第3章　压力测量仪表

3.1　压力的概念及单位

压力是工业生产中四大重要工艺参数之一，为了保证生产正常运行，往往需要进行压力测试和控制。此外，有些物理量如温度、流量、液位等也常采用测量压力的方法间接获得。压力测量仪表是用于测量气体或液体压力的仪表，又称压力表或压力计。

压力的大小常以绝对压力和表压力表示。绝对压力从绝对真空算起，而表压力是表示物体受到超出大气压力的压力。习惯上把低于大气压力的压力表示为负压或真空度。一般负压用表压力表示，而真空度用绝对压力表示。

压力的国际单位为帕斯卡（Pa），即每平方米的面积上垂直作用1牛顿的力（N/m2），简称“帕”，符号为“Pa”。该单位所表示的压力较小，工程上常用千帕（kPa）或兆帕（MPa），其关系为

1MPa=103kPa=106Pa

其他压力单位（非法定计量单位）包括工程大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。各种压力单位的换算见表1-3-1。

压力包括绝对压力、大气压力、表压力、真空度和差压。工程技术上压力仪表所测的多为表压。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。

测量压力的仪表按工作原理的不同可分为液柱式压力计、弹性压力表、负荷式压力计、压力传感器（包括变送器）及压力开关，见表1-3-2，本书主要介绍广泛应用的电测式压力仪表及压力开关。

3.2　应变式压力（差压）变送器

3.2.1　应变效应及压阻效应

图1-3-1为电阻应变片结构图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成压力敏感栅1，用黏合剂贴在绝缘的基片2上，敏感栅上覆盖保护片3。电阻丝较细（0.015～0.06mm），其两端焊有低阻镀锡粗铜丝引线4，便于与转换单元连接。

1—压力敏感栅；2—基片；3—保护片；4—引线

以一根圆截面的金属丝为例，设其直径为d，初始电阻为

式中，R为金属丝的初始电阻；ρ为金属丝的电阻率；l为金属丝的长度；S为金属丝的横截面积。

当金属丝受轴向压力的作用被拉伸时，设长度变化Δl，电阻率变化Δρ，直径变化Δd，则金属丝电阻的相对变化量为

式中，μ为金属丝的泊松比，又称径向应变，；ε为轴向应变，ε=Δl/l。

式（1-3-2）表明，应变片电阻的相对变化取决于两个因素：①由尺寸变化引起的（1+2μ）ε称为应变效应，基于应变效应的应变片组成的压力传感器称为应变式压力传感器，如金属应变片；②由材料的电阻率发生变化引起的Δρ/ρ称为压阻效应，基于压阻效应的应变片组成的压力传感器称为压阻式压力传感器。

应变片使用环境可分为高温、低温、核辐射、高压及强磁场，不同的场合应选用相应的应变片。表1-3-3列出了几种电阻应变片的使用温度范围。常用的金属敏感材料为康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下的应变片多由康铜制成，国产BPR-2压力传感器采用康铜应变片。应变片对温度变化敏感，应用时需要考虑相应温度补偿。

半导体应变片比金属应变片的灵敏度高50～100倍。体型半导体应变片将晶片按一定晶向切片、研磨，再切割成细条，粘贴于基片上。薄型半导体应变片是将半导体材料沉积在绝缘基片上或蓝宝石基片上。扩散型半导体应变片及外延型半导体应变片的基片一般采用硅基片或蓝宝石基片，常用于压阻式压力传感器中。半导体应变片的灵敏度一致性较差、温漂大、非线性严重。

表1-3-3列出了部分应变片的主要技术参数。其中PZ型为纸基丝式应变片，PJ型为胶基丝式应变片，BA、BB、BX型为箔式应变片，PBD为半导体应变片。

3.2.2　电阻应变片压力传感器的结构

（1）应变片压力传感器

应变片压力传感器以应变效应为主，采用的是金属应变片。通常粘贴在弹性变形体上，对形变敏感。常见的变形体有筒式、膜片式、振梁式、杆式、双铰链式和剪切杆式等。

筒式压力传感器如图1-3-2所示。

通常在薄壁筒圆周方向上贴有两只应变片作为工作片，使其感受筒表面的切应变（拉伸应变）；另两只贴在筒的实心部分，不发生应变，只作温度补偿用。4只应变片组成测量电桥，当被测压力为零时，测量电桥平衡，当压力作用于筒壁内腔时，失去平衡的电桥将产生电信号输出。

图1-3-3所示的弹性元件是平膜式，被测压力直接作用于膜片下方，应变片贴在膜片的上方。膜片受压向上凸起变形后，靠近边缘部分径向应变较大，为压缩应变；而切向应变较小，中心部分径向和切向应变均较大，且为拉伸应变。

根据应变分布情况，粘贴4只应变片，其中，2只贴在中心部位，沿切向粘贴；另2只在靠边缘部位，沿径向粘贴。4只应变片中，2只为拉伸应变，电阻增加；另2只为压缩应变，电阻减小。4只应变片组成全桥差动结构，具有最高的灵敏度和最小的非线性误差。

振梁式压力传感器如图1-3-4所示。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件受压后，推动推杆使悬梁变形。电阻应变片粘贴在梁的根部受压应变。因为悬梁具有较大的刚性，这种组合式传感器稳定性较好，滞后较小，通常用于微小压力测量。

