压⼒变送器的原理
压⼒变送器的原理
⼒变送器是⼯业实践中最为常⽤的⼀种传感器，其⼴泛应⽤于各种⼯业⾃控环境，涉及⽔利⽔电、铁路交通、智能建筑、⽣产⾃控、航空航天、军⼯、⽯化、油井、电⼒、船舶、机床、管道等众多⾏业，下⾯就简单介绍⼀些常⽤压⼒变送器的原理及其应⽤
1、应变⽚压⼒变送器原理与应⽤
⼒学传感器的种类繁多，如电阻应变⽚压⼒变送器、半导体应变⽚压⼒变送器、压阻式压⼒变送器、电感式压⼒变送器、电容式压⼒变送器、谐振式压⼒变送器及电容式加速度传感器等。但应⽤最为⼴泛的是压阻式压⼒变送器，它具有极低的价格和较⾼的精度以及较好的线性特性。下⾯我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式压⼒变送器时，我们⾸先认识⼀下电阻应变⽚这种元件。电阻应变⽚是⼀种将被测件上的应变变化转换成为⼀种电信号的敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部分之⼀。电阻应变⽚应⽤最多的是⾦属电阻应变⽚和半导体应变⽚两种。⾦属电阻应变⽚⼜有丝状应变⽚和⾦属箔状应变⽚两种。通常是将应变⽚通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产⽣⼒学应变基体上，当基体受⼒发⽣应⼒变化时，
电阻应变⽚也⼀起产⽣形变，使应变⽚的阻值发⽣改变，从⽽使加在电阻上的电压发⽣变化。这种应变⽚在受⼒时产⽣的阻值变化通常较⼩，⼀般这种应变⽚都组成应变电桥，并通过后续的仪表放⼤器进⾏放⼤，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显⽰或执⾏机构。
⾦属电阻应变⽚的内部结构
如图1所⽰，是电阻应变⽚的结构⽰意图，它由基体材料、⾦属应变丝或应变箔、绝缘保护⽚和引出线等部分组成。根据不同的⽤途，电阻应变⽚的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太⼩，所需的驱动电流太⼤，同时应变⽚的发热致使本⾝的温度过⾼，不同的环境中使⽤，使应变⽚的阻值变化太⼤，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。⽽电阻太⼤，阻抗太⾼，抗外界的电磁⼲扰能⼒较差。⼀般均为⼏⼗欧⾄⼏⼗千欧左右。电阻应变⽚的⼯作原理
⾦属电阻应变⽚的⼯作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变⽽产⽣阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。⾦属导体的电阻值可⽤下式表⽰：
式中：ρ——⾦属导体的电阻率（Ω?cm2/m）
S——导体的截⾯积（cm2）
L——导体的长度（m）
我们以⾦属丝应变电阻为例，当⾦属丝受外⼒作⽤时，其长度和截⾯积都会发⽣变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发⽣改变，假如⾦属丝受外⼒作⽤⽽伸长时，其长度增加，⽽截⾯积减少，电阻值便会增⼤。当⾦属丝受外⼒作⽤⽽压缩时，长度减⼩⽽截⾯增加，电阻值则会减⼩。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变⾦属丝的应变情
2、陶瓷压⼒变送器原理及应⽤
抗腐蚀的压⼒变送器没有液体的传递，压⼒直接作⽤在陶瓷膜⽚的前表⾯，使膜⽚产⽣微⼩的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜⽚的背⾯，连接成⼀个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产⽣⼀个与压⼒成正⽐的⾼度线性、与激励电压也成正⽐的电压信号，标准的信号根据压⼒量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很⾼的温度稳定性和时间稳定性，传感器⾃带温度补偿0～70℃，并可以和绝⼤多数介质直接接触。
陶瓷是⼀种公认的⾼弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的⼯作温度范围⾼达-40～135℃，⽽且具有测量的⾼精度、⾼稳定性。电⽓绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。⾼特性，低价格的陶瓷传感器将是压⼒变送器的发展⽅向，在欧美国家有全⾯替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的⽤户使⽤陶瓷传感器替代扩散硅压⼒变送器。
3、扩散硅压⼒变送器原理及应⽤
⼯作原理
被测介质的压⼒直接作⽤于传感器的膜⽚上（不锈钢或陶瓷），使膜⽚产⽣与介质压⼒成正⽐的微位移，使传感器的电阻值发⽣变化，和⽤电⼦线路检测这⼀变化，并转换输出⼀个对应于这⼀压⼒的标准测量信号。
4、蓝宝⽯压⼒变送器原理与应⽤
利⽤应变电阻式⼯作原理，采⽤硅-蓝宝⽯作为半导体敏感元件，具有⽆与伦⽐的计量特性。
