王昭輝（台電第三核能發電廠）
壹、前言
系統流程內的偵測元件與偵檢器都是電廠系統內重要的特殊設備，這些儀用設備裝置於系統流程中，以提供重要的監測參數或做為流程自動控制的回饋訊號，幫助系統的穩定控制。尤其當系統流程遭受暫態干擾時，它們更是倍極重要。為了確保核能發電廠安全及有效率的運轉，系統必須維持許多重要的水位、壓力、溫度、以及流量等參數於特定限值內，為了完成上述目標，偵測元件必須能夠準確且可靠地測量這些參數，這就是為什麼核能發電廠須使用如此多的流程偵檢儀器設備之原因。文旨在介紹各式各樣的偵檢器、它們的運作原理及使用的款式；同時也會討論偵檢器與流程控制櫃之間相關電路、以及它們傳遞訊號的方法並討論各種偵檢設備及訊號傳遞媒介的優劣點。這篇儀控基本技術文章所介紹內容如下：
- 敘述訊號傳遞的方式。
- 討論訊號傳遞方式的優劣點。
- 說明迴路電源供應（loop power supply）。
- 確認兩種最通用的溫度偵測方式。
- 確認任一種溫度偵測方式所使用的材質類型。
- 敘述電阻式溫度偵測器（RTD）的運作原理。
- 敘述熱電耦（thermocouple）的運作原理。
- 討論於核電廠內電阻式溫度偵測器及熱電耦的應用。
- 說明強迫平衡傳送器（force balance transmitter）的意思。
- 列出強迫平衡傳送器的優點。
- 敘述產生比例於流程參數之電氣訊號的方法。
- 確認使用強迫平衡運作原理的偵測器類型。
- 確認液位計的運作原理及影響液位計準確度之因素。
- 確認於流徑中不會限制流量的偵測器。
- 討論應變儀（strain gauge）的運作原理。
- 說明超音波流量儀器（leading edge flow meter）的優點。
貳、概論
一、偵測的機制（mechanism of detection）
偵測器是以精確及可信任的方式來測量流程的溫度、壓力、液位及流量等參數。各種參數的測量包括很多不同的偵測原理，以及在有些情況下，相同的變數使用不只一種測量方法。譬如溫度就有兩種不同的測量方式，分別適用於其特定的運用範圍。其中一種方法如電阻式溫度偵測器（Resistance Temperature Detector）利用電阻跟隨溫度改變的運作原理。另外一種方法就是應用由兩種不相同的金屬組合的熱電耦（Thermocouple）偵測器，當熱電耦接合點被加熱時，產生電動勢（Electromotive Force）的偵測原理。
在壓力測量方面是以巴登管（bourdon tube）及囊式（bellow type detector）為主要偵測器，藉以直接讀取，或由連接於偵測器的電氣感應器以方便在遠方讀取數據。
差壓式的壓力偵測器被廣泛地應用於一次（NSSS）及二次（BOP）系統，這種型式的偵測器能夠用於槽（tank）和容器（vessel）的液位測量，或流量偵測（如運用文氏管〔venturi〕的前後差壓），以及做為幫浦前後差壓指示等等。
除了前述之外，還有許多樣式的偵測儀器，有些至今已經使用很多年，同時有些已經發展到最後的階段，且剛被應用至商轉之電廠。本章節並未涵蓋全部的偵測儀器，因為要討論所有的偵測器是非常費時的，而且也不可能。但本人在文中已經盡可能收集並介紹應用於核電廠流程的偵測儀器型式。
二、訊號傳輸（Singal Transmission）
訊號傳輸是描述從遠方的偵測器透過儀器處理櫃傳遞資訊至最終動作裝置或儀表的一種術語。有兩種使用於流程儀器的訊號傳輸方式，它們是電流系統（current system），以4到20ma的電流相對於0%至100%流程變數的範圍；另一種是電壓系統（voltage system），以0到10V的電壓相對於0%至100%流程變數的範圍。這兩種傳輸方式各有其優劣點，端賴它們使用於何處。這些考量敘述如下：
(一) 電流系統（current system）
如前所提，利用訊號從4ma至20ma變化，代表流程變數0%到100%的範圍。電流系統有如下數個重要的特色：