（2）压阻式压力传感器结构

压阻式传感器的弹性膜片为单晶硅膜片。在膜片上扩散4只应变电阻，组成一个全桥测量电路，如图1-3-5所示。压阻式压力传感器的特点是体积小、结构简单、灵敏系数大，单晶硅膜片既是弹性元件又是压敏元件，易于批量生产。有的压阻式传感器甚至将温度补偿电路、电源变换电路、放大电路集成在同一硅膜片上，既提高传感器的静态特性和稳定性，又实现传感器的微型化、集成化和智能化，成为目前广泛应用的压力传感器。压阻式压力传感器又称固态压力感测器。

压阻式压力传感器由外壳、硅杯和引线组成，如图1-3-5所示。

1—高压引压口p1；2—低压引压口p2；3—硅杯；4—单晶硅膜片；5—扩散型应变片（电阻）；6—扩散电阻引线；7—电极及引线；8—玻璃黏结剂；9—玻璃基板；10—端子

压阻式压力传感器的核心部分是一块方形的硅膜片，如图1-3-5（b）所示。在硅膜片上，利用集成电路工艺扩散4个阻值相等的电阻。图中虚线圆内为承受压力区域，靠近虚线圆心的2个电阻受拉应力，其阻值随应力增大而加大；靠近虚线边缘的2个电阻受压应力，其阻值随应力增大而减小。即R2、R4所感受的是正应变（拉应变），R1、R3所感受的是负应变（压应变）。4个电阻之间用面积较大、阻值较小的扩散电阻引线连接，构成全桥。硅片的表面用SiO2薄膜加以保护，并用铝质导线作为电桥的引线。因为硅膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用），所以又称为硅杯，如图1-3-5（c）所示。将硅杯和玻璃基板在高温下用玻璃黏结剂粘贴在一起，并紧密地安装在壳体中，便制成了压阻式（也叫扩散硅式或固体器件式）压力传感器。

当硅杯两侧存在压力差（p1≠p2）时，硅膜片产生变形，4个应变电阻在应力的作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡。输出的电压Uo与膜片两侧的压差Δp成正比，即

Uo=K（p1-p2）=KΔp （1-3-3）

当p2引压口敞开时，输出电压对应于“表压”，即

Uo=K（p1-p2）=K（p1-p0）=Kp表 （1-3-4）

式中，p0为大气压。

当p2引压口处于绝缘真空时，输出电压对应于“绝对压力”，即

Uo=K（p1-p2）=K（p1-p0）=Kp绝 （1-3-5）

扩散硅的制造容易受到各种因素的影响，对温度和静压的变化非常敏感，并且是非线性关系，从而造成传感器的特性具有较大离散性，同一批号中的传感器特性存在较大的差异。变送器内的微处理器可以对扩散硅传感器的离散性和非线性进行补偿，从而开发了扩散硅传感器在HART仪表和现场总线仪表中的应用。目前厂商提供的压阻式压力传感器的种类较多，外壳材料有尼龙、陶瓷、不锈钢等；封装结构有双列直插、表面安装、印制电路板及隔离膜等；压力接口有导管及螺纹连接。

用于腐蚀性介质压力测量的压阻式压力传感器多采用隔离式结构，如图1-3-6所示。压力通过密室两边由不锈钢等材料制作的隔离膜片，经隔离液传送到被放置于密室中的单晶硅膜片，使单晶硅膜片上的扩散电阻阻值发生变化。既解决了耐腐蚀的问题，又提高了传感器引线的抗冲击和振动性能，易于实现过载保护。

1—隔离膜片；2—隔离液；3—硅杯；4—转换电路

3.2.3　智能型压力变送器

20世纪80年代初，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司率先推出了ST3000系列智能压力变送器。图1-3-7所示为智能变送器与通信器外形图。

智能式变送器的核心是微处理器，利用微处理器的运算和存储能力，可对传感器的测量数据进行计算、存储及数据处理，包括对测量信号的调整（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等；还可通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件、硬件功能，因而可以完成传统变送器难以完成的工作。智能变送器降低了传感器的制造难度，极大地提高了传感器的性能。

ST3000系列智能变送器具有优良的性能及稳定性。可测量气体、液体和蒸汽的流量、压力和液位。对于被测量的差压输出4～20mA模拟信号和数字信号。

ST3000系列变送器由检测部件和电子转换部件两部分组成。其检测部件为高性能扩散硅传感器，被测过程压力或差压作用在隔离膜片上，通过密封液传到膜盒内的传感器硅片上，使其应力发生变化，因而其电阻值跟随变化。通过电桥产生与压力成正比的电压信号，再经A/D转换器转换成数字信号后送入电子转换部件的微处理器。传感器的芯片上，设置两个辅助传感元件：一个是温度传感元件，用于检测表体温度；另一个是压力传感元件，用于检测过程静压。温度和静压的模拟值同时被转换成数字信号，并送至转换部件中的微处理器。微处理器对上述信号进行转换和补偿运算后，输出相应的4～20mA模拟量信号或数字量信号。

存储器还存储所有的组态，包括设定变送器的工作参数、测量范围、线性或开方输出、阻尼时间、工程单位选择等，可向变送器输入信息数据以便对变送器进行识别与物理描述。存储器为非易失性的，即使断电，所存储的数据仍能保存完好，以随时实现智能通信。

ST3000采用DE和HART通信协议，可以与手持终端或对应过程控制系统在控制室、变送器现场或在同一控制回路的任何地方进行双向通信，具有自诊断、远程设定零点和量程等功能。

ST3000的手持通信器带有键盘和液晶显示器，可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

手持通信器可以进行组态、变更测量范围、校准变送器及自诊断。

3.3　电容式压力（差压）变送器

3.3.1　结构和特点

电容式压力变送器为微位移式变送器。变送器唯一可动部件是测量膜片，利用测量膜片的微位移产生电容变化量，经测量电路转换为统一的标准信号。测量准确度可达0.2％，可靠性高，使用维护方便，并可小型化。目前，国内已从美国Rosemount公司引进1151系列电容式压力变送器，包括压力、差压、绝对压力、带开方器的差压（用于流量测量）等品种以及高差压、微差压、高静压等各种规格的产品。下面以1151系列电容式压力变送器为例进行介绍。

