【正文】 統(tǒng)一實行法定計量單位的命令 ” 的規(guī)定 ， 這些單位將不再使用 。 國際單位制中的壓力單位 (Pa或 MPa)與過去的單位之間的關(guān)系 ，參見教材中的各種壓力單位換算表 3—1。 在壓力測量中 ， 常有表壓 、 絕對壓力 、 負(fù)壓或真空度之分 ， 其關(guān)系見圖 3—4。 工程上所用的壓力指示值 ， 大多為表壓 (絕對壓力計的指示值除外 )。 表壓是絕對壓力和大氣壓力之差 ， 即 當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時 ， 一般用負(fù)壓或真空度來表示 ， 它是大氣壓力與絕對壓力之差 ， 即 因為各種工藝設(shè)備和測量儀表通常是處于大氣之中 ， 本身就承受著大氣壓力 。 所以 ， 工程上經(jīng)常用表壓或真空度來表示壓力的大小 。以后所提到的壓力 ， 除特別說明外 ， 均指表壓或真空度 。 測量壓力或真空度的儀表 ， 按照其轉(zhuǎn)換原理的不同 ， 可分為四大類 。 1． 液柱式壓力計 根據(jù)流體靜力學(xué)原理 ， 將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量 。 結(jié)構(gòu)形式： U型管壓力計 、 單管壓力計 、 斜管壓力計等 。 特點：結(jié)構(gòu)簡單 、 使用方便 。 缺點：精度受工作液的毛細(xì)管作用 、 密度及視差等因素的影響 ，測量范圍較窄 ， 一般用來測量校低壓力 、 真空度或壓力差 。 2． 彈性式壓力計 它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測量的 。 例如彈簧管壓力計 、 波紋管壓力計及膜式壓力計等 。 3． 電氣式壓力計 它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量 （ 如電壓 、 電流 、頻率等 ） 來進行測量的儀表 ， 例如各種壓力傳感器和壓力變送器 。 4． 活塞式壓力計 它是根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理 ， 將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進行測量的 。 它的測量精度很高 ， 允許誤差可小到 ％ 一 ％ 。 但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 ， 價格較貴 。 一般作為標(biāo)難型壓力測量儀器 、 來檢驗其他類型的壓力計 。 二、彈性式壓力計 彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件 ， 在被測介質(zhì)壓力的作用下 ， 使彈件元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表 。 這種儀表具有結(jié)構(gòu)簡單 、 使用可靠 、 讀數(shù)清晰 、 牢固可靠 、 價格低廉 、 測量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點 。 若增加附加裝置 ， 如記錄機構(gòu) 、 電氣變換裝置 、 控制元件等 ， 則可以實現(xiàn)壓力的記錄 、 遠(yuǎn)傳 、 信號報警 、 自動控制等 。 彈性式壓力計可以用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力 ， 因此在工業(yè)上是應(yīng)用最為廣泛的一種測壓儀表 。 1． 彈性元件 彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件 。 它不僅是彈性式壓力計的測壓元件 ， 也經(jīng)常用來作為氣動單元組合儀表的基本組成元件 。常用的幾種彈性元件的結(jié)構(gòu)如圖 3—5所示 。 (1)彈簧管式彈性元件 彈簧管式彈性元件的測壓范圍較寬 ， 可測量高達 1000MPa的壓力 。 單圈彈簧管是彎成圓弧形的金屬管子 ， 它的截面做成扁圓形或橢圓形 ， 如圖 3—5(a)所示 。 為了增加自由端的位移 ， 可以制成多圈彈簧管 ， 如圖 3—5(b)所示 。 (2)薄膜式彈性元件 薄膜式彈性元件根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同還可以分為膜片與膜盒等 。 它的測壓范圍較彈簧管式的為低 。 圖 3—5(c)為膜片式彈性元件 ， 它是由金屬或非金屬材料做成的具有彈性的一張膜片(有平膜片與波紋膜片兩種形式 )， 在壓力作用下能產(chǎn)生變形 。 有時也可以由兩張金屬膜片沿周口對焊起來 ， 成一薄壁盒子 ， 內(nèi)充液體(例如硅油 )， 稱為膜盒 ， 如圖 3—5(d)所示 。 (3)波紋管式彈性元件 波紋管式彈性元件是一個周圍為波紋狀的薄壁金屬筒體 ， 如圖 3—5(e)所示 。 這種彈性元件易于變形 ， 而且位移很大 ， 常用于微壓與低壓的測量 (—般不超過 1Mpa)。 2． 彈簧管壓力表 彈簧管壓力表的測量范圍極廣 ， 品種規(guī)格繁多 。 按其所使用的測壓元件不問 ， 可有單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表 。 按其用途水同 ， 除普通彈簧管壓力表外 ． 還有耐腐蝕的氨用壓力表 、 禁油的氧氣壓力表等 。 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理如圖 3—6所示 。 