蓝宝⽯系由单晶体绝缘体元素组成，不会发⽣滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝⽯⽐硅要坚固，硬度更⾼，不怕形变；蓝宝⽯有着
⾮常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利⽤硅-蓝宝⽯制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在⾼温条件下，也有着很好的⼯作特性；蓝宝⽯的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝⽯半导体敏感元件，⽆p-n漂移，
因此，从根本上简化了制造⼯艺，提⾼了重复性，确保了⾼成品率。
⽤硅-蓝宝⽯半导体敏感元件制造的压⼒传感器和变送器，可在最恶劣的⼯作条件下正常⼯作，并且可靠性⾼、精度好、温度误差极⼩、性价⽐⾼。
表压压⼒传感器和压⼒变送器由双膜⽚构成：钛合⾦测量膜⽚和钛合⾦接收膜⽚。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝⽯薄⽚，被焊接在钛合⾦测量膜⽚上。被测压⼒传送到接收膜⽚上（接收膜⽚与测量膜⽚之间⽤拉杆坚固的连接在⼀起）。在压⼒的作⽤下，钛合⾦接收膜⽚产⽣形变，该形变被硅-蓝宝⽯敏感元件感知后，其电桥输出会发⽣变化，变化的幅度与被测压⼒成正⽐。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统⼀的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压⼒传感器和压⼒变送器中，蓝宝⽯薄⽚，与陶瓷基极玻璃焊料连接在⼀起，起到了弹性元件的作⽤，将被测压⼒转换为应变⽚形变，从⽽达到压⼒测量的⽬的。
5、压电压⼒传感器原理与应⽤
压电传感器中主要使⽤的压电材料包括有⽯英、酒⽯酸钾钠和磷酸⼆氢胺。其中⽯英（⼆氧化硅）是⼀种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在⼀定的温度范围之内，压电性质⼀直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个⾼温就是所谓的“居⾥点”）。由于随着应⼒的变化电场变化微⼩（也就说压电系数⽐较低），所以⽯英逐渐被其他的压电晶体所替代。⽽酒⽯酸钾钠具有很⼤的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度⽐较低的环境下才能够应⽤。磷酸⼆氢胺属
于⼈造晶体，能够承受⾼温和相当⾼的湿度，所以已经得到了⼴泛的应⽤。
现在压电效应也应⽤在多晶体上，⽐如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要⼯作原理，压电传感器不能⽤于静态测量，因为经过外⼒作⽤后的电荷，只有在回路具有⽆限⼤的输⼊阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应⼒。
压电传感器主要应⽤在加速度、压⼒和⼒等的测量中。压电式加速度传感器是⼀种常⽤的加速度计。它具有结构简单、体积⼩、重量轻、使⽤寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了⼴泛的应⽤，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以⽤来测量发动机内部燃烧压⼒的测
量与真空度的测量。也可以⽤于军事⼯业，例如⽤它来测量炮⼦弹在膛中击发的⼀瞬间的膛压的变化和炮⼝的冲击波压⼒。它既可以⽤来测量⼤的压⼒，也可以⽤来测量微⼩的压⼒。
压电式传感器也⼴泛应⽤在⽣物医学测量中，⽐如说⼼室导管式微⾳器就是由压电传感器制
成的，因为测量动态压⼒是如此普遍，所以压电传感器的应⽤就⾮常⼴泛。
热电偶技术标准
（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶
铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵⾦属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合⾦，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最⾼使⽤温度为1300℃，短期最⾼使⽤温度为1600℃。
S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最⾼，稳定性最好，测温温区宽，使⽤寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在⾼温下抗氧化性能好，适⽤于氧化性和惰性⽓氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使⽤温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可⽤于近似实现国际温标。
