第3章 检测仪表与传感器(压力测量)(1)

第三章检测仪表与传感器压力检测Instrumentationandsensor§3.2压力检测及仪表pressuredetectionandinstrument教学内容1．压力单位及测压仪表分类2．各种压力计的特点、结构及工作原理弹性式压力计霍尔片式压力传感器应变片式压力传感器压阻式压力传感器力矩平衡式压力变送器电容式压力变送器3．压力计的选用及安装压力：SFp公式：指均匀垂直的作用于单位面积上的力p—压力，F—垂直作用力，S—受力面积一.压力单位及测压仪表pressureunitandmeasuringpressureinstrument1．压力单位国际制单位：帕斯卡（帕）Pa1Pa=1N/m2帕PaN/m2毫米汞柱mm兆帕MPa106N/m2水柱m工程大气压10mH2O巴dyn/cm2物理大气压20ºC海平面psilb/in2压力的表示绝对压力绝对压力真空度表压标准大气压绝对压力、表压、真空度的关系绝对零压力•绝对压力：以绝对零压力为基准•表压（相对压力）：p表压=p绝对压力-p大气压•真空度：p真空度=p大气压力-p绝2．压力表的分类按转换原理不同，分四大类：液柱式压力计弹性式压力计电气式压力计活塞式压力计（1）液柱式压力计根据流体静力学原理，将被测压力→液柱高度。单管压力计U型管压力计斜管压力计ghp结构简单，便宜，精度较高，现场和实验室中使用。优点体积较大，读数不方便，测量范围窄，测低压、负压。缺点企业常用可变倾斜管微压计（2）弹性式压力计被测压力→弹性元件变形的位移结构简单，便宜，测量范围广，维修方便，应用广泛。•有弹簧管压力计、波纹管压力计、膜片式压力计。（3）电气式压力计通过机械和电气元件，将被测压力→电量（如电压、电流、频率等）。有电容式、电阻式、电感式、应变片式、霍尔片式。多用于远传和集中控制，适用范围广。（4）活塞式压力计pistongauge根据液体传送压力的原理，将被测压力→平衡砝码的重量测量范围大，精度高，δ允可小到0.05%~0.02%。优点缺点结构复杂，价格较贵，常作标准表二.弹性式压力计elastic-typemanometer原理：被测压力→弹性元件的弹性形变特点：简单、可靠、低廉、足够的精度，测量范围广（几百Pa~几千MPa），维修方便，若附加其它装置，可实现压力的记录、远传、报警、控制等。1.弹性元件（1）弹簧管式弹性元件（根据测量范围和介质不同）单圈——位移较小，能测较高的压力，测量范围较宽，可测高达1000MPa多圈——增加自由端位移降低测压范围，提高灵敏度（2）薄膜式弹性元件金属或非金属做成提高测压范围膜片式膜盒式（3）波纹管式弹性元件弹性好，位移大，测微压与低压，一般不超过1MPa弹簧管压力表氧气压力表用于测量氧气的压力，严禁接触油脂类物质。在表盘上有红色的禁油标志，防止错误使用。防腐耐高温压力表广泛应用于石油、化工、化纤、冶金、电站等工业部门中对耐酸、耐高温有较高要求的工艺流程中测量各中流体介质的压力。带电接点压力表适于测量对铜合金无腐蚀、无爆炸危险、非结晶的各种液体、气体等介质的压力。在石油、化工、电站、冶金等工业企业及机电设备上广泛配套使用。膜盒压力表测量对铜合金不起腐蚀作用、无爆炸危险的气体的微压和真空，广泛应用于锅炉通风、气体管道、燃烧装置及其它类似设备上。膜片压力表适于测量具有一定腐蚀性、非凝固或非结晶的各种流体介体的压力或真空，是解决测量高温粘稠压力的有效途径。2.弹簧管压力表spring-tubemanometer分类使用的测压元件单圈弹簧管压力表多圈弹簧管压力表用途普通弹簧管压力表耐腐蚀的氨用压力表禁油的氧气压力表等（1）结构弹簧管拉杆扇形齿轮中心齿轮指针游丝调整螺丝面板弹簧管压力表PBA•弹簧管•中心齿轮（指针）•扇形齿轮•拉杆弹簧管压力表弹簧管拉杆指针中心齿轮扇形齿轮接头游丝刻度盘调整螺钉（2）测量原理压力p→截面由椭圆形趋于圆形→自由端B产生位移→通过拉杆使扇形齿轮逆时针方向旋转→中心齿轮（指针）顺时针转动，指示出p测。