2.4.2 测压仪表

测压仪表通常分为液体式压力计、弹性式压力表、活塞式压力计和电测式压力计。其中，弹性式压力表使用最为广泛；但随着科学技术的发展和自动测控系统的需要，现在越来越多地使用电测式压力计，即压力传感器或压力变送器[25]。这里重点介绍常用的测压仪表。

图2⁃14单圈弹簧管压力表结构

1—弹簧管 2—扇形轮 3—下夹板 4—拉杆 5—外壳 6—管接头 7—支持器 8—上夹板 9—指针

10—表盘 11—中心小齿轮

1.弹性式压力表

单圈弹簧管压力表的结构如图2⁃14所示。其动作原理是：当管接头6与被测压力管路相连接时，被测的工作介质就进入到弹簧管1内，使弹簧管自由端向右上方移动，从而带动拉杆4，使扇形轮2绕自己的轴心转动一定的角度，中心小齿轮11也随着转动。这样装在小齿轮轴上的指针9也同时转动一定的角度，按照指针在表盘上移动的位置，便可确定被测压力的大小。

标准压力表精度等级应不低于0.4级。试验时应使用标准压力表，使用范围应在压力表量程的1/3～2/3的范围之内。测量液力透平的规定点时，其指针应在量程的1/3以上。压力表的上限压力分别为1×10nMPa、1.6×10nMPa、2.5×10nMPa、4×10nMPa、6×10nMPa，其中n=-1，0，1，2，3，4等。

弹簧压力表由于温度变化引起的示值误差按下式计算

Δ≤（δ±0.04Δt） （2⁃14）式中δ——压力表精度级别的百分数；

Δt——使用温度与校核时温度之差。

当测量压力大于大气压力时，应排尽仪表与取压孔之间连接管内的空气并充满水之后再读仪表的示值。当测量压力小于大气压力时，弹簧真空压力计的连接管内允许充气，但应注意连接管内不得存水。

2.电容式压力变送器

电容式压力变送器是应用十分广泛的一种压力变送器，它包括压力、差压、绝对压力、带开方的压差（用于流量测量）等几个品种，以及高差压、微差压、高静压等规格。尤其是电容式差压变送器，采用差动电容作为检测元件，完全没有机械传动机构和机械调整装置，尺寸紧凑、抗振性好、准确度高，而且零点调整和量程调整互不影响，因此，得到越来越广泛的应用。

二室结构的电容式差压传感器如图2⁃15所示。图中金属膜6为电容左右两个定极板，测量膜片7为动极板，并将左右空间分隔成两个室。左右二室充满硅油，当左右二室承受高压pH和低压pL时，硅油的不可压缩性和流动性将压差Δp=pH-pL传递到测量膜片左右面上。当Δp=0时，左右两电容CH与CL相等，ΔC=CH-CL=0；当Δp≠0时，测量膜片7变形，即动极板向低压侧定极板靠近，同时远离高压侧定极板，从而使CL>CH。采用差动电容的好处是减少介电常数ε受温度影响引起的不稳定性，又可提高灵敏度，改善线性关系。

图2⁃15 二室结构的电容式差压传感器

1、4—波纹隔离膜片 2、3—不锈钢基座 5—玻璃层 6—金属膜 7—测量膜片

当Δp≠0时，两侧电容变化如图2⁃16所示。图中动极板变形至虚线所示位置时，它与动极板初始位置间的假想电容为CA，它与低压侧定极板间电容为CL，它与高压侧定极板间电容为CH。

由此得出

式中 C0——测量膜片在初始位置时

与定极板间电容。

对于有初始张力的测量膜片，在差压Δp=pH-pL作用下的挠度与差压成正比，由此可得

式中 K1——结构常数，它与定极板曲率半径、球面定极板在中央动极板初始平面上投影半径、测量膜片可动部分半径、定极板球面中央与测量极板距离、球面定极板边缘与测量极板距离及测量极板初始张力有关。

图2⁃16 有差压时两侧电容变化

a）电容变化 b）等效关系

3.压阻式传感器

压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，如将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线制成半导体应变片，称为“扩散硅应变片”。因N型硅基底即为弹性元件，并与扩散电阻结合在一起，无须粘贴，硅片边缘有一个很厚的环形，中间部分很薄，形如杯子，故称“硅杯”，这种扩散硅压阻元件结构如图2⁃17所示。通常硅杯1的尺寸十分小巧紧凑，直径约为1.8～10mm，膜厚为50～500μm。

由扩散硅传感器构成的差压变送器，其典型电路原理如图2⁃18所示。

图2⁃17 扩散硅压阻元件结构

1—硅杯 2—膜片 3—扩散电阻 4—内部引线 5—引线段 6—压力接管

在差压变送器中，硅杯上的应变电桥由1mA的恒流源供电，无差压时，R1=R2=R3=R4，左右桥臂支路上的电流相等，I1=I2=0.5mA。有差压时，R4减小，R2增大。因I2不变导致b点的电位升高。同时，R3增大、R1减小，引起a点电位下降。对角线ab间的电压输入到运算放大器A，放大后的输出电压经过晶体管VT转换成电流信号（3～19mA），此电流流过负反馈电阻Rf，导致b点电位下降，直至ab两点间的电压接近为零。恒流源保证电桥的总电流为1mA。

于是，变送器的总电流就是4～20mA，此输出电流可以反映差压大小。

图2⁃18 扩散硅差压变送器电路原理