（1）结构形式

电容式压力变送器由测量部分和转换部分组成。测量部分按照充液室的数量可分为“一室”和“二室”两种结构形式。转换部分采用组件化、插件化、固态化测量电路。

①一室结构　一室结构如图1-3-8所示。

1，2—隔离膜片；3—可动电极；4—中心轴；5—测量膜片；6—绝缘体；7，8—固定电极；9—节流孔

一室结构中的两侧隔离膜片1、2和中心的测量膜片5是用中心轴4机械地连在一起的，测量膜片周边固定在机体上，其上焊有可动电极3。在可动电极两侧绝缘体6上蒸镀金属层而构成固定电极7、8，从而组成平行板式差动电容CL、CH。

测量部件内充满硅油，以传递工作压力，在高压和低压腔室之间有通道相通，并设置节流孔9，调整节流孔径可以产生阻尼效应，反应时间常数可达15s。被测介质压力引入后，隔离膜片受压力作用，使中心轴受力产生位移，因而使测量膜片产生挠曲变形，动极板随之移动，动极板与固定电极的间隙发生变化，即电容CL、CH的电容值发生差动变化，差动变化经电子转换电路转换，输出与被测压力（差压）成正比的4～20mA标准直流电流信号。

隔离膜片的过压保护是“全型面”的，即过压时隔离膜片全部紧贴本体，安全可靠。此外，隔离膜片上设有温度补偿片，可以吸收由温度变化引起的充液体积的变化，以保证良好的温度稳定性。

②二室结构　图1-3-9所示为二室结构。这种结构没有中心轴，由测量可动电极3分隔成完全相同的、对称的二室。玻璃与金属杯体烧结后，磨出球形凹面，然后在玻璃表面蒸镀一层金属膜，构成了球面固定电极4、5，测量膜片焊在两个固定极板之间成为可动电极。固定极板外侧焊有隔离膜片1、2，在二室空腔内充满硅油。当被测压力（或差压）作用于隔离膜片上时，测量膜片发生挠曲变形，作为测量膜片的电容活动极板和其两边的球面固定电极相对位置发生变化，引起电容CL、CH发生变化，经电子线路变换为与被测压力（或差压）成正比的4～20mA标准直流电流信号。当发生过压时，测量膜片与球面固定电极相贴合，从而得到过压保护，固定电极表面涂一层绝缘漆。隔离膜片的过压保护同样是“全型面”的。

1，2—隔离膜片；3—可动电极（测量膜片）；4，5—球面固定电极；6—绝缘体

（2）特点

①灵敏度高。电容式压力变送器利用变电容原理，只需输入很小的能量，使可动电容极板的位置发生变化，因此可以制造出测量微压的变送器。

②电容量的相对变化量大。电容量的相对变化量ΔC/C可达到30％～50％，可获得较大的输出信号，这对减小外部干扰的影响，保持长期工作的稳定性，实现大的量程比十分有利。

③环境适应性强。电容式变送器结构简单，不使用有机材料和磁性材料；电容极板材质变化不影响工作特性；电容极板间介质的介电常数的温度系数很小，所以可承受高温工作条件，可适应有辐射热的环境。由于电容可动极板的质量很小，因此其固有频率高，耐冲击和抗振能力强。

④工作稳定性优良。由于电容式变送器具有电容相对变化量大，结构简单等特点，所以设计和制造时只要保证几何尺寸不变，材料选择只需考虑材料的力学性能，便可获得优良的长期工作稳定性，特性漂移小。此外，还具有动态响应快、自热效应小和内摩擦很小等优点。结构上，这种变送器很容易实现过压保护，而且保护可靠。

⑤分布电容的影响。分布（杂散）电容的存在会造成灵敏度下降，非线性增大。解决该问题的办法是选择低介电常数的绝缘体，使极板和本体之间的杂散电容很小，并在测量电路中设置线性调整单元，以及使用接插件消除连接电缆电容的影响等。

⑥测量膜片工作特性的非线性。电容式变送器用于测量低压力时，由于受测量膜片厚度的限制，存在着工作特性非线性。可采用张紧工艺使膜片具有初始预紧张力，使膜片的刚度获得较大的增加，感受的压力与位移呈线性关系，而且滞后小，耐振动和耐冲击的能力得到了提高。

3.3.2　1151AP型绝压变送器

图1-3-10为1151AP型绝压变送器的测量电路原理。差动电容被置于充满隔离液的密封容器中，工作时，高、低压侧的隔离膜片和隔离液将介质压力传递给传感器中心的传感膜片（可动极板）上。传感膜片是一种张紧的弹性元件，其位移随所受差压而变化。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量Δd为0.10mm，且位移量与压力成正比。两侧的固定电容极板与传感膜片构成双电容差动结构。差动电容经测量变换电路转换为相应的电流、电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。

智能型变送器的线路板模块采用专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）和表面封装技术。线路板模块接收来自传感器膜头的数字信号和修正系数后，对信号进行修正和线性化。线路板模块的输出部分将数字信号转换成模拟信号输出，并与HART手操器通信。液晶表头插入线路板，可显示以压力工程单位或百分比为单位的数字输出。液晶表头适用于标准变送器和低功耗变送器。组态数据存储在变送器线路板上的永久性EEPROM存储器中，变送器断电数据仍能保存，因此变送器通电即可工作。

