第5章-压力检测仪表

1自动检测技术第五章压力检测仪表2一、概述压力的定义压力是指均匀而垂直作用在单位面积上的力，符号用P表示。压力的单位是帕斯卡，即牛顿/米2；用符号Pa表示。除了帕斯卡，我国目前还同时使用以下单位：工程大气压(kgf/cm2)、物理大气压（标准大气压760mmHg）等31623年6月19日诞生于法国多姆山省克莱蒙费朗城。帕斯卡很小时就精通欧几里得几何，他自己独立地发现出欧几里得的前32条定理，而且顺序也完全正确。11岁时小帕斯卡写了一篇关于振动与声音的关系的文章。12岁独自发现了“三角形的内角和等于180度”后，开始师从父亲学习数学。在他16岁那年，参加巴黎数学家和物理学家小组（法国巴黎科学院的前身）的学术活动。17岁时帕斯卡写成了数学水平很高的《圆锥截线论》一文，这是他研究德扎尔格关于综合射影几何的经典工作的结果。1642年到1644年间帮助父亲做税务计算工作时，帕斯卡发明了加法器，这是世界上最早的计算器，现陈列于法国博物馆中。1646年他为了检验意大利物理学家伽利略和托里拆利的理论，制作了水银气压计，在能俯视巴黎的克莱蒙费朗的山顶上反复地进行了大气压的实验，为流体动力学和流体静力学的研究铺平了道路。实验中他为了改进托里拆利的气压汁，他在帕斯卡定律的基础上发明了注射器，并创造了水压机。1651～1654年间，紧张地进行科学工作，写成了关于液体平衡、空气的重量和密度及算术三角形等多篇论文，后一篇论文成为概率论的基础。1662年8月19日帕斯卡逝世，终年39岁。426压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×10-61.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501各种压力单位换算表5压力的表示方式绝对压力表压力真空度差压6压力检测的主要方法及压力检测仪表的分类液体压力计(U型管压力计、单管压力计、倾斜式微压计等)弹性式压力计(弹簧管压力表、膜盒压力表、波纹管压力表)电远传式压力仪表(力平衡式压力变送器、电容式压力变送器、霍尔式压力传感器)物性型压力传感器(应变式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器)7压力检测仪表的等别或级别压力计基准、标准器用“等”；工作用仪器用“级”表示。有国家基准器、工作基准器、一等标准器、二等标准器、三等标准器；工作压力0.5级、1.0级、1.5级、2.5级压力测量范围压力范围：超高压、高压、中压、低压、微压真空划分四类：粗真空、低真空、高真空、超高真空81年国际委员会分四类：甚低压、低压、中压、高压89二、液体压力计工作原理液柱式压力计的形式：U形管单管斜管U形压力真空计10液体压力计的误差分析温度误差安装误差重力加速度变化误差传压介质误差读数误差11液体压力计的使用液体压力计在使用时，须注意以下问题：压力计工作时，如实际工作温度和当地重力加速度偏离仪表设计值；应对仪表读数进行修正压力计应垂直安装使用应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围12三、弹性式压力检测仪表弹性式压力检测仪表是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统称弹性式压力表。13弹簧管压力表弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测仪表弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压（可达1000MPa）根据制造要求，仪表的准确度等级最高为0.1级普通介质，P20MPa,弹簧管采用磷铜；P20MPa,弹簧管采用不锈钢或合金钢；对于腐蚀性介质，一方面采用隔离膜和隔离液，另一方面采用耐腐蚀材料。14弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。15弹簧管结构原理图弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管16弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α17波纹管波纹管双波纹管压力表波纹管示意图18膜片金属膜片膜盒压力表膜片压力表19弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动指针移动。20弹簧管压力表的外形及内部结构动画演示211-弹簧管2-电位器22其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。23弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管24波纹管差压计波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压），但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为0～0.4MPa，仪表的准确度等级为1.5～2.5级。波纹管双波纹管压力表25双波纹管差压计结构示意图26其它弹性式压力表膜片和膜盒也常常被用作压力测量的弹性元件，从而构成膜片压力表和膜盒压力表。膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为－20～40kPa，仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级。27动画演示28膜片压力表的工作原理与膜盒压力表相近，测量准确度也差不多，但膜片压力表的可测压力范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表膜片压力表膜盒压力表金属膜片29电远传式压力仪表也是利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元件（或装置）和转换电路能将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传。四、电远传式压力检测仪表压力传感器压力变送器30力平衡式压力变送器气动压力变送器电动压力变送器31测量部分杠杆系统位移检测放大器电磁反馈机构piFiFfI0s力平衡式差压变送器构成方框图32力平衡式压力变送器结构示意图1-低压室；2-高压室；3-测量元件（膜盒、膜片）；4-轴封膜片；5-主杠杆；6-过载保护簧片；7-静压调整螺钉；8-矢量机构；9-零点迁移弹簧；10-平衡锤；11-量程调整螺钉；12-检测片(衔铁)13-差动变压器；14-副杠杆；15-低频位移检测放大器；16-反馈动圈；17-永久磁钢；18-电源；19-负载；20-调零弹簧转换部分测量部分33杠杆系统受力图34Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIosFo变送器输入输出关系：35电容式差压变送器电容式压力/差压变送器36电容式检测元件37变极距式电容器38变面积式电容器39变介电常数式电容器40高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器4142各种电容式差压变送器外形43各种电容式差压变送器外形（续）法兰44各种电容式压力变送器外形（续）45电容式差压变送器电容式压力/差压变送器46电容式差压传感器结构PHPL动画演示47其它电远传式压力检测仪表霍尔压力传感器它主要由弹簧管、霍尔元件和磁极组成将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如下图示。1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。48其它电远传式压力检测仪表电感式压力传感器在电感式压力传感器中，首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出.49谐振式压力传感器谐振式压力传感器是依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号，根据谐振原理的不同，谐振式压力传感器有振弦式、振膜式及振筒式几种。50五、物性型压力传感器测量原理是基于物质定律基础上的，敏感元件感受被测压力，并将压力的大小转换成敏感元件的某个物理量输出.由于该物理量常常是一种电量信号，因此这类传感器也是电远传式的.51应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝(应变元件)在弹性元件上，且构成一个简单桥路。粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的变化。5242应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。应变片压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片53压阻式压力传感器压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单。和应变式压力传感器一样，压阻式压力传感器的缺点也是敏感元件易受温度的影响。压阻式压力变送器5455压电式压力传感器压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点。由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于稳态测量。压电式压力传感器56■智能型压力变送器智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。可进行远程通信利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。特点5157举例以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。3051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图5258手持通信器的连接示意图3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。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。实现的功能（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断5359要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。注意5460六、压力检测仪表的使用压力检测仪表的选择量程的选择测量稳定压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4；测量波动较大的压力或脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3；为保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的1/3当被测压力变化范围大，最大和最小工作压力不可能满足上述要求时，选择仪表量程应首先满足最大工作压力条件我国压力表的量程系列：1，1.6，2.5，4.0，6.0kPa以及它们的10n倍数；精度等级：0.1，0.16，0.25，0.4，1.0，1.5，2.561测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的2/3测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的1/2测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/562压力检测仪表的选择精度的选择根据实际允许