1. 應用活零點（live zero）（譬如在0%是4ma的電流）。不同於任何正常的訊號，在這個系統，電源失效或迴路開啟會導致電流的喪失。但無論如何，在執行許多的計算前，必須先移除活零點（live zero）。
2. 電流訊號是一種強力訊號（strong signal）。從外部引發的干擾（例如雜訊，noise）或迴路電阻的改變都不會改變訊號的傳遞；不論電壓或電阻怎樣的變化，傳送器將調整迴路之電流。
3. 電流訊號系統是非接地的（ungrounded）。在大部分的場合，不須要提供一個參考接地（ground reference），且即使在迴路內任何點發生接地意外，電流訊號依然維持其輸出狀態。雖然故意接地有時候是有益的，但是在西屋的壓水式反應器（PWR）特別地避免於相關的安全保護流程類比電流迴路接地。
4. 轉變階段（conversion stage）是必須的。所有的儀器必須要有轉變階段，以改變內部的電壓訊號成為一個輸出的電流訊號，此將導致訊號額外的不準度。
5. 各式的儀器電流迴路於不同的相關電位做電流取樣。為確保訊號下游的觸診矯正不會形成「溜走路徑（sneak path）－有時候稱為接地迴路(ground loop），須避免多點不同相關電位集聚為共同電位點。透過溜走路徑，一點或多點訊號將直接或部分地短路。
(二) 電壓系統（voltage system）
使用0到10VDC電壓訊號代表流程變數0至100%。這款系統有下列特性：
1. 無活零點（No live zero）。這樣可簡化訊號的處理過程。
2. 各儀器不需要從電壓轉變為電流的階段。如此可以降低迴路的複雜性且能夠增進儀器的精確性。
3. 於電流迴路中，所有儀器寧願以併聯取代串聯方式連接至輸出端，如此即可避免不要的訊號溜走路徑（sneak path）。
4. 可以處理雙向（Bi-directional）的訊號（譬如，-10－0－＋10V）。當在處理微分（derivative）或越前/落後（lead/lag）的功能時，這是特別重要的。
5. 一個電壓訊號多多少少會受到電纜線電阻的影響。適當的注意於訊號的負荷，能夠將此種問題降至最低，譬如縮短迴路距離，迴路長度最好少於200呎或更少，實際上這並沒有較具權威性的經驗值。基於上述的考量，電流系統訊號傳遞是被應用於遠方偵測器與處理櫃（process cabinet）及最終動作器（final actuator），以及現場儀表之間。電壓系統是使用於處理櫃之內與傳遞至控制盤，以及電腦的短路徑。以如此做訊號傳送的有力觀點，就是使用個別系統之最佳長處的方式。
三、基本電流/電壓系統（basic current/voltage system）
如圖一所繪，是一個簡單的電流/電壓系統。系統裡邊的流程變數（如壓力）藉壓力傳送器遞送。迴路電源供電且調整比例於流程的輸入訊號之傳送器輸出電流，處理訊號的首要的步驟就是供應迴路的電源。處理櫃傳遞相應的輸入訊號至控制、保護及指示等各種電路裝置。
圖一、基本的電流/電壓系統
(一) 傳送器
利用迴路電源供給的電壓做為它的電源（power source），調整比例於處理櫃輸入訊號的電流。例如，傳送器處理範圍是0到200psi，那麼4ma就代表0psi，而20ma就是代表200psi。假設流程參數在100psi，則電流於迴路即為12ma。圖一迴路A電流計算方式如下：
4ma+（20ma－4ma）100/200＝12ma
(二) 迴路電源供應（loop power supply）
執行的功能如下列所敘述：
1. 它提供一個相對固定的電壓（constant voltage）跨接於電流迴路，（通常為45VDC或24VDC）。
2. 它取出迴路的電流，且轉變電流成為一個0~10VDC的比例訊號，做為保護的功能（這是屬於非隔離輸出迴路B）。【如圖一紅虛線所標示】
3. 它取出迴路的電流且轉變電流成為一個0~10VDC的比例訊號做為控制的功能（這是屬於隔離輸出迴路C）。例如迴路B及C從電流轉變而成的電壓是相等的，且比例於迴路電流之大小。電壓可以利用迴路電流函數做如下表示：