S型热电偶不⾜之处是热电势，热电势率较⼩，灵敏读低，⾼温下机械强度下降，对污染⾮常敏感，贵⾦属材料昂贵，因⽽⼀次性投资较⼤。
（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶
铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵⾦属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其
正极（RP）的名义化学成分为铂铑合⾦，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最⾼使⽤温度为1300℃，短期最⾼使⽤温度为1600℃。
R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最⾼，稳定性最好，测温温区宽，使⽤寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在⾼温下抗氧化性能好，适⽤于氧化性和惰性⽓氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国⼀直难于推⼴，除在进⼝设备上的测温有所应⽤外，国内测温很少采⽤。1967年⾄1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿⼤NRC三
⼤研究机构进⾏了⼀项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性⽐S型热电偶均好，我国⽬前尚未开展这⽅⾯的研究。
R型热电偶不⾜之处是热电势，热电势率较⼩，灵敏读低，⾼温下机械强度下降，对污染⾮常敏感，贵⾦属材料昂贵，因⽽⼀次性投资较⼤。
（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶
铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵⾦属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合⾦，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合⾦，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最⾼使⽤温度为1600℃，短期最⾼使⽤温度为1800℃。
B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最⾼，稳定性最好，测温温区宽，使⽤寿命长，测温上限⾼等优点。适⽤于氧化性和惰性⽓氛中，也可短期⽤于真空中，但不适⽤于还原性⽓氛或含有⾦属或⾮⾦属蒸⽓⽓氛中。B型热电偶⼀个明显的优点是不需⽤补偿导线进⾏补偿，因为在0~50℃范围内热电势⼩于3µV。
仪表⼩常识之五
性能特性performance characteristic
确定仪器仪表功能和能⼒的有关参数及其定量的表述。
参⽐性能特性reference performance characteristic
在参⽐⼯作条件下达到的性能特性。
范围range
由上、下限所限定的⼀个量的区间。
注："范围"通常加修饰语。例如：测量范围，标度范围。它可适⽤于被测量或⼯作条件等。
测量范围measuring range
按规定准（精）确度进⾏测量的被测量的范围。
测量范围下限值measuring range lower limit
按规定准（精）确度进⾏测量的被测量的最⼩值。
测量范围上限值measuring range higher limit
按规定准（精）确度进⾏测量的被测量的最⼤值。
量程span
范围上限值与下限值的代数差。例如：范围为-20℃⾄100℃时，量程为120℃。
标度scale
构成指⽰装置⼀部分的⼀组有序的标度标记以及所有有关的数字。
标度范围scale range
由标度始点值和终点值所限度的范围。
标度标记scale mark
指⽰装置上对应于⼀个或多个确定的被测量值的标度线或其它标记。
注：对于数字⽰值，数字本⾝等效于标度标记。
零[标度]标记zero scale mark
同义词：零标度线。
标度盘（板）上标有"零"数字的标度标记或标度线。
标度分格scale division
任何两个相邻标度标记之间的标度部分。
标度分格值value of scale division
⼜称格值。
标度中对应两相邻标度标记的被测量值之差。
标度分格间距scale spacing, length of a scale division
沿着表⽰标度长度的同⼀线段上所测得的任何两个相邻标度标记中⼼线之间的距离。
标度长度scale length
在给定的标度上，通过所有最短标记中点的线段在始末标度标记之间的长度。
注：此线段可以是实在的或假想的曲线或直线。
标度始点值minimum scale value
标度始点标记所对应的被测量值。
标度终点值maximum scale value
标度终点标记所对应的被测量值。
