第3.1章_压力检测方法及仪表60页

化工仪表及自动化昆明理工大学杨彪2010~2011学年下第三章检测仪表及传感器18:11:17昆明理工大学知识结构第5章自动控制仪表第6章执行器第2章过程特性第3章检测仪表与传感器第4章显示仪表第1章自动控制系统基本概念第7章简单控制系统第8章复杂控制系统第9章新型控制系统第10章计算机控制系统18:11:18昆明理工大学压力检测方法及仪表本章内容物位检测方法及仪表流量检测方法及仪表温度检测方法及仪表数字式显示记录仪表18:11:18昆明理工大学第二节压力检测方法及仪表第三章检测仪表与传感器18:11:18昆明理工大学压力检测方法液柱测压法弹性变形法电测压力法压力检测仪表弹簧管压力表霍尔式压力表差压（压力）变送器力平衡式压力变送器微位移式变送器智能差压（压力）变送器主要内容18:11:18昆明理工大学压力的基本概念垂直而均匀地作用在单位面积上的力式中Ｐ——压力（Pa）Ｆ——均匀垂直作用力（N）Ｓ——受力面积（m2）SF1Pa=1*10-3KPa=1*10-6MPa单位:牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”18:11:18昆明理工大学压力的几种表示形式被测压力通常可表示为绝对压力、表压、负压（或真空度）表压（正压）绝对压力的零线大气压力线绝对压力绝对压力真空度18:11:18昆明理工大学液柱测压法根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量hh12211p1p2h2P0h1h211p200常用的压力表有U形管压力表、单管压力表、斜管压力表和活塞式压力表等。测量原理18:11:18昆明理工大学弹性变形法将被测压力转换成弹性元件变形的位移测量原理P弹簧管式弹性元件P膜片式弹性元件18:11:18昆明理工大学当弹性元件在轴向受到外力作用时，就会产生拉伸或压缩位移，即CSF式中F——轴向外力S——位移C——弹性元件的刚度系数APF式中A——弹性元件承受压力的有效面积P——被测压力PCAS测量原理S~P18:11:18昆明理工大学弹性元件结构和特点18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性元件——弹性形变•I/O•广义的力—广义的位移常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件真空膜合18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件•220V供电•动态性能18:11:17昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性常用的弹性敏感元件18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性柔度（灵敏度）刚度刚度与测量dFdxSdxdFK18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性弹性滞后•迟滞迟滞误差18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性弹性后效18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性弹性后效18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性弹性后效与蠕变18:11:19昆明理工大学弹性敏感元件的一般特性弹性敏感元件的一般特性弹性材料的机械品质因素CSEEQ218:11:18昆明理工大学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18:11:18昆明理工大学电测压力法利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。测量原理1.弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等；2.非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。18:11:18昆明理工大学电测压力法电容式测压原理采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的dC定极板弹性元件动极板被测压力测量原理ε——电容器极板间绝缘介质的介电常数，F/mA——电容器两平行板覆盖的面积，m2d——两平行板之间的距离，mC——电容量，F18:11:17昆明理工大学电容式压力传感器——典型的电容式压力传感器——硅微机械电容式压力传感器（MEMS）18:11:17昆明理工大学典型电容式压力传感器-—基于圆膜片的位移特性18:11:17昆明理工大学电容式压力传感器—原理18:11:17昆明理工大学电容式压力传感器—设计圆平膜片几何结构参数的设计•圆平膜片的半径与厚度•圆平膜片的边界隔离部分固定极板的设计输出电路18:11:17昆明理工大学电容式压力传感器—输出电路差动电桥的实现非线性特性的影响18:11:17昆明理工大学硅微机械电容式压力传感器(MEMS)敏感结构与工作原理-—基于方膜片的位移特性18:11:17昆明理工大学方膜片的位移特性18:11:17昆明理工大学方膜片的位移特性(上表面)18:11:18昆明理工大学电测压力法压电式测压原理根据“压电效应”把被测压力变换为电信号的。（a）单晶体（b）剖面图（c）X截割的石英片xxxAKPQ受力面积作用在受力面积上的压力压电常数电荷数18:11:18昆明理工大学电测压力法应变片式测压原理l543211—敏感栅2—基片3—粘合剂4—引线5—覆盖片llKRR敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝基底绝缘覆盖层保护位移、力、力矩、加速度、压力应变弹性敏感元件外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片组成18:11:18昆明理工大学压力检测仪表霍尔式压力表霍尔式压力表属于电气式压力表。