電壓＝（迴路電流－4ma）10/16
於方程式內減去4ma以移除活零點（live zero），再乘以10/16後轉變電流成電壓。舉例，假設迴路電流為12ma則其輸出電壓等於：
電壓＝（12ma－4ma）10/16 ＝（8ma）10V/16ma ＝5V
(三) 主動裝置（active devices）
包括了如平方根（square roots）、控制器（controllers）及越前/落後（lead/lag）等一群電路的訊號分程傳遞計算。所有的裝置調整訊號，以應用於其他電路及補償流程測量的各種延遲。這些裝置也利用流程參數的改變，來預期反應器的反應。
(四) 雙穩態（bistable）
裝置表示不是高就是低的兩種輸出運作狀態。這種裝置是應用於警報的產生、保護系統的跳脫及各種的控制功能（譬如，閥、幫浦等等）。
(五) 隔離電路（isolation networks）
提供流程保護與控制之間的電氣隔離。在圖一中迴路供給電源執行這款功能，其他隔離裝置也扮演相同角色。
(六) 電腦隔離墊（computer pad）
是流程迴路與廠用電腦之間的連接點。隔離墊提供額外的隔離阻抗，以避免電腦側線路故障或電腦故障回饋影響流程迴路。
四、溫度偵測器類型：
(一) 電阻式溫度偵測器（resistance temperature detectors）
一塊塑膠、木頭、金屬，或其他材料的熱或冷是依據材質的分子活動性而定。動能（kinetic energy）是一種測量任何由分子組成的物質其原子活動性，因此溫度就是一種物質動能的測量。抑或你想要知道周圍的空氣、汽車引擎冷卻水，或核能設備的溫度，你就必須要有些方法，以測量物質的動能。大部分溫度測量裝置利用物質或系統的能量，它們監視設備的能量升高或降低。家庭用溫度計就是其中一例。於溫度計球內的水銀或其他液體，當它的動能被提升時就會膨脹。藉著觀察管中液體升多高，你就能知道被測量物體的溫度。因為溫度是物質中一種最重要的參數，所以許多儀器被發展用來測量物質的溫度。其中一種款式的偵測器就是Resistance Temperature Detector（RTD），稱為電阻式溫度偵測器。許多核電廠應用RTD監測流程或材質的溫度。為了溫度的測量，大部分廣泛地使用電阻式溫度偵測器。RTD的運作原理就如材料溫度的改變，它的電阻也會跟隨著改變。特定材質如金屬鎳（nickel）、銅（copper）及鉑（platinum），展示其溫度與電阻之間非常重複性的特性關係。明白了這層關係，於電路中測量電阻或利用這個電阻就能夠給予溫度的判定。自從鎳可適當及可靠地被使用後，它的使用溫度範圍以不超過500℉為佳，另一方面，鉑則可被使用於所有的溫度，也可以用於超過500℉以上溫度，因為鉑是屬於非常穩定的惰性元素。
1. RTD構造
純金屬或特殊合金組成的RTD，電阻會隨溫度增加而增加，相反地，當溫度降低時電阻也跟隨著減少。RTD的行為就像電氣轉換器（electrical transducer），藉由量測的電阻轉變溫度為電壓訊號。純金屬製品最適用於RTD，因為材質單純、溫度穩定，以及具有重複性的電阻-溫度讀數。因此僅有少數有如此特性的金屬可用做RTD元素。
一般的RTD元素是鉑、銅或鎳構成。這些金屬最適合用於RTD，因為它們的電阻-溫度線性特性（如圖二所示）、高電阻係數以及它們能夠忍受溫度來回的循環。
圖二、鎳、銅及鉑電阻對溫度特性曲線圖
電阻溫度係數隨溫度每度電阻改變量而變化，通常是以每度溫度百分比做表示。
物質必須能夠抽成細線（fine wire），才能容易地製造元件。RTD元件通常是使用像彈簧狀長細線，置於包封護套內。圖三所示為RTD內部構造。這是一個使用鉑元素的設計，它被陶質絕緣體所環繞，絕緣體避免細線與金屬護套之間的短路。英高鎳（inconel）是鎳-鐵-鉻（nickel-iron-chromium）的合金，因為它的高腐蝕性阻抗，通常被用來製造RTD護套。當英高鎳置放於液體或氣體媒介中，護套溫度很快就會與媒介溫度一致。加熱或冷卻改變鉑細線溫度，導致電阻成比例的變化。藉由測量裝置精確的測量電阻的改變，再經計算校準即可得到正確的溫度讀數。這個測量裝置通常是一個電橋迴路，將於下一段文中做詳細說明。