标度数字scale numbering
标在标度上的整组数字，它对应于标度标记所确定的被测量值，或只表⽰标度标记的数字顺序。
线性标度linear scale
标度中各分格间距与对应的分格值呈常数⽐例关系的标度。
注：标度分格间距为常数的线性标度称为规则标度。
⾮线性标度nonlinear scale
标度中各标度分格间距与对应的分格值呈⾮常数⽐例关系的标度。
注：某些⾮线性标度有专门的名称，例如对数标度、平⽅律标度。
抑零标度suppressed-zero scale
标度范围内不包含与被测量零值相对应的标度值的标度。例如：医⽤温度计的标度。
扩展标度expanded scale
标度范围内，不成⽐例的扩展部分占了⼤部分标度长度的标度
仪表基础知识
汽车漂移原理
1.常⽤标准节流装置（孔板）、（喷嘴）、（⽂丘利管）。
2.常⽤⾮标准节流装置有（双重孔板）、（圆缺孔板）、（1/4圆喷嘴）和（⽂丘利喷嘴）。
3.孔板常⽤取压⽅法有（⾓接取压）、（法兰取压），其它⽅法有（理论取压）、（径距取压）和（管接取压）。
4.标准孔板法兰取压法，上下游取压孔中⼼距孔板前后端⾯的间距均为（2
5.4±0.8）mm，也叫1英⼨法兰取压。
5.1151变送器的⼯作电源范围（12）VDC到（45）VDC，负载从（0）欧姆到（1650）欧姆。
6.1151DP4E变送器的测量范围是（0～6.2）到（0～3
7.4）Kpa。
7.1151差压变送器的最⼤正迁移量为（500％），最⼤负迁移量为（600％）。
8.管道内的流体速度，⼀般情况下，在（管道中⼼线）处的流速最⼤，在（管壁）处的流速等于零。
9.若（雷诺数）相同，流体的运动就是相似的。
10.当充满管道的流体流经节流装置时，流束将在（缩⼝）处发⽣（局部收缩），从⽽使（流速）增加，⽽（静压⼒）降低。
11.1151差压变送器采⽤可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜⽚发⽣位移，于是低压侧的电容量（增加），⾼压侧的电容量（减少）
12.1151差压变送器的最⼩调校量程使⽤时，则最⼤负荷迁移为量程的（600％），最⼤正迁移为（500％），如果在1151的最⼤调校量程使⽤时，则最⼤负迁移为（100％），正迁移为（0％）。
13.1151差压变送器的精度为（±0.2%）和（±0.25%）。注：⼤差压变送器为±0.25%
14.常⽤的流量单位、体积流量为（m3/h）、（t/h），质量流量为（kg/h）、（t/h），标准状态下⽓体体积流量为
（Nm3/h）。
15.⽤孔板流量计测量蒸汽流量，设计时，蒸汽的密度为4.0kg/m3，⽽实际⼯作时的密度为3kg/m3，则实际指⽰流量是设计流量的（0.866）倍。
16.⽤孔板流量计测量⽓氨流量，设计压⼒为0.2MPa（表压），温度为20℃，⽽实际压⼒为0.15MPa（表压），温度为30℃，则实际指⽰流量是设计流量的（0.897）倍。
17.节流孔板前的直管段⼀般要求（10）D，孔板后的直管段⼀般要求（5）D，为了正确测量，孔板前的直管段最好为（30～50）D，特别是孔板前有泵或调节阀时更是如此。
18.为了使孔板流量计的流量系数α趋向定值，流体的雷诺数应⼤于（界限雷诺数）。
19.在孔板加⼯的技术要求中，上游平⾯应和孔板中⼼线（垂直），不应有（可见伤痕），上游⾯和下游⾯应（平⾏），上游⼊⼝边缘应（锐利⽆⽑刺和伤痕）。
20.图中的取压位置，对于哪⼀种流体来说是正确的？（A ）
A. ⽓体
B. 液体
C. 蒸汽
D. ⾼粘度流体
E. 沉淀性流体
原理：测量⽓体时，为了使⽓体内的少量凝结液能顺利地流回⼯艺管道，⽽不流⼊测量管路和仪表内部，取压⼝应在管道的上半部，即图中1处。
测量液体时，为了让液体内析出的少量⽓体能顺利返回⼯艺管道，⽽不进⼊测量管路和仪表内部，取压⼝最好在与管道⽔平中⼼线以下成0～45度夹⾓内，如图中2处。
对于蒸汽介质，应保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时也防⽌⼯艺管道底部的固体介质进⼊测量管路和仪表内，取压⼝最好在管道⽔平中⼼线以上成0～45度夹⾓内，如图中3处。
21.灌隔离液的差压流量计，在开启和关闭平衡阀时，应注意些什么？什么道理？
答案：对于隔离液的差压流量计在启⽤前，即在打开孔板取压阀之前，必须先将平衡阀门切断，以防⽌隔离液冲⾛，在停⽤时，必须⾸先切断取压阀门，然后⽅可打开平衡阀门，使表处于平衡状态。当⼯艺管道中有流体流动时，在节流装置两边便有差压存在，对于灌隔离液的仪表，若是两个取压阀门都是打开的话，此种情况类似"U"型管中液体不能连通，正压端压不进，负压端抽不出，能保证"U"型管中的液体不会跑掉。所以灌隔离液的流量差压计，强调注意平衡阀门的相对位置，其道理也就在这⾥。
22.何谓差压变送器的静压误差？
答案：向差压变送器正、负压室同时输⼊相同压⼒时，变送器的输出零位会产⽣偏移，偏移值随着静压的增加⽽发⽣变化，这种由于静压⽽产⽣的误差，称为静压误差。
23.试述节流装置有哪⼏种取压⽅式？
答案：1.⾓接取压 2.法兰取压 3.理论取压 4.径距取压 5.管接取压。