山东建筑大学热工检测课第8章

概述•压力是指流体对单位面积上的垂直作用力。•压力可用绝对压力或表压力表示•绝对压力=表压力+大气压力以完全真空作为零标准的压力绝对压力与当地大气压的差值第1节液柱式压力计一、U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)二、单管压力计由于U形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管压力计。因则故由于Dd，所以P=ρgh2122244hdhD2212dhhD21222dpg(hh)g(1)hD三、斜管微压计主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。2111B1222APg(hh)g(shlsiin)lAhlAnA倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大。这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0.98Pa的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。第2节弹性式压力计弹性元件受压后产生的弹性与压力大小有确定的关系,这是弹性测压仪表的工作原理。一弹性元件的特性•1弹性特性•弹性元件所受的外力F和变形s间的关系s=f（F）一弹性元件的特性•2刚度和灵敏度•刚度K：单位变形所需力•灵敏度S：单位力引起变形加载去载FF理想特性t1t1载荷载荷变形变形时间Δt1t1+Δt1•3弹性滞后和弹性后效•弹性滞后：在弹性范围内加载去载曲线不重合•弹性后效：载荷改变后逐渐完成相应变形二弹性元件的材料•弹性材料的弹性储能是衡量其基本性能的主要指标膜片膜盒三金属膜片膜盒膜片式压力计膜式压力计膜片：单膜片测压元件主要用于低压的测量，一般使用金属膜片。测压时,膜片向压力低的一面弯曲,其中心产生的位移量即反映出压力的大小.膜片式压力计可测微压和粘滞性介质压力。膜盒将两片金属膜片的周边焊接在一起,成为广泛膜盒,应用于测量差压。•一个周围为波纹状的薄壁金属筒体四波纹管式压力计x在波纹管中引入压力自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移波纹管压力—位移特性的线性不如弹簧管弹簧管压力计五弹簧管1弹簧管2连杆3扇形齿轮4底座5中心齿轮6游丝7表盘8指针9接头弹簧管10椭圆形横截面弹簧管被测压力由接口引入弹簧管自由端产生位移通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动与中心齿轮同轴的指针同时顺时针偏转，在刻度标尺上指示出被测压力值假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方向运动。弹簧管形变的产生问题短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方向运动第3节压力传感器和变送器常用压力表电接点压力表HAKK-EKA110A差压变送器电容式、电阻式、电感式、应变片式、霍尔片式压力计一电位器式压力传感器•把测压弹性元件的输出位移转换成微型电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化转换成电阻值的变化二电感式压力传感器•弹性元件受压力作用后产生的位移可改变磁路中空气隙的大小，或改变铁芯与线圈之间的相对位置，使线圈的电感量发生改变，从而使压力变化的信号转换成电感量的变化•互感式电感传感器也叫差动变压器式传感器.•把被测位移的变化转变为传感器互感的变化。•差动变压器式传感器铁芯在一定距离内的位移与输出电动势大小的关系基本上是线性的接头通孔线路板衔铁壳体差动变压器底座膜盒插头三霍尔压力传感器金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势VH。IBRVHH灵敏度常数把半导体单晶薄片置于磁场B中，如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流则在晶体的两个横向端面之间出现霍尔电势VH四力平衡式压力变送器四力平衡式差压变送器•工作原理：基于力矩平衡原理•测量部分将被测差压，转换成相应的输入力，该力与电磁反馈机构输出的作用力一起作用于杠杆系统，使杠杆产生微小的偏移，再经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。•主要由四部分组成：•测量机构组成：由高、低压室、膜盒、轴封膜片等部分，作用：是把被测差压转换成作用于主杠杆上的力。•杠杆系统杠杆系统是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分组成：主、副杠杆、调零和零点迁移机构、平衡锤、静压调整及矢量机构等。作用：是把测量机构对主杠杆的输入力所产生的力矩转换成检测片的微小位移。•位移检测放大器组成：差动变送器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器等部分组成。作用：是将副杠杆上检测片的微小位移转换成直流信号输出。•电磁反馈机构组成：由反馈线圈、永久磁钢等。作用：将变送器输出电流转换成相应的电磁反馈力，作用于副杠杆上，产生反馈力矩，以便和测量部分产生的输入力矩相平衡。•力平衡式差压变送器•变送器输出与输入之间的关系为五电容式压力变送器工作原理先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。•电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4～20mA电流信号P2P1输出信号0~20mA定电极C1C2解调器功放器反馈、保护电源、振荡硅油动电极◇结构框图壳体内部浇注玻璃绝缘子5绝缘子内侧磨成光滑的球面，其内侧的凹形球面上除边缘部分外用真空镀膜工艺镀上均匀的金属膜，作为电容的固定极板中心感压膜片7为电容的动极板，其周边与壳体密封并焊接在一起2、3是不锈钢基座中心感压膜片7与两球面之间的空腔充以硅油，并分别有各自的引油孔与被测压力连通被测压力分别加在膜盒两侧的隔离膜片1、4上，通过腔体内所充硅油的传递，作用在中心感压膜片的两侧引线●当P1=P2时，中心感压膜片在中心位置，C1=C2中心感压膜片与两球面内壁镀膜分别形成电容C1和C2当差压△p=P1－P2≠0时，其差压与两电容器电容间的关系差动平板电容器的电容变化量与活动电极的位移成正比。