圖三、典型的RTD內部構造
圖四所示為RTD保護井（protective well）及接線端頭（terminal head）。保護井可保護RTD免於被測量的氣體或液體損害。保護井通常是不銹鋼、碳鋼、英高鎳或鑄鐵製造，它們的使用溫度可高達1100℃。
圖四、RTD保護井及接線端頭
圖五所示為典型的電阻式溫度偵測器（RTD）截面及電路概略圖。鉑線構成的的電阻器密封於不銹鋼保護套內及良好的導熱接觸，以及電氣絕緣的保護。當鉑線溫度改變時，它的電阻亦隨著改變。如此導致電橋迴路的不平衡及電壓的不平衡，轉換成溫度指示。鉑電阻式溫度偵測器（platinum RTD）溫度測量準度於（+/-）2℉且重複性在（+/-）0.5℉內。鎳電阻式溫度偵測器（nickel RTD）溫度測量準確度則於（+/-）5℉而重複性在（+/-）1℉內。
圖五、典型的電阻溫度偵測器截面及電路概略圖
於大多數流體應用上，溫度偵測器被置放於保護井內，RTD保護井做為系統的壓力邊界，並讓RTD可從保護井移出。這樣的裝置是有一個缺點，無論如何，時間的延遲都會存在於溫度指示與實際溫度之間。時間延遲是由於RTD保護井導熱特性，延緩了RTD的反應。於控制和保護系統上，這樣的情況是不適宜的，因此業者依據系統實際需要，應用直接接觸式的RTD或利用電路補償時間的延遲。
2. 電橋迴路架構（bridge circuit construction）
圖六所示為電橋迴路的基本架構，迴路中包含三個已知電阻R1、R2、可調的R3，及一個未知的電阻Rx（RTD）還有一個供給電壓源，以及一個電流錶（Ammeter）。電阻R1和R2是電橋的比例臂，依它們與兩個可變電阻之比例變化，改變流經電流錶的電流。R3是個已知的可變電阻，用來調整匹配未知的電阻Rx。感測電流錶指示流經電橋迴路的電流，當調整R3電阻使電流錶讀數為零時，迴路兩臂的電阻是相同的。如方程式1-1表示電橋兩臂電阻之間的關係。R1/ R3=R2/ Rx （1-1）
因R1、R2及、R3為已知電阻，所以僅剩Rx為未知。當電流錶讀數為零的狀態時，就能夠從電橋迴路算出Rx電阻值。了解這樣的電阻值是提供一個儀器附加電橋迴路校準的基礎觀念。未知的電阻可由方程式1-2計算求出。
Rx =R2 R3 / R1 （1-2）
圖六、電橋迴路
3. 電橋迴路運作（bridge circuit operation）
如圖六將Rx置放於迴路中，然後調整R3流經電橋迴路兩臂的電流，當沒有電流通過電流錶（Ammeter）時，電橋此刻即為平衡狀態。當電橋在平衡狀況時流經電橋兩臂電流恰成比例。在平衡狀態，若R1＝R2，則流經電橋兩臂電流是相同的。因此大部分的電橋迴路以R1＝R2為架構，於這樣的情況下且電橋平衡，則電阻Rx是與R3相同的。當平衡存在時，R3是相等於未知的電阻，即使電壓源不穩定或不夠準確。一個典型的惠氏頓電橋迴路（Wheatstone bridge circuit）有多種標示刻度做為電阻改變用。一旦電橋平衡，即可從標示讀出R3的電阻值。電橋迴路能夠測量電阻至小數第一位，甚至可達100%的準確度。當用來測量溫度時，有些惠氏頓電橋迴路配置精密的電阻可以精確地量出＋0.1℉。兩種典型的電橋迴路（非平衡式及平衡式）被使用於電阻式溫度計溫度偵測迴路。如圖七非平衡式電橋迴路使用毫伏電壓錶（millivoltmeter），它已經以相應於RTD的電阻校正為溫度單位的指示。電池連接於電橋迴路兩個相對位置的點上，毫伏電壓錶則連接於其餘兩點上，可變電阻器（rheostat）用來調整電橋電流。調整電流被分配於固定電阻和R1，以及RTD和R2的分支。當RTD的電阻改變，在點X與Y間的電壓改變，毫米電壓錶偵測出不相等的分支電流所造成的電壓改變。此錶可以用溫度單位做為校準，因為僅有RTD的電阻有改變。
圖七、非平衡式電橋迴路
