自动检测技术3.压力测量(上)

检测技术基础第4章压力测量郑丹丹[e-mail]天津大学电气与自动化工程学院过程参数密度流量温度压力成分物位4.1概述垂直并且均匀作用在单位面积上的力称为“压强”。工程技术上一般称其为“压力”。SFP国际单位:帕斯卡，简称帕（Pa）4.1.1压力的概念2N/m1Pa1工程上经常使用兆帕（MPa）Pa101MPa16常用单位：工程大气压（公斤），kgf/cm2MPa0.1Pa10MPa10807.9kgf/cm15-22psilb/in2生产和生活中不同的压力概念(1)大气压力：大气压力是地球表面上空气的重量所产生的压力。符号：P0表示影响因素：气象情况、海拔高度和地理纬度测量仪表：气压表压力单位之一：标准大气压，atmPa325101atm1(2)表压力：如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为零起算的压力，则测量结果称为表压力。符号——PG领域：工程中(3)绝对压力：是指不附带任何条件的全压力，它等于大气压力和表压力之和。符号：PaPa＝P0十PG如：液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力。(4)真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。PG＝P0－Pa又称：真空度、负压力、疏空压力。(5)差压（压差）：两个相关压力之差。符号——ΔP注意：基准点任意且相同完全真空0大气压P0真空度PG压力差ΔP代表规定基准点代表任意基准点表压力PG绝对压力Pa绝对压力Pa不同压力间的关系4.1.2压力测量系统的分类静重式弹性式电远传式静重式液柱式压力计活塞式压力计U型管单管斜管钟罩环天平测压力测真空单活塞双活塞圆柱形活塞球形活塞用途结构弹簧管式膜片式膜盒式波纹管式弹性式电远传式电阻式电感式电容式振弦式4.2液柱式压力计1原理2误差来源4.2.1液柱式压力计的原理原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡封液：水、酒精、水银12)(214.2.2液柱式压力计的测量误差及其修正（1）环境温度变化的影响封液影响))20(1(20thht标尺长度影响精密测量时考虑；（2）重力加速度变化的影响)21()]2cos(00265.01[RHggN封液标准高度NNgghhβ—体积膨胀系数；H—海拔高度；R—地球半径；φ—海拔纬度。（3）毛细现象造成的影响；（4）安装、读数、刻度等方面的误差。毛细现象使封液表面形成弯月面，不仅引起读数误差，还会引起液柱的升高或降低。通过加大管径来解决。酒精：D=3mm；水银：D=8mm4.3弹性式压力计4.3.1弹簧管压力计压力单位PSI充液防震全不锈钢耐震压力表单圈弹簧管压力计结构：弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘。4.3弹性式压力计4.3.1弹簧管压力计''RR''rr''')()(rRrR''22bbbb22'''bbb'))((''bbbb即受压后短轴长度增加：故2b2aPABB`ORr弹簧管的长度（弧线长）不变))((bbbbbbbbbb整理得由于故2b2aPABB`ORr增大灵敏度的方法增大4.3.1弹簧管压力计bb特点：精度等级：普通型：１~４级；精密：0.1~0.5级。测量范围：真空~109Pa；工作范围：1/3~1/2量程(压力波动大)；1/3~2/3量程(压力波动小)；注意：防尘、防爆、防腐等问题，并要定期校验。弹性式压力计4.3.2膜式压力计膜片式——测量腐蚀性介质，非凝固、非结晶的粘性介质；膜盒式——测量气体的微压和负压。特点精度：2.5级测量范围：膜片式：真空或0~6×106Pa膜盒式：0~±4×104Pa4.3.3波纹管式压力计波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时线性输出范围比受拉时大，故常在压缩状态下使用。用途：做流量和液位测量的显示仪表。4.3.4弹性式压力计的误差来源迟滞误差：相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形不一样；弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力变化；（动态响应误差）间隙误差：仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不完全对应；摩擦误差：仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力；温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化。达到0.1%的精度是极为困难的4.3.5弹性式压力计的改善途径采用“全弹性”和“恒弹性”材料：减小迟滞误差和后效误差；如合金Ni42CrTi、Ni36CrTiA、熔凝石英；采用新的转化技术，减小中间环节，如电阻应变技术、差动变压器技术；采用无干摩擦的弹性轴承或磁悬浮轴承；改善制造工艺。远传式压力计的发展史传感器电路通信扩散硅（压阻式）80年代扩散硅（压阻式）90年代谐振式90年代,21世紀A电容式70年代AAAAAA电容式80年代ADD电容式90年代ADDDDDDDA（模拟）方式、D（数字）方式21世紀是数字化的时代4.4电远传式压力计4.4电远传式压力计根据测量原理分类：电阻电容电感振弦式4.4.0远传式弹簧管压力计差动变压器式压力计4.4.0远传式弹簧管压力计21oooeee1oe2oe1oe2oe铁心向上时，铁心向下时，差动变压器式压力计差动结构使信号成倍增强铁芯铁芯初级次级1oe2oeoeie次级线圈初级线圈次级线圈4.4.0远传式弹簧管压力计霍尔式压力计霍尔电势IBKUHHKH：霍尔元件灵敏度系数，与霍尔元件的物理性质和几何尺寸相关。