的量程。因為矢量角的變化對零點影響很小，的量程。因為矢量角的變化對零點影響很小，因此調整量程非常方便。因此調整量程非常方便。PWtgKPWtgKKKKISC4321力平

43、衡式電動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續） 4 4位移檢測放大器位移檢測放大器 位移檢測放大器由差動變壓器和低頻放大器兩位移檢測放大器由差動變壓器和低頻放大器兩部分組成。它的作用是實現位移部分組成。它的作用是實現位移電流的轉換，電流的轉換，是將差壓變送器所測的差壓信號是將差壓變送器所測的差壓信號PP，經副杠桿，經副杠桿轉換成檢測片的微小位移轉換成檢測片的微小位移S S（0 03030微米），微米），此位此位移由差動變壓器、振蕩器、放大器再轉換成變送移由差動變壓器、振蕩器、放大器再轉換成變送器的整機輸出電流器的整機輸出電流I Isc sc4 420 mADC20 mADC。 力平衡式電

44、動力平衡式電動差壓變送器（續）差壓變送器（續）（四）電容式差壓變送器四）電容式差壓變送器 1. 1.電容式壓力、差壓變送器特點：電容式壓力、差壓變送器特點： 電容式壓力、差壓變送器的敏感元件為差動式電容。將差電容式壓力、差壓變送器的敏感元件為差動式電容。將差壓的變化轉換為電容量的變化。這個變化經變送部分運算壓的變化轉換為電容量的變化。這個變化經變送部分運算放大后，放大后，變送器輸出與被測差壓成線性的直流信號變送器輸出與被測差壓成線性的直流信號4 420mA20mA。 電容式差壓變送器與其它差壓變送器相比有下列優點：電容式差壓變送器與其它差壓變送器相比有下列優點：膜盒一側承受單向過載壓力時，具有

45、單向過載保護。膜盒一側承受單向過載壓力時，具有單向過載保護。在變送器中因沒有杠桿系統，在變送器中因沒有杠桿系統，所以靜壓誤差的問題比較容所以靜壓誤差的問題比較容易解決，比較耐振耐沖擊，使其可靠性、穩定性高。易解決，比較耐振耐沖擊，使其可靠性、穩定性高。整個差壓變送器的精度較高整個差壓變送器的精度較高，允許誤差不超過量程的，允許誤差不超過量程的0.25%0.25%； 是二線制變送器，供電電壓為是二線制變送器，供電電壓為24VDC24VDC，所以電容式差壓、所以電容式差壓、壓力變送器被廣泛用于生產過程中。壓力變送器被廣泛用于生產過程中。電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）隔離膜

46、片活動電極測量電路運算放大電路輸入差壓 位移 靜電容量變化 電壓 輸出 電流 檢測部分檢測部分 傳送部分傳送部分 2.工作原理工作原理 電容式差壓變送器的原理方框圖如下圖所示。電容式差壓變送器的原理方框圖如下圖所示。它它是由檢測部分和傳送部分組成，是由檢測部分和傳送部分組成，檢測部分是將被檢測部分是將被測的差壓經活動電極轉換為靜電容量的變化。傳測的差壓經活動電極轉換為靜電容量的變化。傳送部分是將靜電容的變化量經測量電路轉換為電送部分是將靜電容的變化量經測量電路轉換為電壓，再經將電壓轉換成電流的運算放大器，輸出壓，再經將電壓轉換成電流的運算放大器，輸出與被測差壓成線性的直流電流信號與被測差壓成線

47、性的直流電流信號 。電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）檢測部分組成壓力、差壓變送器（續）壓力、差壓變送器（續）浮動膜盒固定電極測量膜片（可動電極）鋼性絕緣體（陶瓷）高壓側低壓側浮動膜片充灌液隔離膜片導線輸出信號 將左右對稱的不銹鋼基將左右對稱的不銹鋼基座座2 2和和3 3的外側加工成環的外側加工成環狀狀波紋溝槽波紋溝槽，并焊上，并焊上波波紋隔離膜片紋隔離膜片1 1和和4 4，基座，基座內側有玻璃層內側有玻璃層5 5。玻璃層。玻璃層內表面磨成內表面磨成凹球面凹球面，球，球面除邊緣部分外鍍以金面除邊緣部分外鍍以金屬膜屬膜6 6，此金屬膜層有導，此金屬膜層有導線通往外部，線通往

48、外部，為電容的為電容的左右定極板左右定極板。左右對稱。左右對稱的上述結構的上述結構中央夾入并中央夾入并焊接彈性平膜片，即測焊接彈性平膜片，即測量膜片量膜片7 7，為電容的中央，為電容的中央動極板動極板電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）電容式差壓變送器檢測部分電容式差壓變送器檢測部分 測量膜片左右空間被分隔成兩個室，中間充滿硅油，當左測量膜片左右空間被分隔成兩個室，中間充滿硅油，當左右隔離膜片分別承受高壓右隔離膜片分別承受高壓P Ph h和低壓和低壓P PL L時，硅油的不可壓縮時，硅油的不可壓縮性和流動性便能將差壓性和流動性便能將差壓PPP Ph h-P-PL L傳遞到測