智能型变送器将过程变量以数字数据方式存储，可进行精确修正和工程单位转换，然后经修正的数据被转换成模拟输出信号。HART手操器可直接存取传感器的数字信号，而不需数/模转换，从而达到更高精度。1151型智能压力变送器采用HART协议通信，该协议采用工业Bell202频移键控（FSK）技术，将一个高频信号叠加在电流输出信号上实现远程通信。该技术可以同时通信和输出，而不影响回路一致性。

手操器HART协议使用户很容易对1151型智能压力变送器进行组态、测试和具体设置。组态包括：①对变送器可操作参数的设置，包括设置零点和量程、设置点线性或平方根输出、工程单位选择等；②可存入变送器的信息性数据，以识别变送器和对变送器进行物理描述。这些数据包括：工位号（8个字母数字字符）、描述符（16个字母数字字符）、信息（32个字母数字字符）、日期等。除了以上可组态参数外，1151型智能压力变送器的软件中还包含可修改信息如变送器类型、传感器极限、最小量程、隔离液、隔离膜片材料、膜头系列号和变送器软件版本号。

1151型智能压力变送器可进行连续自检。如发现问题，变送器则激活用户可选的模拟输出报警。用HART手操器可以查询变送器以确定问题所在。变送器向手操器输出特定信息，以便识别故障，实现快速检修。如果操作者确信是回路故障，变送器可根据要求提供特定输出，供回路测试使用。

该系列变送器采用小型化设计，具有精度高、体积小、重量轻、坚固耐振、长期稳定性好、防爆、启动时间短的特点，可用于储气系统、精馏塔、流体输送设备和传热设备中的压力测量。为保证测量精度，变送器应定期校正。

3.3.3　3051智能变送器

爱默生-罗斯蒙特公司的3051C差压变送器是一种智能型二线制变送仪表，它将输入差压（或压力）信号转换成4～20mA的直流电流和数字通信（HART）信号。

（1）3051C的结构特点

3051C智能变送器是在1151S智能变送器的基础上开发的，而1151S智能变送器是在1151模拟变送器的基础上开发的。1151S的膜盒和1151模拟变送器相同，均为电容式（或称δ室，表示微位移）传感器，但其电子部件不同。1151模拟变送器采用的是模拟电子线路，输出的是4～20mA模拟信号；而1151S智能变送器采用的是以微处理器为核心部件的专用集成电路，整个变送器的电子部件由一块板组成，既可以输出4～20mA模拟信号，又能在4～20mA上叠加数字信号，还可和手持终端或其他支持HART通信协议的设备进行数字通信，实现远程设定零点和量程。

1151S智能变送器的技术性能优于1151模拟变送器，基本精度为±0.1％，最大测量范围为模拟变送器的2倍，量程比为15:1，并且稳定性、温度特性等优于1151模拟变送器。

将1151S电容室移到电子罩的颈部后，成为3051C变送器结构，使电容室远离过程法兰和被测介质，当被测介质温度发生变化时，电容传热影响减弱，仪表的温度性能和抗干扰性能提高。

（2）传感器组件

3051C变送器有电容式和压电式两种传感器类型。电容式传感器适用于测量差压和表压，常用于表压、流量和液位测量。压电式传感器适用于测量绝压，常用于真空及液位测量。

①电容式传感器。电容式传感器将差压变化转换为电容的变化。3051C变送器选用高精度电容式传感器，其工作原理参见1151模拟变送器传感器部分。

电容式传感器如图1-3-11所示。

①—全焊接的密封设计；②—316L不锈钢外壳；③—采用土星检测技术；④—共平面的过程隔离法兰；⑤—多总线输出信号；⑥—采用专用集成电路ASIC技术；⑦—单一电路板

传感器组件中的电容室采用激光焊封。机械部件和电子组件同外界隔离，既消除了静压的影响，也保证了电子线路的绝缘性能，同时检测温度值，以补偿热效应，提高测量精度。电容式压力传感器具有测量精度高、测量重复性好、动态响应快、对温度静压敏感度小等优点。

②膜盒。3051C变送器的膜盒部件和传统的膜盒部件不同，其体积缩小，重量减轻，整机的性能有很大提高，基本精度为±0.075％～±0.1％，量程比为100:1，其他性能，如静压、温度、单向特性，均有较大改善。

膜盒制造过程中，需经温度和压力等特性试验。虽然膜盒是批量生产的，但不同的膜盒特性仍有差异，需要不同的校正系数。3051C变送器的检测部件中，增加了传感器存储器，用以存放传感器的信息和校正系数。转换时，微处理器可根据这些信息和校正系数，对传感器进行线性修正，不但提高了仪表精度，而且还增加了零部件之间的互换性。此外，3050C变送器的检测部件中，还增加了测温传感器，用以修正环境温度变化而引起的热干扰。

③原理框图。图1-3-12所示为3051C变送器的原理框图，该变送器选用电容传感器。3051C变送器由传感器组件和电子组件两部分组成。3051C变送器的工作原理是基于被测差压通过隔离膜片和填充液作用于电容中心的感压膜片，使之产生微小位移，感压膜片和其两侧电容极板所构成的差动电容值随之改变，差动电容值与被测差压的大小成比例关系。电容传感器输出的信号经信号处理（A/D转换）和微机处理后得到与输入差压对应的4～20mA直流或数字信号，作为变送器的输出。

变送器的电子部件安装在一块电路板上，使用专用集成电路（ASIC）和表面封装技术。

3051C变送器由传感器和微处理器构成，充分利用了微处理器的运算和存储功能，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理或处理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。微处理器为智能式变送器的核心，不但可对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而可以完成传统变送器难以完成的任务。