而且当位移较小时，近似满足线性关系。转换放大电路转换放大电路的作用•是将上述差动电容的相对变比值，转换成标准的电流输出信号。•还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。•其原理框图如图所示。七应变式压力变送器•应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化。通过测量阻值变化来测量压力的大小。一压阻效应dAdAldlRdR当电阻受到拉力F作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为：一压阻效应•式中dL/L=ε•dA/A：圆形电阻丝的截面积相对变化量dAdAldlRdR22rdrAdA导体材料的泊松比一压阻效应dRdR)21(通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：dRdRK21•金属材料的应变电阻效应•1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。一般Km=1.8～4.8。dRdRK21•半导体材料的压阻效应•半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多，应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(50～80)Km。dRdRK21二应变式压力变送器的形式压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。二应变式压力变送器的形式当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。•根据单晶硅的压阻效应工作，在很薄的单晶硅上利用集•成电路工艺扩散出4个小片等值电阻，构成惠斯登测量桥路。USR1R2R3R4IS不受压时：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝Rr0.635rR1R1、R4变小R2R3R4R2、R3变大硅压阻式传感器结构原理结构如图(a)。它的感压元件叫做扩散硅应变片。其电阻布置如图(b)杯内腔承受被测压力p，杯的外侧为大气压力。如用来测量差压，则分别接p1及p2。应变片的电阻变化经桥式线路转换为电压输出，然后经放大后转换为直流信号。RA、RB、RC、RD为半导体压敏电阻，RF是负反馈电阻电桥以1mA恒流源供电，整机输出4～20mA的统一信号a)4～20mA传输标准控制室现场b)现场总线第四节HART协议控制室仪表手持编程器双向数字传输安全栅调节器指示积算配电安全栅4～20mA配电4～20mA4～20mA•现场总线：安装在生产现场的仪表和控制室内的仪表或装置之间的数字式串行通信链路。•现场总线是数字通信系统里最低的一级，也是最基本的一级。•现场总线从现场各类变送器或传感器取得信息，并通过控制器（DCS）向现场执行器传送控制指令或直接（FCS）向执行器传送控制指令。•HART协议支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备•与连接传统4～20mA模拟仪表一样的电缆用来传送HART通信信号,所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设备数目而不同，通常单芯屏蔽双绞电缆长度可达3000m，多芯带屏蔽双绞电缆可达1500m。更短的距离可使用非屏蔽电缆。通过本质安全栅/隔离器，HART设备可以应用在危险场合。•现场总线的关键技术是通信协议。在发展初期，各大自动化集团各自推出自己的现场总线，其类型达40种之多。为了用户便于使用，达到各总线之间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准，以实现开放、兼容、互操作的目的。•因各种现场总线标准互不兼容，很难实现互操作。故在4～20mA向现场总线过渡时期，还需要采用HART协议，HART也称为准现场总线协议•HART现场通信协议是工业界广泛认可的标准，在4～20mA智能设备的基础上增加了数字通信能力。该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要仪表供应商都提供HART协议产品。•HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递4～20mA模拟信号和数字信号。HART在提供现场总线的好处时，保留对现有4～20mA系统的兼容性。•数字信号传送时要求传输线的频带很宽，在长距离通信时，其频带往往不能满足要求（频率较高的分量被衰减），即产生信号的畸变，而且数据通信速率越高信号的畸变越严重。为避免信号的畸变，通常采用调制/解调的办法，即将数字信号调制为模拟信号，再用电话线（双绞线）进行传送的调制：将数字信号变成模拟信号的过程称为调制。信号的，将数字信号调制为模拟信号有三种方式：•移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)，或者称为两态调频。它的基本原理是把数字信号“1”和“0”调制成不同频率(易于鉴别)的模拟信号•两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号(即数据DATA)控制。当信号为“0”时，控制电子开关1导通，送出一串频率较低（1200Hz）的模拟信号；当信号为“1”时，控制电子开关2导通，送出一串频率较高（2200Hz）的模拟信号，于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。•HART协议使用Bell202频移键控(FSK)技术•HART协议使用Bell202频移键控(FSK)技术在4～20mA基础上对数字信息进行编码，在4～20mA上叠加幅度为±0.5mA的正弦波，因此模拟和数字信号可同时传递，数字FSK信号相位连续，不会影响4～20mA信号。逻辑“1”由1200Hz频率代表，逻辑“0”由2200Hz代表。由于叠加的正弦信号平均值为0，所以对模拟信号没有影响。•HART（FSK）信号方式允许双向数字通信，使得除普通过程变量以外的更多信息，从智能现场仪表读取或发送到智能现场仪表。HART协议1200bits/s通信速率在不打断4～20mA信号的同时，允许主站对来自现场设备的数字数据每秒更新两次或更多。•解调：将模拟信号还原成数字信号的过程1HART协议的通信方式•采用半双工的