如圖八平衡式電橋迴路利用微量電流錶（galvanometer）以比較RTD電阻和固定電阻（fixed resistor）。微量電流錶使用一個指針從零點歪斜任一側表示電阻臂的不相等。調整滑動電阻線直到微量電流錶指示『0』。這個時候的滑動電阻值即可做為系統溫度的監測。
滑動式電阻（slide wire resistor）被用於平衡電橋的兩臂，無論何時，調整滑動式電阻至沒有電流流過微量電流錶則表示迴路已經平衡。每一個溫度的改變就有一個新的電阻值，因此滑動器（slider）必須移動到新的位置以平衡迴路。
4. 溫度偵測迴路（temperature detection circuit）
如圖九為一個典型的溫度偵測迴路，微量電流錶顯示已經被修正後的電橋溫度偵測平衡迴路。溫度偵測器（RTD）方塊是做為溫度的偵測。偵測器以電阻方式感測溫度傳遞到電路。電橋電路轉化這個電阻為一個直流電壓（DC voltage）訊號，經過直流變交流轉換器（DC-AC converter）轉化直流成為交流訊號，再經放大器（amplifier），放大訊號至較高可用的電壓以驅動雙向馬達（bi-directional motor）。雙向馬達定位滑動器以平衡迴路電阻。假如RTD不論於非平衡或平衡式電橋迴路成為開路狀況，電阻必然為無限大，則儀錶將指示一個很高的溫度。假如RTD短路，電阻必然為零，則指示錶將指示一個很低的溫度。當校準迴路時，使用一只已知數值的電阻替代電阻球（resistance bulb），如圖十所示。迴路中電壓藉由改變電阻，直到儀錶指示正確的已知電阻值。
圖八、平衡式電橋迴路
圖九、典型的溫度偵測迴路
圖十、電阻式溫度計迴路與精密電阻取代電阻球
5. 溫度補償（temperature compensation）
由於周圍環境溫度的變化，電阻式溫度計（resistance thermometer）迴路必須要做補償。被選擇使用於測量迴路的電阻，它們的電阻於整個溫度範圍都須能保持電阻的固定數值。溫度補償是透過電子迴路的設計來完成。因為設備櫃子周溫會改變，它可能導致偵測器引線電阻由於周溫改變而改變。為了補償這個改變，RTD使用三或四引線（lead wire）偵測迴路方式，用此種方式，相同數目的引線用於電橋迴路的兩端，兩端分支同時感受電阻的改變，可以抵消周溫的變化。
(二) 熱電耦（thermocouples）
用來測量溫度的另外一種方法是應用熱電耦儀器，因為它們可以用於很高溫度的量測，所以用做爐內測量燃料組件溫度專有的偵測儀器。它們提供的資訊可以用來判斷爐心徑向功率的分佈，中子通量的傾斜，控制棒掉棒，以及控制棒的錯置等。
1. 熱電耦結構
熱電耦是由兩種不同的金屬線連結於一個端點上，各線頭連結至測量儀器的兩端，熱電耦是一個靈敏且高度精準的測量裝置。熱電耦結構可以由數種不同金屬材質來組合，在熱電耦材質的選用上，另外一邊都使用鉑材質。出現在兩種材質之間的熱電位差（thermoelectric difference）是選用一對熱電耦材質最重要的考慮因素。兩種材質之間溫度熱電位差之所以重要，是因為可以得到比較好的熱電耦測量準確性。各種較為通用的熱電耦材質跟鉑一起使用時的特性曲線如圖十一所示。圖十一之外使用的材質，譬如：使用於高達2000℉溫度測量，鉻合金-康銅（chrome-constantan）則是一個特優的材料；鎳（nickel）/鎳-鉬（nickel-molybdenum）有時用來取代鉻合金-鎳合金（chromel-alumel），以及鎢-錸（tungsten-rhenium可以使用於溫度高達5000℉）。有些合金如鉻合金-白金chrome-white gold），鉬-鎢（molybdenum-tungsten），鎢-銥（tungsten-iridium），以及銥-銠（iridium/iridium-rhodium）則做特殊的運用。
圖十一、熱電耦材質-鉑之特性曲線
典型的熱電耦構造如圖十二所示。
熱電耦的引線被裝置於堅硬的金屬外套內，測量接合面（measuring junction）是位於熱電耦護套底部。鎂氧化物（magnesium oxide）環繞著熱電耦以避免因震動而損害熱電耦的細線且可增進測量接合面與圍繞於熱電耦媒介間之熱傳。