3.4　差动电感压力（差压）变送器

3.4.1　K系列电感式变送器

（1）结构原理

电感式压力传感器具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在自动化控制系统中得到广泛的应用。其主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态压力测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围越宽，分辨率越低。电感式压力传感器的测量范围一般为0～100kPa，精度在0.2～1.5级之间。

英国肯特公司生产的K系列电感式压力传感器的检测元件如图1-3-13所示。差动电感由线圈及固定在膜片上的可动衔铁组成，被置于充满隔离液的密闭容器中。被测介质的压力作用于密闭容器两侧的隔离膜片，经隔离液传递到测量膜片上，从而带动固定在测量膜片上的衔铁产生位移，引起差动电感的变化。其测量电路采用脉冲宽度调制技术，经放大解调后输出4～20mA的标准信号，变换电路如图1-3-14所示。

1—外壳；2—测量膜片；3—隔离膜片；4—引压接口；5—铁芯线圈；6—隔离液；7—可动衔铁

1—检测元件；2—调制电路；3—变换电路

（2）技术参数

K系列电感式压力传感器的主要技术参数见表1-3-4。

3.4.2　PTSD电感式变送器

（1）结构原理

PTSD差压变送器使用一个电隔离的差动变压器为传感器，简称D传感器，如图1-3-15所示。

D传感器的原理示意图如图1-3-16所示。D传感器用两对半表壳将测量膜片夹住，并通过膜片边缘的焊接使膜片张紧并与中心对准，测量膜片中心的两侧各焊一个磁性铁芯。压力小于90kPa时，膜片有波纹；大于90kPa时膜片变平。具有此特点的膜片提供了较好的对称性、柔软性和静压下的准确性。

两个感应线圈在两对半表壳内的每一侧铁芯处，将两个隔离膜片边缘焊好后，与测量膜片之间形成两个充液容室，里面的填充液为硅油或氟油。隔离膜片的作用是使测量膜片与工作介质隔离，以防止测量膜片腐蚀和过载损坏，从外部保护传感器。传感器测量绝对压力时，作为参考一侧的测量容室应为密闭真空，加在隔离膜片上的压力（或差压）通过填充液传递到测量膜片上。差动变压器利用测量膜片受压力（或差压）作用后所产生的位移，改变铁芯与线圈之间的相对位置，使线圈的电感量发生改变，从而使压力（或差压）变化的信号转换成线圈电感量的变化。

（2）2600T系列变送器

PTSD和PTSP现已升级为ABB公司2600T系列变送器，如HART变送器264B/D/V/P型。ABB公司的2600T系列变送器可在恶劣或有害的环境中准确、可靠地测量差压、表压、绝压、流量和液位。2600T系列变送器的组成框图如图1-3-17所示。

2600T主要包含两个功能单元：主单元和辅助单元。2600T系列变送器与PSTD不同，电感传感器移到了膜盒的上部，远离测量介质，传感器受介质温度的影响减小。同时检测器内部装有温度传感器，根据传感器检测到的温度，变送器中的微处理器可随时修正温度变化所造成的影响，所以变送器的温度特性好。

2600T系列变送器除了模拟加HART数字通信产品外，还有PROFIBUS和FF现场总线通信等产品；2600T系列不但采用了电感式传感器，而且采用了电容式传感器和压阻式传感器；2600T系列变送器可用下列工具进行组态：就地按钮和高精度压力源；就地按钮和LCD指示器；手持终端。

3.5　振弦式压力（差压）变送器

由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此具有抗干扰能力强、零点漂移及温度影响小、性能稳定可靠、耐振动、寿命长等特点。

①振弦传感器有着独特的机械结构形式并以振弦频率的变化量表征受力的大小，因此具有长期零点稳定的性能。

②由于振弦传感器直接以频率信号输出，因此，可方便地进行数据采集、传输、处理和存储，实现高精度的自动测试。

为此，振弦传感器得到了迅速的发展和应用。德国的MAIHAK、法国的TELEMAL、美国的SINCO和FOXBORO、英国的SCHLUBERGER等多家公司，均生产振弦变送器的系列产品。

3.5.1　振弦式压力变送器的结构原理

振弦式压力传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，钢弦的固有振动频率与其张力有关。对于一给定长度的钢弦，在被测压力的作用下，钢弦松紧程度变化，固有的振动频率随之改变。即振弦的振动频率反映了被测压力的大小。

振弦式压力传感器的工作原理如图1-3-18所示。由振弦、磁铁、夹紧装置组成。夹紧装置7将振弦1张紧，被测压力p通过感压膜片3作用于振弦，振弦感受张力不同，其振动频率为

1—振弦；2—夹块；3—感压膜片；4—永久磁铁；5—线圈；6—软铁块；7—紧固螺钉

式中，l为弦的长度；T为弦受到的张力，与被测压力p有关；ρ为弦的线密度，即单位长度的质量。

3.5.2　820系列压力（差压）变送器

振弦式压力传感器结构简单，性能稳定可靠，测量范围在0～42MPa之间，精度等级为0.02～0.5。

典型的振弦式压力传感器，如美国FOXBORO生产的820系列压力变送器，包括821GM、821GH型压力变送器和823DP型差压变送器，具有结构紧凑、易于安装和维护等特点。变送器罩壳为耐久的和耐磨的环氧树脂涂层，其环境和抗腐蚀防护等级为NEMA4X。内部由两个隔开的容室组成，即电子部件容室和现场端子容室，接线时无需打开电子部件容室。820与昂贵的表压力变送器相同，其传感器的参考侧与大气相通，设计成提供真正表压力的传感器。而其他真空的或密封的变送器，通常提供绝对压力，受大气压变化的影响严重。820系列压力变送器可承受1.5倍测量范围上限的过压力以及测量低至真空的压力。所有接触过程介质的部件，包括保护传感器的膜片，为AISI类型316L不锈钢（316Lss）。该变送器可用作腐蚀性液体或气体的压力测量。