测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔片：是一种半导体或化合物半导体转换元件。霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电流I，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差VH，此电位差称为霍尔电势。线性非均匀磁场IBKVHH18:11:18昆明理工大学压力检测仪表霍尔式压力表弹簧管霍尔片KxVHK——霍尔式压力传感器输出系数χ——自由端霍尔元件的位移量磁钢霍尔片+弹簧管18:11:18昆明理工大学电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）差压（压力）变送器作用：将各种物理量转换成统一的标准信号差压变送器力平衡式变送器位移平衡式变送器气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）DDZ-Ⅱ型仪表为0～10mADCDDZ-Ⅲ型仪表为4～20mADC20～100KPa18:11:18昆明理工大学压力检测仪表力平衡式压力变送器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—放大器16—反馈动圈17—永久磁钢18—电源19—负载20—调零弹簧测量机构杠杆机构检测放大机构反馈机构18:11:18昆明理工大学压力检测仪表主杠杆211lFlFMiiPAFi矢量机构将F1分解成F2和F3，tgFF12tgPAllFi212副杠杆平衡：ffLFlFlF00320IKFff002310FKllPKllAtgllIffffl1l4l3l0lfl2F1F3F2FfF0HMFi5481214θθ18:11:18昆明理工大学压力检测仪表微位移式变送器I0（1）测量部分测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等.测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化。填充液（硅油）固定电极可动电极P1转换放大单元P2电容式压力传感器隔离膜片18:11:18昆明理工大学压力检测仪表智能差压（压力）变送器在普通压力传感器上增加微处理器,其特点：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：组成：传感膜头：被测压力---A/D转换----数字信号电子线路板：对信号进行修正，线性化处理---D/A转换--4～20mA信号18:11:18昆明理工大学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18:11:18昆明理工大学压力测量仪表的选用•仪表种类和型号的选择工艺要求现场指示、远传指示、自动记录、自动调节或信号报警介质性质温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性现场环境温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性•仪表量程的确定化工自控设计技术规定被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；被测压力波动较大的情况，最大压力值应不超过满量程的1/2被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3•仪表精度等级的选择18:11:18昆明理工大学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）。例题解空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力PaPP322162max根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～40MPa。31405.13PaPa检验量程下限被测压力的最小值不低于满量程的1/3，符合要求。仪表量程选择最大引用误差%2%100408.0所以选择测量范围为0～40Mpa，精度等级为1.5级的YX-150型电接点压力表。18:11:18昆明理工大学18:11:17昆明理工大学第4.1节电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器如图所示，其中定板1和动板2当动板2移动，改变间距，从而改变了电容量C)1()(6.3000空气介电常数初始：rPFdSdSC0d18:11:17昆明理工大学第4.1节电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器当变化一个cddd，产生一个时)(0010000001ddCddddSddScCC则00001ddddCCCc那么级数展开100000)1(1ddddddddCc忽略高次项))(1(20000ddddddCc18:11:17昆明理工大学第4.1节电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器结论：上述表明:在非线性误差灵敏度：00ddCc之间近似线性与条件下dcdd10的检测。，显然适用于微小位移则有关，如果其大小与%10~%21.0~02.0%100)(%100)(000020dddddddddd000dCdcK18:11:17昆明理工大学第4.1节电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器结论：灵敏度：显然越小，灵敏度越高。但是非线