圖十二、典型的熱電耦內部構造
2. 熱電耦的運作（thermocouple operation）
當被測量的物體溫度改變時會導致熱電耦電氣迴路的電流流動。產生電流量的大小是依據測量結合面與參考接合面（reference junction）之間的溫差而定。簡易型熱電耦迴路如圖十三所示，熱源加熱於測量結合面，熱電偶產生的電壓大於跨接於參考接合面的電壓，兩電壓差值比例於溫度差值，電壓可以使用毫伏電壓錶（milli-voltmeter）讀取。為了操作人員方便，有些電壓錶透過電子迴路的設置可直接讀取量測的溫度。
圖十三、簡單型熱電耦迴路
熱電耦運作的原理是基於當一段長度金屬的一端被加熱（隨著金屬的延伸產生一個溫差），電子傾向從熱端向冷端移動，可是有些類型的金屬在同樣溫差時電子卻是做反方向流動，從冷端流向熱端。假如一個使用兩種不同金屬的接合面，若溫度差存在於它們的接合面與終端點間，金屬之間就會發生電子的傳送，因而產生電動勢（electromotive force）。藉由連結兩端成為完整的迴路，電子的流動將發生於電路中。電動勢的大小則直接依據結合面之間的溫度差。圖十四所示為一個簡單型式的熱電耦迴路。
圖十四、簡化型熱電耦迴路
應用於西屋製爐心溫度測量的熱電耦是鉻合金-鎳合金（chromel-alumel），【註： Chromel is an alloy made of approximately 90 percent nickel and 10 percent chromium， Alumel is an alloy consisting of approximately 95% nickel, 2% manganese, 2% aluminium and 1% silicon】。因為這款型式的熱電耦於+2300℉溫度之下能做有效的反應，為了降低損失及圍阻體與檢出設備（readout device）之間溫度差變化引起的不準度，電路上應用參考接合面箱子（reference junction box ）。這個箱子置放於圍阻體內且維持參考點於穩定的恆溫。鉻-鎳合金（chromel-alumel）的引線是連到接合箱（junction box）後，為了降低價錢，傳輸改用銅線。圖十五所示即為熱電耦參考接合箱連線迴路。
圖十五、熱電耦參考接合箱（thermocouple reference box）
五、傳送器（transmitters）
傳送器從迴路供給電源，依流程的輸入訊號比例調整電流值。強制平衡（force balance）和移動平衡（motion balance）傳送器是應用於壓力、差壓、液位以及流量等之兩種主要類型的傳送器。
於強制平衡傳送器，由流程參數產生的力量是直接由迴路電流產生的力量所平衡。因為強制平衡傳送器實際上的移位是侷限於千分之幾英吋。這款型式的偵測器很適用於寬幅，它對流程參數小量的變化極端地靈敏，也能降低因摩擦產生的誤差，以及能做快速的反應。
圖十六、強制平衡傳送器（force balance transmitter）
簡單的強制平衡傳送器如上圖十六所示。
移動平衡（motion balance）傳送器，其移動是非平衡的，不同於強制平衡傳送器力量被平衡的意思。流程變數通常動作對抗彈簧或相似的裝置，將流程變化轉換成位置的改變。位置的改變藉由移動偵測器及放大器轉變成一個比例的毫安培（milliamp）電流訊號，迴路電流是比例於位置的改變。因為如此，為了達到像強制平衡傳送器的靈敏度，所以必須特別處理以限制摩擦的誤差（minimize frictional error ）。
由於流體增加或機械的位移，移動平衡傳送器有時候比強制平衡傳送器反應慢。典型的移動平衡傳送器如圖十七所示。
圖十七、移動平衡傳送器（motion balance transmitter）
六、壓力偵測器（pressure detectors）
(一) 巴登管（bourdon tube）