823DP型差压变送器的传感元件结构如图1-3-19所示。振弦1由固定装置5固定在金属管2内，并置于永久磁铁3形成的磁场中振动，振弦的预张力由弹簧6提供，传感元件整体由高低压侧的隔离膜片11、12密封，避免与过程介质接触，可用于腐蚀性介质的压力测量。高低压侧传感器基座法兰10与隔离膜片之间由液体通道9连通，使振弦感受由差压产生的张力，改变其固有的振动频率。液体通道内充满硅油或氟油填充液。过载时，过载弹簧8变形，防止振弦承受过大的张力。

1—振弦；2—金属管；3—永久磁铁；4—绝缘垫片；5—固定装置；6—预张力弹簧；7—垫圈；8—过载弹簧；9—液体通道；10—基座法兰；11—高压侧隔离膜片；12—低压侧隔离膜片；13—本体；14—法兰垫圈；15—引线

820系列电流输出型压力变送器的测量电路如图1-3-20所示。振弦的振动频率经脉冲整形电路及两级f-U线性转换电路后送到输出放大器，经放大输出4～20mA或10～50mA标准直流电流信号。

3.6　硅谐振式压力（差压）变送器

3.6.1　单晶硅谐振式传感器

传感器为变送器的核心部件，目前，传感器的发展趋势是从常规结构转向以微机械加工为基础的微型结构。微结构传感器主要是以单晶硅为材料，具有体积小、功耗低、响应快、便于与信号处理单元集成的特点，因此发展十分迅速。横河公司的EJA变送器所采用的单晶硅谐振式传感器即为微型传感元件，在单晶硅芯片（4mm×4mm）上采用微电子机械技术加工成形状大小完全一样的两个H形谐振梁（120μm×20μm×5μm），一个在硅片的中心位置，另一个在硅片的边缘，见图1-3-21。

1—检测电极；2—中心谐振梁；3—边缘谐振梁；4—激励电极；5—硅片

硅梁振动信号的激励与拾取，采用电磁激励和电磁拾取的方式实现，硅谐振器的自激振荡如图1-3-22所示。硅梁被封在微型真空中，使其既不与充灌液接触，又使振动时不受空气阻力影响。硅膜片3与硅基底4的连接采用Si-Si键合工艺完成，采用Au-Si共熔后，再将硅基底4与引入压力部分的Ni-Fe合金5固连。

1—永久磁铁；2—谐振子；3—硅膜片；4—硅基底；5—引入压力部分；6—放大器；A—激振线圈；B—拾振线圈；N—磁场；i—激振电流

由永久磁铁1提供磁场N，通过激振线圈A的交变电流i激发H形硅梁振动。设交变电流i的前半周电流方向如图1-3-22所示方向（向下），永久磁铁1提供磁场N的方向也如图示方向（向右），根据左手定则，H形硅梁的受力方向为指向读者（由里向外并与书面垂直）；设交变电流i的后半周电流方向如图示反方向（向上），永久磁铁1提供磁场N的方向仍如图示方向（向右），根据左手定则，H形硅梁的受力方向为背向读者（由外向里并与书面垂直）。当H形硅梁振动时，H形硅梁又切割由永久磁铁1提供的磁力线N，从而在H形硅梁右侧梁感生交变电流（根据右手定则），该电流由拾振线圈B感应，并由B的二次绕组送入自动增益放大器6，一方面输出频率，另一方面将交流电流信号反馈给激振线圈A，形成正反馈的闭环自激系统，以维持谐振梁连续等幅振动。

谐振梁的振动频率，取决于梁的几何形状及张力，而张力随信号压力的变化而变化，所以几何尺寸确定以后，谐振梁的振动频率仅取决于信号压力。当被测压力通入膜片空腔，并在膜片的上、下表面形成差压时，膜片便产生变形，于是硅片中心处受到压缩力，边缘处受到拉伸力，两个谐振梁感受不同的应变作用，导致中心处的谐振梁因压缩而振荡频率fc下降，边缘处的谐振梁因拉伸而振荡频率增加，两谐振梁的频率差对应不同的差压信号，如图1-3-23所示。

3.6.2　结构原理

图1-3-24所示为EJA智能变送器工作原理框图，由单晶硅谐振式传感器和智能电路转换部件组成。单晶硅谐振式传感器上的两个H形振动梁分别将差压、压力信号转换为频率信号，并采用频率差分技术，将两频率差的数字信号直接输出到脉冲计数器计数，计数得到的两频率差值传送给微处理器进行数据处理。特性修正存储器的功能是储存单晶硅谐振式传感器在制造过程中的机械特性和物理特性，通过修正以满足传感器特性要求的一致性。

智能电路转换部分采用超大规模集成电路，并将放大器制成专用集成化小型电路ASIC，从而减少了零部件，提高了放大器自身的可靠性。

智能电路转换部分的功能如下：①将传感器传来的信号，经微处理器（CPU）处理和D/A电路转换成一个对应于设定测量范围的4～20mADC模拟信号输出；②内置存储器存放单晶硅谐振式传感器在制造过程中的机械特性和物理特性，包括环境温度特性、静压特性、传感器输入输出特性以及用户信息（位号、测量范围、阻尼时间常数、输出方式、工程单位等）。经CPU对其进行运算处理和补偿，可使变送器获得优良的温度特性、静压特性及输入输出特性；③通过输入/输出接口（I/O口）与外部设备（如手持通信器和DCS中带通信功能的I/O卡）以数字通信的方式传递数据。