4.4.0远传式弹簧管压力计霍尔式压力计IBKUHH4.4.1电阻应变式压力变送器4.4.1电阻应变式压力变送器金属电阻丝半导体电阻应变压力电阻R↑↓硅片上扩散生成)(RfP压力传感器压力变送器（1）金属电阻丝应变片式传感器单根导线的电阻R：电阻率ρ、长度l和截面积S，其关系：SlR在均匀拉伸应力σ的作用下，导线电阻的相对变化量为dSldSSldlSdR2dSlR令，SSllRR对于圆导线，，故近似有受拉伸时，l增大的同时d减小，两者关系为lldd4/2dS为材料的泊松比金属:０.2~０.4；半导体:0.35。SSllRR（1）金属电阻丝应变片式传感器SlRllSS2定义应变Ｋ：导线每单位应变引起的电阻值的相对变化量。Ｋ越大越好！拉伸应力σ引起材料应变灵敏系数ll金属材料KRR)21(/影响很小为材料的泊松比。为应变；式中：K=1.7~3.6lllldd材料—康铜（Ni45%,Cu55%）灵敏系数约为1.9~2.1，铁铬铝合金（Fe70%，Cr2%，AL５％）灵敏系数约为2.4~2.6；直径—0.05~0.15mm。纸或胶质：0.02-0.04mm箔式应变片光学蚀刻法箔式应变片0.003~0.01ｍｍ薄膜式特点：耐高温，如用铂、铬应变片（蓝宝石基底），温度达800℃。真空蒸镀沉积溅射0.1~N*100nm薄膜式应变片温度影响①金属材料的电阻具有一定的温度系数；②弹性元件（基底）与金属应变电阻两者的线膨胀系数不等；注：如果固体（非晶体或多晶体）在温度升高时形状不变，说明固体在各方向上膨胀规律相同。因此可以用一个方向上的线膨胀规律来表现它的体膨胀。线膨胀系数定义——温度每升高1℃，某方向上的长度增量ΔL与室温下（严格些应是0℃时）同方向上的长度L0之比，即0/ltl差动结构（2个应变片）——电桥（相邻桥臂）——实现：温度补偿，输出电压灵敏度↑1倍。电桥结构（4个应变片）——电桥（4个桥臂）——温度补偿，电压灵敏度↑2倍。温度补偿方法粘贴位置防止受被测介质污染、氧化、腐蚀，贴在弹性元件不和被测介质接触的一面。方法：分析膜片上的应变分布状况！应变片分布设计？膜片受压受拉x0.58rr14(),RR压缩t23,RR（拉伸）压力作用前，无应变：EU0R1R2R3R4I1I2RRRRR4321压力作用后：421RREI312RREI3114221221RRERRRERRIRIUo))((31424132RRRRRRRREUoEU0R1R2R3R4I1I2压力作用前))((31424132RRRRRRRREUoRRRR32RRRR41))(()()(22RRRRRRRRRRRREUoERRUoEU0R1R2R3R4I1I2压力大小RR压力作用后弹性膜片金属电阻丝应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，上表面受到拉伸，下表面受到压缩。所以上表面电阻阻值变大，下表面电阻阻值变小举例：用电阻应变片制作电子秤举例：用电阻应变片制作电子秤应变片的结构示意图1敏感栅2引线3粘结剂4盖层5基底举例：用电阻应变片制作电子秤分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓单臂、半桥或全桥）,以电压表为平衡检测器。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。)(oUfm——线性关系优点：金属丝或箔式应变片性能稳定，精确度高，已得到广泛应用。缺点：灵敏度系数较小（2.4~2.6），对粘贴工艺要求严格。金属电阻丝应变片式传感器的特点（2）半导体压阻式传感器4.4.1电阻应变式压力变送器SlRSSllRR21RR为材料的泊松比。为应变；lllldd半导体材料RR（2）半导体压阻式传感器4.4.1电阻应变式压力变送器半导体材料RR电阻率的相对变化量E111——压阻系数；——应变值；E——半导体材料的弹性模量；ERRK1/灵敏度系数半导体材料的1、E、K均为各向异性。4.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数①晶向和晶面表示方法011011名称晶面晶向ABCD（100）100ADGF（110）110AFH（111）111BCHE（）4.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数②压阻系数ttllRR——纵向应力；——横向应力；——纵向压阻系数；——横向压阻系数。tltl4.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数②压阻系数独立的正应力正应力1441125522366332131166334455224.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数②压阻系数独立的剪应力剪应力432114234.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数②压阻系数剪应力423325133162112正应力111222333654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654321②压阻系数RR正应力剪应力4.4.1电阻应变式压力变送器（3）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数②压阻系数654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211654