游丝—克服扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差调整螺丝—调整量程（3）带电接点的弹簧管压力表12435～静触点动触点电接点信号压力表142（能实现高低限报警）2和1接触时——3（绿）灯亮，低限报警2和4接触时——5（红）灯亮，高限报警XY—电接点压力表Y—普通Z—真空A—氨用三．电气式压力计electricpressuregauge把压力→电信号输出，然后测量电信号的压力表。测量范围宽，10-5~102MPa；精度高，δ允0.2%可远距离传送信号，和计算机联用，能用于控制系统中及实现报警。•结构复杂优点传感器测量线路指示器记录仪控制器压力电量辅助电源电气式压力计组成方框图电气式压力计的组成压力传感器、测量电路、信号处理装置1.霍尔片式压力传感器根据霍尔效应制成的压力变化变形位移霍尔电势弹性元件霍尔元件霍尔片是由半导体材料制成的薄片（1）霍尔效应+++---FXYB+Z左手定则将通电流（y轴）的霍尔片放在恒定磁场中，电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，使电子的运动轨道发生偏移，在霍尔片两个端面（X轴方向）上出现电位差——霍尔电势，此物理现象称为霍尔效应。霍尔效应：目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。UH=RHBUH—霍尔电势；RH—霍尔常数；B—磁感应强度；—电流强度一般为3~20mA，B约为几千高斯，UH约为几十毫伏。（2）工作原理pNSN输出UH0～20mV霍尔片式压力传感器霍尔片霍尔片+弹簧管磁钢弹簧管将通有恒定电流并置于非均匀磁场中的霍尔片与弹簧管的自由端相连P测→弹簧管→自由端产生位移→霍尔片位置改变→受到的B发生变化→产生UH与位移成比例，即与P测成比例，测出UH，即得P测且可实现远距离显示和自动控制工作原理2.应变片式压力传感器straingauge利用电阻应变原理构成。压力变化弹性变形电阻变化输出电压•有金属应变片和半导体应变片两大类应变片桥路应变式压力传感器恒压直流电源输出信号r1r2r3r4传感筒测量桥路P应变筒外壳密封膜片r1r2（1）原理：（2）特点：P测→应变筒→应变筒变形→应变片变形（r1轴向压缩，r2横向压缩，）→应变电阻变化→桥路输出不平衡ΔU→毫伏计或其他显示仪表→测出P测。速度快、非线性小、滞后小，适于快速变化的压力测量。3.压阻式压力（差压）传感器piezoresistancepressuretransducer利用单晶硅的压阻效应而构成单晶硅片桥路压力变化阻值变化电压信号应用：工业自动化设备配套、石油、化工、冶金、电力过程控制扩散硅压力传感器硅压阻式压力传感器扩散硅压力变送器单晶硅片等效电阻低压腔高压腔硅杯扩散电阻硅膜片引线结构PLPHR1R2R3R4R1R4R3R2UE1.基座2.单晶硅片3.导环4.螺母5.密封垫圈6.等效电阻（1）原理：压力变化→单晶硅产生应变→应变电阻阻值变化→桥路输出电压信号（2）特点：结构简单，精度高（0.25级或更高），速度快、非线性小、滞后小。（1）作用：将P→统一标准的气压或电流信号，可以连续测量压差。4.力矩平衡式差压变送器momentbalancepressuretransducerDDZ---Ⅲ电动力矩平衡压力变送器—自平衡检测仪表（一般为0.5级）差压（压力）变送器＞PFiO1F1F2F3θFfI0RL主杠杆测量膜片轴封膜片推板矢量板连杆副杠杆检测片差动变压器反馈线圈放大器调零弹簧永久磁钢量程调整螺丝矢量板O2DDZ---Ⅲ型力矩平衡差压变送器θF2F3F1（2）工作原理：测量膜片主杠杆矢量板推板连杆P测量力偏转偏转移动副杠杆平衡，放大器输出0与△P成比例顺时针F1F2向上副杠杆逆时针铁芯差动变压器电压放大器0反馈线圈Ff副杠杆当Mf=M2顺时针偏转KPtgI0K——电动压力变送器放大系数K越大，量程范围越小。K与变送器的结构及电磁特性有关①改变K，即改变变送器的结构或电磁特性。②调整θ，可在4º～15º之间调整。量程范围的调整4.