EJA有两个通信协议，一个是横河公司的BRAIN协议，频率为2.4kHz；另一个是HART协议，频率是1.2kHz。两个协议不兼容，叠加在4～20mA模拟信号上，只能是BRAIN或HART数字信号中的一种。

3.6.3　性能特点

EJA传感器采用了两个谐振梁的差动结构，因而保证了变送器的优良性能，仪表受环境温度变化的影响和静压变化的影响微小。图1-3-25所示为环境温度变化时输入压力与频率的关系。正常温度（室温）时，谐振片的频率如图中实线所示，边侧谐振片的频率fr随着压力的增加而增加，中心谐振片的频率fc随着压力的增加而减少。当温度上升（高温）时，由于两个谐振梁的几何形状和尺寸完全一致，故在相同的温度下，频率的变化量完全一致，如图中虚线所示。由于传感器输出为频率之差，因此可以相互抵消，温度影响自动消除。

设仪表常温时的输出电流为ΔI（t0），则有

ΔI（t0）∝fr-fc （1-3-7）

仪表高温时的输出电流为ΔI（t），则有

ΔI（t）∝（fr-Δfr）-（fc-Δfc）=fr-fc-（Δfr-Δfc） （1-3-8）

因为Δfr=Δfc，所以

ΔI（t）∝fr-fc （1-3-9）

于是

ΔI（t）=ΔI（t0） （1-3-10）

同样，当静压改变时，边缘谐振梁减少的频率等于中心谐振梁减少的频率，而频率差值不变，输出不受影响。

至于单向过压影响，由于当压力增大到某一数值时，隔离膜片与本体完全接触在一起，此时，外部压力不管怎样增大，硅油的压力也不会增加。因此，硅谐振传感器受到一定的压力后，便不会再受到更大的压力，具有很好的保护作用。即使受到了一定力的作用，由于单晶硅材料的恢复性能好，可恢复到无误差状态。

3.7　压力开关

3.7.1　压力开关的结构原理

压力开关的功能是当被测压力达到设定值时输出开关信号，用于报警或控制。其压力检测元件常采用弹簧管、膜片、膜盒及波纹管等，开关元件有磁性开关、水银开关、微动开关、触头及电子开关，输出开关信号分常开式和常闭式两种。压力开关按工作原理可分为位移式和力平衡式两种，其结构如图1-3-26、图1-3-27所示，特点见表1-3-5。

1—膜片；2—硬芯；3，5—簧片；4—触头

1—波纹管；2—杠杆系统；3—微动开关；4—平衡弹簧；5—差动弹簧

3.7.2　常见压力开关及其技术参数

压力开关种类繁多，有普通型、微压型、差压型、真空型压力开关，还有耐压、防爆、耐腐型压力开关之分。可根据实际使用情况加以选择。压力开关的技术参数包括压力设定范围、设定精度、压力设定方式等。日本长野计器生产的机械式压力开关技术参数见表1-3-6，电子式压力开关见表1-3-7。

3.8　压力（差压）变送器安装与维护

3.8.1　安装

（1）信号压力的引入

变送器的输入信号压力一般有以下3种引入方法。

①通过直通终端接头　图1-3-28所示为直通终端接头结构图。接头体1上有外螺纹，拧到变送器的导压口，螺纹有各种规格，以适应不同型号变送器的需要。接管5和引压导管焊接，有多种规格，以配合不同直径和壁厚的引压导管。拆卸时，只需将外套螺母4拧下，便可使变送器和导压管分开。

1—接头体；2—垫圈；3—卡套；4—外套螺母；5—接管

②通过腰形法兰　腰形法兰也称椭圆法兰，用两螺钉固定在变送器的导压口上，法兰的一端和变送器相通，另一端有内螺纹接口，直通终端接头或引压导管即拧在此接口上。拆卸时，拧开腰形法兰的两个固定螺钉，或拧开直通终端接头的外套螺母，可使导压管和变送器分开。

③通过阀组相连　变送器阀组有三阀组、二阀组、五阀组三种。图1-3-29所示为3051S变送器的外形图。

图中，变送器输入压力的引入采用了三阀组。

a.三阀组。差压变送器和导压管的连接可通过三阀组。图1-3-30（a）所示为一体化三阀组的工作原理图，由两个引压阀1和一个平衡阀2组成。一体化三阀组比单独的三个阀结构紧凑，安装方便。

三阀组的入口A接直通终端接头，引压导管则焊在终端接头的接管上。出口B用4个螺钉加垫圈固定在变送器的引压导口。三阀组两出口B，即变送器两导压口之间的距离一般为54mm。

当三阀组高、低压阀关闭，平衡阀开启时，变送器高、低压测量室压力平衡，差压为0。当高、低压阀同时开启，平衡阀关闭时，两输出端压力分别为节流装置的高压和低压；当平衡阀开启，高低压阀中一个阀关，一个阀开，两输出端压力均为高压或低压。

