第1页：第二章 压力测量及变送
- 本章内容
- 压力及其表示，弹簧管压力表结构原理，变送器工作原理、两线制与四线制、电容式和智能式差压变送器原理，变送器输出值计算，压力仪表选用、安装和校验。
- 第一节 概述
- 第二节 弹性式压力计
- 第三节 压力传感器与变送器
- 第四节 压力仪表选用、安装与校验
第2页：压力及其表示方法
- 压力（压强）
- P = F/A，标准单位 Pa、KPa、MPa；工程单位有巴、mmH₂O、mmHg、标准大气压、公斤力（kgf）
- 大气压：大气自重产生的压力
- 表压：以大气压作为基准
- 绝压：以绝对真空作为基准
- 真空度：低于大气压的压力
表压 = 绝对压力 − 大气压；真空度 = 大气压 − 绝对压力。
第3页：测压仪表分类
- 液柱式：P = ρgh，如 U 型管
- 弹性式：弹簧管、膜片、膜盒、波纹管
- 电气式：利用传感器将压力转换成电量（R、V、I、C）
- 活塞式：压力发生装置，用作校验仪器
第4页：弹性式压力计的弹性元件
弹性式压力计通过测量弹性元件受压后产生的弹性变形（位移）来测量压力。
第5页：弹簧管压力计结构与原理
工作原理：压力 → 弹簧管 → 拉杆 → 扇形齿轮 → 中心齿轮 → 指示。
- 弹簧管
- 中空扁平、椭圆形截面，一端固定一端自由，弧度约 270°，用铜、合金铜、钢等制成，感受压力并转换为位移
- 拉杆、扇形齿轮与中心齿轮
- 传递并两级放大，调整螺钉位置可调量程
- 游丝
- 克服齿轮间间隙，减少变差
- 指针及表盘
- 指示压力值
第6页：传感器与变送器概述
- 传感器
- 能将非电量被测参数按确定函数关系转换成电量的器件，有压阻式、应变式、电容式、电感式、振弦式等
- 变送器
- 由传感器 + 变换 + 输出电路组成，将被测参数成比例转换成标准统一信号并可远距离远传
- 就地指示式：弹簧管压力表
- 远传信号表：传感器、变送器
- 统一信号：4～20mA 直流恒流源信号，抗干扰能力强、衰减小
第7页：变送器分类
- 气动压力（差压）变送器：杠杆、喷嘴-挡板、气动放大器、反馈机构
- 电动压力（差压）变送器：P(ΔP) → M、X → C、L、R、V → 4～20mA
- 双杠杆差压变送器：双杠杆把差压转换为位移，再经差动变压器转换成 4～20mA
- 电容式差压变送器：差压转化为电容极板位移与电容量变化，经电容-电流转换与放大输出
- 压阻式压力变送器：压力转化为电阻，经测量桥路转成电压再输出 4～20mA
- 智能差压变送器：用微处理器实现温度与零点补偿、非线性校正、自动调零调量程、自诊断
第8页：变送器构成原理
构成原理为负反馈原理：Zi = K₁x，Zf = Kfy，ε = Zi − Zf，y = K₂ε。
- 转换部分：将被测参数转化为中间模拟量 Zi
- 反馈部分：将输出信号 Y 转换成反馈信号 Zf
- 放大部分：把 ε 放大并转换成标准输出信号 Y
若 K₁、Kf 为常数，变送器输出与输入呈良好线性关系。
第9页：变送器信号与连接方式
变送器采用统一信号传输，连接方式有四线制与两线制两种。
- 四线制：电源与输出信号分开，现场供电，接收仪表在控制室
- 两线制：两根导线同时承担供电与信号传输
具体接线关系见课件图示。
第10页：两线制变送器工作条件
两线制变送器正常工作需满足：
- 工作电流 I ≤ Iomin（4mA），一般 3mA 以下，需低功耗设计
- VT ≤ Emin − Iomax(RLmax + r)，VT 为变送器最小端电压（≤12V）
负载电阻增大时电源电压需相应增大：电容式差压变送器负载 0～600Ω 时配 24V 电源，0～1650Ω 时配 45V 电源。
第11页：两线制与四线制的比较
