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工业差压检测设备的原理及检测初探

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摘要: 文章通过引入压力 ( 压强) 的定义和分类，介绍了工业生产中差压设备的应用场景，并以差压变送器为例探讨工业差压设备的基本原理，进而分析了差压设备日常检测时值得注意及可能忽略的问题。

压力 ( 压强) 是垂直并均匀作用在单位面积。上的力。国际单位制中将 1 牛顿 ( N) 的力垂直均匀作用在 1 平方米 ( m2 ) 的面积上产生的压力定义为 1 帕斯卡 ( Pa) 。

在实际应用中，压力通常被分为 3 类: 表压、绝压和差压，如图 1 所示。表压是以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压力［1］。因此表压是总觉对压力与周围大气压力之间的差值或液体中某一点高出大气压力的那部分压力。绝压 ( 觉对压力) 是以完全真空作为参考点的压力［1］。也就是说，绝压测量的是被测压力和真空之间的差压。差压是任意两个相关压力之差。与表压或绝压测量不同，差压并没有固定的测量基准。因此，差压的增加可能是其中一个压力增加或另一个压力减小的结果。

1差压及其用途

如图1 (c)所示的差压，压力1(高压端)的增大或者压力2(低压端)的减小，都可能造成差压值的增加。因此，差压测量结果与低压端是否在真空或大气压下无关，它只与两测压端的压力差有关。

差压测量主要应用于工业生产和生活中。它通常是其他测量的基础:如流量、液位、密度、粘度甚至温度测量。这其中#常见的就是流量和液位的测量。

差压流量计是差压变送器#常见的应用之一。它通过测量流体流经管道时压力的差值来计算流量。其通常是由节流装置产生压差，通过差压变送器转换成相应的标准信号，以供显示、记录或控制用，如图2所示。这是目前#成熟及常用的流量测量方法之一。

图3为差压变送器的液位测量。在封闭水箱中，差压变送器的低压端连接水箱顶端，高压端连接水箱底部。此时差压变送器测得的差压值

PD=PH一PL=pgh。

2、差压变送器及其构造原理

差压变送器是工业测量中#常见和实用的一种测量差压的设备，此设备可将两端口间测得的压力差值转换输出为电信号。工业差压变送器由两个壳体组成:下部分壳体为压力传感器单元，上部分壳体为电器部分。差压变送器有两个压力端口，分别以“High”和“Low”标出。但使用时并不一定要求“High”端口总是连接高压端、"Low”端口总是连接低压端。

差压变送器有三个功能部件。

(1)压力传感器(处于下部壳体内)

多数的工业差压传感器是用膜片作为压力传感器单元。其位于两个压力端口之间，具有机械结构，会因为施加的压力而发生偏转，而后这种偏转会被转换为电信号，如图4所示。常见的传感器有:应变式、电容式、谐振式传感器。传感器的输出与施加的压力差成正比。

(2)电路单元

处于下部壳体内的传感器产生的电信号仅为毫伏水平，之后该信号被放大到0一5 V或0-10 V的范围，或被转换为4-20 mA信号以便继续传输到远程仪器。此电路单元放置于上壳体的转换器内。

(3) 2线制4一20 mA转换器

变送器输出的电信号与输入的差压值成正比。

对于2线制4一20 mA转换器，4 mA对应量程下限，20 mA对应量程上限。只要变送器的激励电源功聅hou愎唬庵质涑龇绞皆诖涫笨刹皇芨涸刈杩贡浠偷缪共ǘ挠跋欤币部梢杂隑RAIN或HART FSK协议的数字通讯叠加。

3、差压设备的检定校准以及静压下检测的

重要性

在计量检定或校准时，常以给高压端加压，低压端直接通大气的方式检测差压仪表。此时，差压仪表高压端的表压值即为差压压力仪表的差压标准值，我们称此为常压下的检测。这种检测方法在理论上没有问题，但在工业应用中，高压端与低压端往往同时存在一定的压力，也就是说低压端并不总是大气压，此时低压端的压力值为静压。检测时，同时给高压端和低压端加压，再计算两端压力的差值作为被测差压仪表的标准值，我们称其为静压下的检测。两种检测方法比较，后者的检测方式相对复杂，但显然更贴近实际的应用场景。

我们在检测中发现，很多在常压下检测时合格的差压仪表在静压下检测时误差会变大甚至超差，这种静压导致的差压仪表输出误差称为静压影响误差。很多原因可能导致差压仪表在静压下示值超差，除仪表在运输时的碰撞和介质温度影响外，可能的原因还有轴封膜片的中心或支点偏心、轴封膜片与主杠杆产生偏心或膜盒的左右膜片刚度发生变化等[’]。

即便是常压和静压下示值合格的差压仪表，其静压下的误差也往往大于常压下的误差。在大量的日常检定工作中，我们发现一些差压仪表在静压下的误差变化存在着一定的规律。如电容式差压变送器在高静压下，虽然差压零位的输出变化没有明显的规律，但随着差压值的增大，输出值会有偏小的趋势，且差压值越大，输出值偏小的趋势越明显。另外，在压差一定的情况下，静压越大，差压输出值偏小的趋势也更加明显。分析产生这种现象的原因，是在静压下高低压端口同时施加压力，电容式差压变送器的硅传感器膜片在水平方向的力相互抵消，此时竖直方向的张力便会增加，由于膜片中心部分相对较薄，相对应的张力更大，由差压产生的水平方向的位移趋势会偏小，输出电压因此相应偏小。另外，在静压下，由金属和玻璃构成的金属曲面座会产生微小的形变，厚度相应变小，致使两侧的电容极板的极距增大，由公式C=e xS/d (C为电容;。为介电常数;S为面积;d为极板间距)可知，电容将减小结果是输出电压变小，一司，如图5所示。