有的三阀组上附设两个压力校验口D，正常工作时用堵头堵死。校验时，先将高低压阀和平衡阀切断，然后从测试口通入被校压力，便可在不拆卸其他接头的情况下校验变送器。

b.五阀组。五阀组是在三阀组的基础上又增加了两个排污阀3（放空），其工作原理如图1-3-30（b）所示。正常工作时，将两组排污阀和平衡阀关闭；仪表对零位时，将高、低压阀切断，打开平衡阀即可。有的五阀组上有两个压力校验口D，如要校验仪表，则只需打开测试口，通被校压力即可。因而检查、校验、排污、冲洗均可在这五阀组上进行，比较灵活，安装也简便得多。

c.二阀组。二阀组一般用于压力变送器，通过它将过程压力和变送器的导压口相连接，其工作原理示如图1-3-30（c）。其中A接工艺导管，B接压力变送器导压口，C用于排污或吹扫，D为校验口。

A—接过程压力；B—接变送器导压口；C—吹扫口（排污口）；D—接测试压力；1—引压阀；2—平衡阀；3—排污阀

两阀组有时可与差压变送器配套使用。

（2）正反向的转换

用差压变送器测量容器液位时，高压侧接容器下部的导压管，低压侧接容器上部的导压管，仪表输出便可按照习惯，液位上升，输出增加；液位下降，输出减少。同样，用差压变送器和节流装置配套测量流体流量时，正压导管接变送器高压侧，负压导管接变送器低压侧，变送器方可正常工作。

3.8.2　变送器的安装位置

（1）安装注意事项

变送器有模拟的、智能的和现场总线的，但它们的安装方式基本相同。流量、液位或压力测量的综合精确度取决于几个因素。可能影响变送器精确度的所有因素中，环境条件影响必须考虑。

智能变送器有一个内置的温度传感器用以补偿温度变化。出厂前，每个变送器均通过温度循环测试，并将其在不同温度下的特性曲线储存于变送器的存储器中。工作现场，该特点使变送器可将温度变化的影响减到最小。

变送器放置在免受环境温度剧烈变化的地方，从而将温度波动的影响减到最小。在炎热环境中，变送器安装时应尽可能地避免直接暴露在阳光下，必须避免将变送器安放在靠近高温管道或容器的地方。当过程流体具有高温时，取压口和变送器之间需采用较长的导压管。如果需要，则应考虑采用遮阳板或热屏蔽板保护变送器免受外部热源的影响。湿度对电子线路影响较大，相对湿度较高的区域，用于电子线路室外盖的密封圈必须正确地放置。外盖必须用手拧紧至完全关闭，尽量减少在现场取下盖板，因为每次打开盖板，电子线路便暴露在潮气中。电子电路板采用防潮涂层加以保护，但频繁地暴露在潮气中仍有可能影响保护层的作用。重要的是保持盖子密闭到位。每次取下盖子，螺纹将暴露并被锈蚀，因为这些部分无法用涂层保护。导线管进入变送器必须使用符合标准的密封方法。不用的连接口必须按上述规则密封。

变送器安装时应尽可能避免靠近泵、涡轮机或其他振动装备。

冬季应采取防冻措施，防止在测量容室内发生冰冻，导致变送器无法工作，甚至可能损坏膜盒。

当安装或存储液位变送器时，必须保护好膜片，以避免其表面被擦伤、压凹或穿孔。

若过程流体含有悬浮的固体，则需按一定的距离间隔安装阀门或带连杆的管接头，以便管道清扫。每根导压管连接到变送器之前，必须用蒸汽、压缩空气或用过程流体排泄的方法清扫管道内部（即吹扫）。

（2）安装位置

以孔板差压变送器为例，说明用其测量气体、液体和蒸汽时变送器和引压孔的安装位置，如图1-3-31所示。

①测量气体介质　变送器用于测量气体的差压或压力时，主要为了防止液体和灰尘进入导压管，使其静压头发生变化，造成测量误差增加，为此变送器应装在测压点的上方。如果不得不装在下方，则需在导压管路的最低点加装沉降器或沉降管，以便析出冷凝液和灰尘。如果测量腐蚀性气体，则应加装隔离器。

②测量液体介质　变送器用于测量液体的压力或差压时，为防止进入导管中的液体内混入气体并积储在导压管内，使其静压头发生变化，为此，变送器应装在与测压点水平的位置或下方。如果变送器不得不装在测压点的上方，则将导压管先从测压点向下一段距离后再向上，以形成U形管，让液体中的气体尽可能放出。导管的最上方应装集气器或放空阀。无论是上方还是下方，如果液体有沉淀物析出，为了不堵塞导管，均需装沉降器。如果被测液体有腐蚀性或黏性液体，则应装隔离器。

③测量蒸汽介质　变送器用于测量蒸汽时，蒸汽是以冷凝液的状态进入变送器测量室的。如果操作不慎，让蒸汽进入了变送器，则会损坏仪表的检测部件。为此，在靠近节流装置处的差压连接管路上，需装两个平衡器。平衡器内应是冷凝液体，并确保两平衡器内的液面相等。因为蒸汽是以液体的状态被测量的，所以变送器应装在下方；如果不得不装在上方，则需加装集气器或放空阀。

（3）电子室旋转

电子室可以旋转以便数字显示位于最好的观察位置。旋转时，先松开壳体旋转固定螺钉，见图1-3-32。

（4）电气接线

卸下电气连接盖，即能接触到接线端子。此盖子可用锁紧螺钉锁住，如图1-3-32所示。顺时针旋转锁紧螺钉，而后可松开盖子。

图1-3-33所示为穿线管安装示意图，表明了正确的穿线管安装，以避免水或其他物质渗入而可能导致的设备失效。

参考文献

［1］蒋爱平.《工业自动化仪表与系统手册》编辑委员会.工业自动化仪表与系统手册（上册）.北京：中国电力出版社，2008.

［2］王永红，钱静.化工检测与控制技术.南京：南京大学出版社，2007.

［3］杨庆柏.热工控制仪表.北京：中国电力出版社，2008.