49、量膜片的左右傳遞到測量膜片的左右面上。面上。 測量膜片在焊接前加有預張力，所以當差壓測量膜片在焊接前加有預張力，所以當差壓PP0 0時十時十分平整，使得定極板左右兩電容的容量完全相等，即分平整，使得定極板左右兩電容的容量完全相等，即C Ch h=C=CL L，電容量的差值為零。，電容量的差值為零。 在有差壓作用時，測量膜片發生變形，可左右移動在有差壓作用時，測量膜片發生變形，可左右移動0.10.1毫毫米的距離，也就是動極板向低壓側定極板靠近，同時遠離米的距離，也就是動極板向低壓側定極板靠近，同時遠離高壓側定極板，從而使得電容高壓側定極板，從而使得電容C CL LCCH H，容量不再相等，這容量

50、不再相等，這一靜電容量變化經引出線送往傳送部分放大，轉換為一靜電容量變化經引出線送往傳送部分放大，轉換為4 420mA DC20mA DC信號輸出。這就是差動電容形式的壓力或差壓信號輸出。這就是差動電容形式的壓力或差壓傳感器。傳感器。電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）檢測部分的靜態特性檢測部分的靜態特性。假設測量膜片在差壓假設測量膜片在差壓PP的作用下移動距離為的作用下移動距離為dd，由于位移，由于位移量很小，可近似認為量很小，可近似認為PP與與dd成比例變化，即：成比例變化，即：ddKC021ddKC022電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）ddK

51、K1 1PP式中：式中：K K1 1為比例系數。為比例系數。 可動電極（測量膜片）與左、右固定極板間距離由原來可動電極（測量膜片）與左、右固定極板間距離由原來的的d d0 0變為變為d d0 0dd和和d d0 0dd，根據平行板電容公式，兩個，根據平行板電容公式，兩個電容可分別寫成：電容可分別寫成：式中：式中： K K1 1 、K K2 2是由電容器極板面積和介電常數決定的系數。是由電容器極板面積和介電常數決定的系數。解上兩式可得出差壓解上兩式可得出差壓PP與差動電容與差動電容C C1 1、C C2 2的關系如下：的關系如下： 式中：式中：K K3 3是一個常數。是一個常數。 由上式可知，電

52、容（由上式可知，電容（C2C2C1C1）與（）與（C2C2C1C1）的比值與）的比值與PP是成正比關系是成正比關系, ,且于介電常數無關且于介電常數無關。 傳遞部分的任務是將傳遞部分的任務是將（C C2 2C C1 1）與（）與（C C2 2C C1 1）的比值轉）的比值轉換為電壓或電流。換為電壓或電流。 21132100CCKdPKPCCdd電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）電容式壓力、差壓變送器（續）（五）（五）1151 1151 先進型壓力變送器先進型壓力變送器 11511151智能化壓力變送器是美國智能化壓力變送器是美國FISHER-R

53、OSEMOUNT FISHER-ROSEMOUNT 公司公司生產的智能化壓力變送器，在它原變送器（如電容式）的生產的智能化壓力變送器，在它原變送器（如電容式）的基礎上增加微處理器而形成的，結構如圖基礎上增加微處理器而形成的，結構如圖(a)(a)所示。所示。 1 1硬件說明硬件說明 智能化壓力變送器與普通智能化壓力變送器與普通11511151變送器的外型幾乎相同，只變送器的外型幾乎相同，只是內部增加了智能化電子線路。各功能部分的組成見圖是內部增加了智能化電子線路。各功能部分的組成見圖(b)(b)所示。其敏感元件與所示。其敏感元件與11511151變送器完全一樣，在后續電路中變送器完全一樣，在后續

54、電路中增加了模數轉換、微處理器及數模轉換電路。工作期增加了模數轉換、微處理器及數模轉換電路。工作期間，間，隔離膜片探測并傳送過程壓力到填充油，然后該液體隔離膜片探測并傳送過程壓力到填充油，然后該液體傳送過程壓力至傳送過程壓力至室的中心傳感膜片上，差壓的不同使室的中心傳感膜片上，差壓的不同使傳感膜片產生偏移。其最大偏移量為傳感膜片產生偏移。其最大偏移量為0.10mm0.10mm，并正比于，并正比于過程壓力。過程壓力。傳感膜片兩側的電容極板檢測膜片的位置，通傳感膜片兩側的電容極板檢測膜片的位置，通過變送器的電子部分把傳感膜片與電容極板之間電容差值過變送器的電子部分把傳感膜片與電容極板之間電容差值轉