將普通彈簧管壓力表稍加變化 ， 便可成為電接點信號壓力表 ， 它能在壓力偏離給定范圍時 ， 及時發(fā)出信號 ， 以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現(xiàn)壓力的自動控制 。 三 、 電氣式壓力計 電氣式壓力計是 —種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進行傳輸及顯示的儀表 。 這種儀表的測量范圍較廣 ， 分別可測 7 105 Pa至 5 102 MPa的壓力 ， 允許誤差可至 ％ 。 由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號 ， 所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實現(xiàn)壓力自動控制和報警 ， 并可與工業(yè)控制機聯(lián)用 。 電氣式壓力計一般由壓力傳感器 、 測量電路和信號處理裝置所組成 。 常用的信號處理裝置有指示儀 、 記錄儀以及控制器 、 微處理機等 。 圖 3—8是電氣式壓力計的組成方框圖 。 壓力傳感器的作用是把壓力信號檢測出來 ， 并轉(zhuǎn)換成電信號進行輸出 ， 當(dāng)輸出的電信號能夠被進一步變換為標(biāo)準(zhǔn)信號時 ， 壓力傳感器又稱為壓力變送器 。 標(biāo)準(zhǔn)信號是指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號 。例如直流電流 4—20mA DC、 空氣壓力 的標(biāo)準(zhǔn)信號 。 我國還有一些變送器以直流電流 0一 10mA DC為輸出信號 。 下面簡單介紹霍爾片式 、 應(yīng)變片式 、 壓阻式壓力傳感器和力平衡式 ． 電容式壓力變送器 。 1． 霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的 ， 即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢 ， 從而實現(xiàn)壓力的測量 。 霍爾片為一半導(dǎo)體 (如鍺 )材料制成的薄片 。 如圖 3—9所示 ， 在霍爾片的 Z軸方向加一磁感應(yīng)強度為 B的恒定磁場 、 在 Y軸方向加一外電場 (接入直流穩(wěn)壓電源 )。 便有恒定電流沿 Y軸方向通過 。 電子在霍爾片中運動時 ， 由于受電磁力的作用 ， 而使電子的運動軌道發(fā)生偏移 ， 造成霍爾片的一個端面上有電子積累 ， 另一個端面上正電荷過剩 ， 于是在霍爾片的 X軸方向上出現(xiàn)電位差 ， 這一電位差稱為霍爾電勢 ， 這樣一種物理現(xiàn)象就稱為 “ 霍爾效應(yīng) ” 。 霍爾電勢的大小與半導(dǎo)體材料 、 所通過的電流 (一般稱為控制電流 )、 磁感應(yīng)強度以及霍爾片的幾何尺寸等因素有關(guān) ， 可用下式表示： BIRU HH ? （ 3—12） 式中 UH——霍爾電勢； RH——霍爾常數(shù) ， 與霍爾片材料 、 幾何形狀有關(guān)； B——磁感應(yīng)強度 I——通過的電流 。 由式 (3—12)可知 ， 霍爾電勢與磁感應(yīng)強度和電流成正比 。 提高 B和 I值可增大霍爾電勢 UH。 但兩者都有一定限度 ， 一般 I為 3—20mA，B約為幾千高斯 ， 所得的霍爾電勢 UH約為幾十毫伏數(shù)量級 。 如果選定了霍爾元件 ， 并使電流保持恒定 ， 則在非均勻磁場中 ，霍爾元件所處的位置不同 ， 所受到的磁感應(yīng)強度也將不同 ， 這樣就可得到與位移成比例的霍爾電勢 ， 實現(xiàn)位移 —電勢的線性轉(zhuǎn)換 。 2． 應(yīng)變片式壓力傳感器 應(yīng)變片式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的 。 電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片 (金屬絲或金屬箔 )和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類 。 被測壓力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變 。 當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮應(yīng)變時 ， 其阻值減??；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸應(yīng)變時 ， 其阻值增加 。 應(yīng)變片阻值的變化 ， 再通過橋式電路獲得相應(yīng)的毫伏級電勢輸出 ， 并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力 ， 從而組成應(yīng)變片式壓力計 。 應(yīng)變片 r1和 r2與兩個固定電阻 r3和 r4組成橋式電路 ， 如圖 3—1l(b)所示 。 由于 r1和 r2的阻值變化而使橋路失去平衡 ， 從而獲得不平衡電壓ΔU作為傳感器的輸出信號 ， 在橋路供給直流穩(wěn)壓電源最大為 10V時 ，可得最大 ΔU為 5mV的輸出 。 傳感器的被測壓力可達 25Mpa。 由于傳感器的固有頻率在 25000Hz以上 ， 故有較好的動態(tài)性能 ． 適用于快速變化的壓力測量 。 傳感器的非線性及滯后誤差小于額定壓力的 1％ 。 3． 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成 、 其工作原理如圖 3—12所示 。 采用單晶硅片為彈性元件 ， 在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝 ，在單品硅的特定方向擴散 —組等值電阻 ， 并將電阻接成橋路 ， 單晶硅片置于傳感器腔內(nèi) 。 