是使用至今最古老的壓力偵測儀器。圖十八所示為巴登管壓力儀器，巴登管含有一個薄璧管（thin-walled tube）外側成扁平形狀，內部成一橢圓形截面，有兩長扁平側（flat sides）及兩短圓側（round sides）。管被捲成彎度約為270至300度的圓形。流程壓力進入管的內側導致橢圓截面擴張趨向圓形的截面，這樣的截面改變使得管子輕微地伸直。因為管子一端是永久被繫在一邊，管子的尖端沿著管子形狀改變的曲線相對於中心產生角度位置的改變。在限度內，管子尖端的移動可以用來做位置指示計或去產生一個等效電氣訊號以表示管內壓力值。
圖十八、巴登管（bourdon tube）
圖十九是個典型的強制平衡款式的巴登管壓力傳送器。在圖中，流程壓力是連接於巴登管的內側，管子外側為大氣壓力，由於管子內部與外部直徑之間表面積的不同，當內部壓力增加時管子會趨向往外伸直，導致力棒（force bar）的移動且透過機械連桿使偵測器電樞及回饋線圈移動。藉由偵測器電樞的移動，偵測器的磁場耦合於是增加，使放大器及回饋線圈磁場的輸出增加。磁場的增加，致使回饋線圈被吸往磁鐵，再經過機械回授限制巴登管的移動。當作用於巴登管的力量剛好被回饋線圈產生的磁力平衡時，即達到最後的狀態。當壓力減少時，巴登管重置線圈位置（recoils），動作和上述相反，回饋線圈電流減少，磁場與線圈磁場相吸力量因此而降低。相對於受測量的壓力，供給至回饋線圈的電流是4~20ma。這個電流是利用如前所討論的，經由流程儀器處理櫃內迴路電源供給電路所產生。
圖十九、巴登管偵測器（bourdon tube detector）
(二) 伸縮囊款式（bellow type）
為了對於低壓力感測能夠極端地靈敏及提供記錄，以及指示的需要，因而發展出金屬型伸縮囊（metallic bellow）壓力感測元件。當測量的壓力從0.5~75psig時，金屬型伸縮囊最為精準。然而，有些伸縮囊也使用於超過1000psig的壓力測量。一個基本的金屬型伸縮囊如圖二十所示。伸縮囊是一個可摺疊的、無縫的，由非常薄的管形材料摺成深陷的褶層所製成的金屬元件。伸縮囊直徑可從0.5~12英吋且最多可有24褶層。系統壓力是供給至伸縮囊的內部，當囊內壓力改變，伸縮囊就會膨脹或收縮。伸縮囊的移動端連結至機械連桿組件，當伸縮囊及連動組件移動即會產生電氣訊號或直接指示壓力大小。金屬伸縮囊的伸縮特性相似於螺旋狀的線圈壓縮彈性。伸縮囊的鬆緊和負荷增加或減少的量成線性關係。無論如何，這層關係僅存在於伸縮囊的鬆緊極限內。所以伸縮囊膨脹行程必須建構發生於壓力側的平衡點。因此，實際上伸縮囊必須始終藉由彈簧做抗衡，於是彈簧和伸縮囊力量結合，形成偏差量的特性。伸縮囊型式的壓力偵測器如圖二十一所示。它的電路及機械連桿運作和巴登管偵測器是很相似的，唯獨感測機構不同。
圖二十、金屬型伸縮囊壓力感測元件基本樣式
被量測的流程壓力供給至伸縮囊，伸縮囊隨囊內與大氣之間壓力差做膨脹或收縮的反應，伸縮囊的移動藉連桿直接傳遞至力棒（force bar），回饋線圈電流產生和伸縮囊移動方向相反的磁場，於是平衡的力量將存在於磁力與伸縮囊感測力之間。線圈電流（4~20ma）直接比例於伸縮囊的感測力，因此可以直接代表被偵測的壓力。
圖二十一、伸縮囊型式壓力偵測器
七、壓力偵測迴路（pressure detection circuitry）
任何一個壓力偵測器如同前面討論，都可連結一個電氣裝置形成一個壓力轉換器（pressure transducer）或稱傳送器亦可。轉換器能夠產生電阻、電感或電容的改變。
(一) 電阻式轉換器（resistance-type transducer）
一個簡易型應變儀（strain gauges）如圖二十二所示。應變儀測量作用於細線的外力，細線通常是安排成網狀，當壓力改變時由於細線網的變形扭曲導致電阻的改變，壓力的大小就能夠從細線網的電阻改變被測量出來。方程式（1-1）展示壓力與電阻的關係。
R＝K L/A （1-1）
R＝細線網電阻（Ω）
K＝細線網電阻特性常數
L＝細線網長度