- 节省电缆和安装费用
- 只需用一根穿线管道
- 易燃易爆环境中只需配一只安全栅
两线制要求最小有效功率 P < Iomin(Emin − IominRLmax)，必须采用有活零点的电流信号，国际统一电流信号为 4～20mA DC。
第12页：电容式差压变送器结构
差动电容式敏感元件组成：
- 中心感压膜片：可动电极
- 正负压侧弧形电极：固定电极
- 隔离膜片、基座、硅油：感压与传递压力
- 电极引线：引出信号
感压膜片与两侧弧形电极形成电容 Ci1、Ci2，无差压输入时 Ci1 = Ci2 = 150～170pF。
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第14页：数字输出信号：HART协议
HART 协议基于 Bell202 标准的 FSK 频移键控信号，在低频 4～20mA 模拟信号上叠加幅度为 0.5mA 的音频数字信号进行双向数字通讯。
由于信号平均值为 0，不影响传送给控制系统的模拟信号大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
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第16页：变送器输出值的计算
变送器的统一信号：气动变送器为 0.02～0.1MPa，电动差压变送器为 4～20mA。
输出值计算通用式：I₀ = Imin + (x − xmin)/(xmax − xmin) × (Imax − Imin)，其中 x 为被测参数值（量纲应与量程一致），xmin、xmax 为测量范围上下限，Imin、Imax 为输出信号范围上下限。
第17页：变送器输出计算例题
例题：一台 DDZ-Ⅲ 差压变送器，测量范围 2.5～10MPa，所测压力为 5MPa 时输出是多少？
解：I₀ = (5 − 2.5)/(10 − 2.5) × (20 − 4) + 4 = 9.33mA
第18页：压力表选用
- 型号：根据测量介质、使用环境等因素选择
- 量程：压力平稳时 P量 = P测 × 1.5，波动大时 P量 = P测 × 2.0；测量值应大于量程的 1/3
- 量程靠级：0～1.0、1.6、2.5、4、6、10 × 10ⁿ MPa
- 精度：按允许误差计算引用误差，向高精度等级靠
第19页：压力表选型计算例题
例题：被测压力为较稳定的 0.8MPa，要求误差不大于 ±0.02MPa，求压力表的精度与量程。
- P量 = P测 × 1.5 = 1.2MPa，量程系列选 0～1.6MPa
- 校验下限：1.6/3 < 0.8MPa，选择合理
- q允 = ±0.02/1.6 × 100% = ±1.25%
- 精度等级取 1.0 级（向高精度靠，确保误差不超过 0.02MPa）
第20页：压力表安装
- 测管道静压应避开压力扰动处，保证引压管内为单相流体
- 开孔位置：压力稳定处，避开阀门、弯头等阻力件
- 取压方位：液体在管道下方 45° 区域取压，气体在管道上方
- 测高粘度、腐蚀性、易结晶介质时应加隔离罐并灌隔离液
- 测量蒸汽时压力表应位于生产设备之下
第21页：压力表校验
- 校验
- 被校仪表与标准仪表在相同条件下的比较过程。
标准表选用要求：其允许绝对误差不得超过被校表允许绝对误差的 1/3，量程应比被校表量程大一档。
第22页：压力表校验步骤
利用压力发生器产生压力，使被校表指示为一定值后读取标准表指示值。
- 在被校表量程范围内均匀取五个点，包括起始点和终点
- 起点不准可调指针
- 终点（满量程）不准可调整传动放大杠杆上螺钉的位置
- 一般要求测出上行、下行值，记录数据并进行误差计算得出结论
习题：P30 3、5