當(dāng)壓力發(fā)生變化時 、 單品硅產(chǎn)生應(yīng)變 ， 使直接擴散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化 ， 再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信導(dǎo) 。 壓阻式壓力傳感器具有精度高 、 工作可靠 、 頻率響應(yīng)高 、 遲滯小 、尺寸小 、 重量輕 、 結(jié)構(gòu)簡單等特點 ， 可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件下工作 ， 便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化 。 壓阻式壓力傳感器不僅可以用來測量壓力 ， 稍加改變 ， 就可以用來測量差壓 、 高度 、 速度 、 加速度等參數(shù) 。 4． 力矩平衡式壓力變送器 力矩平衡式壓力變送器是一種典型的自平衡檢測儀表 ， 它利用負(fù)反饋的工作原理克服元件材料 、 加工工藝等不利因素的影響 ， 使儀表具有較高的測量精度 (一般為 )、 工作穩(wěn)定可靠 、 線性好 、 不靈敏區(qū)小等一系列優(yōu)點 。 下面以 DDZ—Ⅲ 型電動力矩平衡壓力變送器為例加以介紹 。 DDZ—Ⅲ 型系列為直流 24V供電 ,輸出 4—20mA(DC),兩線制，本質(zhì)安全防爆。 通過推倒，可以得到輸出電流與被測壓力之間的關(guān)系： ?Kp tgI ?0 （ 3—20） 其中， K為轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，當(dāng)變送器的結(jié)構(gòu)及電磁特性確定后，K為一常數(shù)。 上式說明，當(dāng)矢量機構(gòu)的角度 θ確定后，變送器的輸出電流 I0與輸入壓力 p成對應(yīng)關(guān)系。 如圖所示，調(diào)節(jié)量程調(diào)整螺釘 5，可改變矢量機構(gòu)的夾角 θ，從而能連續(xù)改變兩杠桿間的傳動比，也就是能調(diào)整變送器的量程。通常、矢量角 θ可以在 4o一 15o之間調(diào)整， tgθ變化約 4倍，因而相應(yīng)的量程也可以改變 4倍，調(diào)節(jié)彈黃 12的張力，可起到調(diào)整零點的作用。 如果將以上壓力變送器的測壓彈性元件稍加改變，就可以用來連續(xù)測量差壓或絕村壓力，其工作原理基本上是一樣的。 5．電容式壓力變送器 20世紀(jì) 70午代初由美國最先投放市場的電容變送器，是一種開環(huán)檢測儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單、過載能力強、可靠性好、測量精度高、體積小、重量輕、使用方便等一系列優(yōu)點、目前已成為最受歡迎的壓力、差壓變達器，其輸出信號也是標(biāo)準(zhǔn)的 4—20mA(DC)電流信號。 電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進行測量的。 圖 3—14是電容式差壓變送器的原理圖，將左右對稱的不銹鋼底座的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片。 電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護測量膜片， 當(dāng)差壓過大并超過允許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。 與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動機構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應(yīng)提高，可達 。 四、智能型壓力變送器 智能型壓力或差壓變送器就是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。例如，用帶有溫度補償?shù)碾娙輦鞲衅髋c微處理器相結(jié)合，構(gòu)成精度為 送器，其量程范圍為 100： 1．時間常數(shù)在 0一 36s間可調(diào)，通過手持通信器，可對 1500m之內(nèi)的現(xiàn)場變送器進行工作參數(shù)的設(shè)定、量程調(diào)整以及向變送器加入信息數(shù)據(jù)。 智能型變送器的特點是可進行遠(yuǎn)程通信。利用手持通信器，可對現(xiàn)場變送器進行各種運行參數(shù)的選擇和標(biāo)定；其精確度高，使用與維護方便。通過編制各種程序，使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能。因而提高了變送器的精確度。簡化了調(diào)整、校準(zhǔn)與維護過程。促使變送器與計算機、控制系統(tǒng)直接對話。 五、壓力計的選用及安裝 1. 壓力計的選用 (1)儀表類型的選用 儀表類型的選用必須滿足工藝生產(chǎn)的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳、自動記錄或報警；被測介質(zhì)的物理化學(xué)性能 (諸如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是否對測量儀表提出特殊要求；現(xiàn)場環(huán)境條件 (諸如高溫、電磁場、振動及現(xiàn)場安裝條件等 )對儀表類型有否特殊要求等等。 (