A＝細線網截面積
當細線網因為外力扭曲如橡皮圈般的拉長，因而使細線網截面積減少導致電阻增加，這個電阻的變化再配合電橋迴路提供電氣訊號作為壓力的指示。如圖二十三所示，當囊內壓力增加時，伸縮囊因此膨脹推動可撓性槓桿，彎曲應變儀，導致應變儀電阻的改變。溫度補償儀是用來當電流流過細線時產生熱的補償。應變儀，只不過是個電阻器，它配合電橋迴路使用如圖二十四所示的電路，為了排除微量電流計（galvanometer）的使用，電路應用交流電源供應器以取代蓄電池。當應變儀的電阻改變，致使電路產生不平衡，誤差訊號因此進入放大器而動作平衡馬達。平衡馬達驅使滑動電阻以回復電橋迴路的平衡狀況，此時滑動器於刻度表所指即為壓力單位。
圖二十二、應變儀（strain gauge）
圖二十三、應變錶壓力轉換器（Strain gauge pressure transducer）
圖二十四、用於電橋迴路之應變儀（Strain Gauge Used in a Bridge Circuit）
其他電阻式轉換器結合伸縮囊或巴登管的可變電阻器如圖二十五所示。當壓力改變，伸縮囊的膨脹或收縮致使滑動線移位而增加或減少電阻，指示壓力增加或減少。巴登管壓力偵測器應變儀如圖二十六所示，當供給至巴登管壓力改變時，巴登管透過連結線按壓或提拉懸臂槓桿致使應變儀的電阻改變，再應用電橋迴路因不平衡而檢出電壓，電壓的高低比例於流程壓力的大小。
圖二十五、伸縮囊電阻轉換器（Bellows Resistance Transducer）
圖二十六、巴登管應變儀（Burdon tube strain gauge）
(二) 電感式轉換器（inductance-type transducers）
電感式轉換器由三個部分所組成：一個線圈（coil）、可動磁鐵心（movable magnetic core）及一個壓力感測元件。感測元件繫於磁鐵心上，當壓力變化，感測元件牽動線圈內磁鐵心的移位。一個交流電壓供給至線圈，磁鐵心的移位會改變線圈的電抗。當電抗減少時通過線圈電流將增加。為了增加靈敏度，線圈可以利用中間抽頭分為兩組線圈，如圖二十七所示。當磁鐵心於線圈內移動，會使一線圈電抗增加，同時另一線圈電抗將減少。
另一種型式電感式轉換器，如圖二十八所示，利用兩個線圈繞於一個單管外，這就是所謂的差動變壓器，一次線圈是繞於管外的中心，二次線圈則繞於管外端上下部且方向相反，如此被感應的電壓極性也相反。鐵心於管內位置的移動是藉由壓力元件的驅使，當鐵心於較低位置時，下半部二次線圈提供輸出，反之則由上半部二次線圈提供輸出。輸出電壓的方向和大小決定於鐵心從中心位置的移動量。當鐵心於中間位置時，二次線圈就沒有輸出。
圖二十七、電感式壓力轉換器（Inductance-Type Pressure Transducer Coil）
圖二十八、差動變壓器（Differential Transformer）
(三) 電容式轉換器（capacitive-type transducers）
電容式轉換器如圖二十九所示，由兩片柔韌的導電板（flexible conductive plates）及一個介質（dielectric）所組成，於圖中介質就是流體。當壓力增加時，導電板被撐開兩者距離變大，轉換器電容量因此改變。電容量的改變比例於壓力的改變。
圖二十九、電容式轉換器（Capacitive Pressure Transducer）
(四) 偵測迴路（detection circuitry）
典型的壓力偵測迴路方塊圖如圖三十所示，感測元件偵測系統的壓力且轉換壓力為機械的訊號，感測元件提供機械訊號至轉換器，轉換器將機械訊號變成比例於系統壓力的電氣訊號，偵測迴路放大電氣訊號並傳送這個訊號至壓力指示儀。偵測迴路所產生的電氣訊號係直接比例於系統壓力的大小。偵測迴路之實際動作是依所使用的轉換器款式而定。壓力指示儀可提供系統壓力之遠端指示用。（待續）
圖三十、典型的壓力偵測迴路方塊圖（Typical Pressure Detection Block Diagram）