55、換成一個二線制轉換成一個二線制4 420mA20mA直流信號和一個直流信號和一個HARTHART數字信數字信號。號。 壓力、差壓變送器（續）壓力、差壓變送器（續）圖(a)智能化變送器部件分解示意圖 1151 1151 先進型壓力變送器（續）先進型壓力變送器（續）模/ 數信號轉換傳感器內存-修正系數-膜片信息微處理器-敏感元件線性化-量程調整-傳遞系數-工程單位-阻尼-診斷-通訊數/ 模信號轉換電子板模塊內存-量程值-變送器組態數字通訊量程、零點調整傳感器電子線路板壓力壓力數字信號420mA信號1151 1151 先進型壓力變送器（續）先進型壓力變送器（續） 一、應變式壓力傳感器一、應變式壓力傳

56、感器 物體受壓后會產生內應力和產生彈性變形，在物體受壓后會產生內應力和產生彈性變形，在彈性限度之內，內應力與變形率（即應變）成彈性限度之內，內應力與變形率（即應變）成正比，因而可以通過測量物體應變來求得物體正比，因而可以通過測量物體應變來求得物體所受的壓力。所受的壓力。 應變片式壓力變送器就是通過測量膠粘在彈性應變片式壓力變送器就是通過測量膠粘在彈性元件上、元件上、 或與彈性元件制成一體的應變電阻值或與彈性元件制成一體的應變電阻值的大小來測量受壓彈性元件的應變，從而測得的大小來測量受壓彈性元件的應變，從而測得彈性元件所受的壓力。彈性元件所受的壓力。 第六節第六節 其它壓力檢測儀表其它壓力檢測儀

57、表（六）應變片式壓力變送器（六）應變片式壓力變送器 1 1、應變原理、應變原理 對于一根圓截面的金屬電阻絲，當受到軸向拉伸作對于一根圓截面的金屬電阻絲，當受到軸向拉伸作用時，金屬絲會沿軸向伸長用時，金屬絲會沿軸向伸長L L，沿徑向縮短，沿徑向縮短 D D，使，使金屬絲的電阻率發生變化，從而導致電阻值改變，將金屬絲的電阻率發生變化，從而導致電阻值改變，將電阻絲用粘合劑固定在絕緣的基片上便構成了應變片電阻絲用粘合劑固定在絕緣的基片上便構成了應變片 作為感壓元件的應變片是由金屬導體或半導體材料制作為感壓元件的應變片是由金屬導體或半導體材料制成的電阻體，他的電阻值成的電阻體，他的電阻值R R隨壓力隨壓

58、力P P所產生的應變而變所產生的應變而變化。化。 半導體應變片比金屬導體應變片靈敏度高，但其受半導體應變片比金屬導體應變片靈敏度高，但其受溫度影響比金屬要大。溫度影響比金屬要大。 應變靈敏系數應變靈敏系數K K：導線每單位應變引起的阻值相對變化：導線每單位應變引起的阻值相對變化量。做為測應變的敏感元件，當然希望量。做為測應變的敏感元件，當然希望K K越大越好，通越大越好，通常金屬絲式應變片的常金屬絲式應變片的K=1.7-3.6K=1.7-3.6。應變片式壓力變送器（續）應變片式壓力變送器（續） 金屬箔式應變片結構：常用直徑金屬箔式應變片結構：常用直徑0.015-0.05mm0.015-0.05

59、mm的的康銅密密的排成柵狀，粘貼在紙或膠質基底上，康銅密密的排成柵狀，粘貼在紙或膠質基底上，叫應變片叫應變片 2 2、應變式壓力傳感器、應變式壓力傳感器 壓力傳感器如圖所示。應變筒壓力傳感器如圖所示。應變筒1 1的上端與外殼的上端與外殼2 2固定在固定在一起，它的下端與不銹鋼密封膜片緊密接觸。兩片應變一起，它的下端與不銹鋼密封膜片緊密接觸。兩片應變片片r r1 1和和r r2 2用特殊膠粘劑緊貼在應變筒的外壁。用特殊膠粘劑緊貼在應變筒的外壁。r r1 1沿應變筒沿應變筒的軸向貼放，作為測量片的軸向貼放，作為測量片；r r2 2沿徑向貼放，作為溫度補償沿徑向貼放，作為溫度補償片。片。應變片式壓力

60、變送器（續）應變片式壓力變送器（續） 壓力傳感器示意圖壓力傳感器示意圖 1-1-應變筒；應變筒；2-2-外殼；外殼；3-3-密封膜片密封膜片 應變片與筒體之間不應有相對滑動現象，并保持電氣絕緣。應變片與筒體之間不應有相對滑動現象，并保持電氣絕緣。應變片式壓力變送器（續）應變片式壓力變送器（續） 當被測壓力當被測壓力P P作用于不銹作用于不銹鋼膜片而使應變筒作軸向受鋼膜片而使應變筒作軸向受壓變形時，沿軸向貼放的應壓變形時，沿軸向貼放的應變片變片r r1 1也將產生軸向壓縮應也將產生軸向壓縮應變，應變量為變，應變量為1 1，于是，于是r r1 1的的阻值變小；而沿徑向貼放的阻值變小；而沿徑向貼放的