电容式压力（差压）变送器capacitorpressuretransmitter4~20mA压力或压差变化电容量变化标准电流电容式压力变送器（传感器）使用对象：液体、气体和蒸汽电容式压力∕差压∕流量变送器隔离膜片测量膜片固定电极硅油玻璃层电容式压力变送器为例底座P测转换放大部分I0（1）原理：当P测加于测量侧的隔离膜片→中心测量膜片产生位移→中心膜片与两边弧形固定电极的间距不再相等C1≠C2→ΔC通过转换部分检测和放大，转换为4~20mA的直流电流信号输出。•两侧通压力时，可测压差、液位参数——电容式差压变送器（2）特点结构简单、精度较高（可达0.2级）、过载能力强、使用方便、工作可靠、较耐振动和冲击、稳定性较高。5.智能差压（压力）变送器在普通压力传感器上增加微处理器特点具有远程通讯的功能依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定变送器各种参数使用维护方便长期稳定工作，每5年才需校检一次以3051C为例：整体组成结构原理传感膜头：被测压力---A/D转换----数字信号硬件软件电路结构电子线路板：对信号进行修正，线性化处理---D/A转换--4～20mA信号A/D转换器温度传感器电容传感器传感膜头内存修正系数膜头信号微处理器传感器线性化重设量程诊断工程单位通信电子板内存量程值变送器组态信息D/A转换数字通信本机量程和零点调整手操器传感膜头电子线路板4～20mA3051C型智能变送器原理图实现的功能（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断自诊断变送器激活输出报警手持通信器可询问变送器，确定问题所在变送器向通信器输出特定的信息当出现问题时智能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极大方便。注意四.压力计的选用及安装1.压力计的选用仪表类型的选用仪表测量范围的确定仪表精度等级的选取（1）仪表类型的选用•功能要满足工艺生产要求•被测介质的物化性质•现场环境条件。（2）确定仪表的测量范围压力表上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值测量稳定压力，Pmax≯量程的2/3倍测量脉冲压力，Pmax≯量程的1/2倍测量高压，Pmax≯量程的3/5倍为了测量值的准确度，测量范围不应太大，Pmin≮量程的1/3（3）精度等级根据生产上所允许的最大测量误差来选例题某台往复式压缩机的出口压力范围为25~28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。MPapp562282max1316025%67.1%100601解：选用YX—150型电接点压力表，测量范围为0~60MPa。故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，是允许的。精度为1.5级允许误差为因为有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为13.5～16MPa，工艺要求最大测量误差为0.8MPa，并可就地观察及高低限报警。试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等级）。例题解脉动压力PaPP322162max可选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～40MPa。31405.13PaPa检验量程下限符合要求仪表量程选择最大引用误差%2%100408.0选择测量范围为0～40Mpa，精度等级为1.5级的YX-150型电接点压力表。常见压力传感器外形工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片2.压力计的安装（1）测压点的选择测量点应代表被测压力的真实情况。1）要选在被测介质直线流动的管道部分。2）测量流动介质压力时，取压点与流动方向垂直，取压管内端