3压力检测仪表

3压力检测仪表压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。内容安排：3.1概述3.2液柱式压力计3.3弹性式压力计3.4压力传感器3.5差压变送器3.6压力仪表的选用3.1概述垂直作用在单位面积上的力称压力。在国际单位制（SI）和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。21222kgm1Pa1N/m11kgmsms过去采用的压力单位“工程大气压力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大气压”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa1bar=105Pa1PSI=6.89×103Pa详见表3-13.1.1压力的概念及单位3.1.2压力表示方式绝对压力PJ大气压力PD表压力PBPB=PJ－PD真空度PZ（负压）PZ＝PD－PJ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3.1.3压力检测方法1.弹性力平衡法：利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。将压力转换成位移，测出形变位移的大小就可以测出被测压力。如：弹簧管压力计、波纹管压力计。2.重力平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力。如：U型管压力计、活塞压力计3.机械力平衡法：将被测压力经变换元件转移成一个集中的力，用外力与之平衡，通过测外力的大小得到被测压力。如：压力变送器。4.电气法：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。如压电式、应变片式、电容式、光纤式压力计。3.2液柱式压力计利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度。缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。•U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)提高工作液密度将增加压力的测量范围，但灵敏度要降低。•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•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。•液柱式压力计的测量误差及其修正1.环境温度变化2.重力加速度变化3.毛细管现象t0t0hh1ttng10.00265cos2g2H1Bnnghhg3.3弹性式压力计用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传。它结构简单，价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。3.3.1弹性元件上图给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图所示。管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由B移至B′，而产生位移，输入压力越大，位移越大。3.3.2弹簧管压力表弹簧管压力表：结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽可测负压、微压、低压、中压和高压精度有0.5、1.0、1.5、2.5等3.4.1霍尔式压力传感器测压原理：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。IBKVHH3.4压力传感器弹簧管KxUH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+弹簧管磁场由一对特殊几何形状的马蹄型磁钢产生。右侧磁场方向向下，左侧向上，大小相等方向相反，构成差动磁场。当霍尔片处于中心平衡位置时，因磁通大小相等方向相反，且对称，所以霍尔电势代数和为零。当弹簧管自由段带动霍尔片偏离平衡位置时，产生电势的代数和不为零。完成位移-电势转换。压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广3.4.2压电式压力传感器测量范围：0～70MPa应用：加速度、压力等3.4.3电容式压力传感器压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用基成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。3.4.4压阻式压力传感器优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好。缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。作用:(1)变送：将被测参数成比例转换成标准统一信号，并能将信号一定距离远传。(2)可调量程：同一参数的不同范围转换为成比例的统一信号。3.5差压变送器测压原理:是利用转换元件将压力变化转换成电容变化，再通过检测电容的方法来测量压力的。特点：结构简单（小型化、轻量化）、性能稳定、可靠，具有较高的精度。3.5.1电容式压力变送器差动平板电容器的工作原理:差动平板电容器共有三个极板，其中中间一个电极板为活动电极板，两端为固定电极板。电容器在初始状态下，活动极板正好位于两固定电极板的中间，如图(a)所示。此时上下两个电容容量完全相等，其差值为零。而每个电容的容量为当受到外界作用，使中间的活动电极板产生一个微小的位移后，如图(b)所示。≈感压膜片差动电容电容-电流转换电路放大和输出限制电路反馈电路调零、迁移信号＋－反馈信号iPS2121iiiiCCCC21II0I变送器构成方框图变送器构成方框图电容式压力传感器11110iAACSSS22220iAACSSS2100221000[1/()1/()][1/()1/()]iiiiCCASSSSSKSCCASSSSS1iSKP2121221iiiiiCCKSKKPCC结论：1212iiiiCCCC(1)相对变化值与被测差压成线性关系。iP(2)与介电常数无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)与有关。愈小，灵敏度越高。0S0S扩散硅压力变送器属应变式压力变送器。它是基于电阻应变原理测量压力的。当电阻体在外力作用下，产生机械变形时，其电阻值也将随之发生变化。这种现象称之为电阻应变效应。通过对电阻变化量的检测，即可得知其受力情况。扩散硅压力变送器检测部件的原理结构如图(a)所示。它的感压元件叫做扩散硅应变片。其电阻布置如图(b)所示、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。3.5.2扩散硅压力变送器硅杯设计时，取R1=R2=R3=R4=R，所以此时桥路平衡时，当压力为零时，桥路输出为U=0当外界有压力时，由于四个电阻的位置经过精确选择，使得电阻变化量相等，即：△R1=△R2=△R3=△R4=△R这时桥路失去平衡输出电压信号为：上式表明桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。这个信号再经放大和转换，变成4~20mA直流电流信号作为显示和调节仪表的输入。RUERPKRUUSZS41SWURRRU)21(1580119010RUI3.5.3智能型压力变送器为适应现场总线控制系统的要求，近年来出现了采用微处理器和先进传感器技术的智能变送器，有智能温度变送器、智能压力变送器、智能差压变送器等。智能变送器可以输出数字和模拟两种信号，其精度、稳定性和可靠性均比模拟式变送器优越，并且可以通过现场总线网络与上位计算机相连。智能变送器具有以下特点：①测量精度高;②具有较宽的零点迁移范围和较大的量程比；其量程范围为100:1；③具有温度、静压补偿功能（差压变送器）和非线性校正能力（温度变送器），以保证仪表精度；④具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数据通讯；⑤通过手持通信器（手持终端）能对1500m之内的现场变送器进行遥控操作。对现场变送器进行各种工作参数的设定，远程组态调零、调量程和自诊断，维护和使用十分方便。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3.6压力检测仪表的选用3.6.1压力检测仪表的选择3.6.1.1仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3；被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的1/2；为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3；优先满足最大工作压力条件。3.6.1.2仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。3.6.1.3仪表类型的选择从被测介质压力大小来考虑被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境3.6.2压力表的安装3.6.2.1取压口的选择测管道静压应该避开压力扰动处、保证测量管路内为单相流体。开孔：压力稳定处，即不要有阀，弯头等阻力件。方位：液体在管道下方45度区域取压，气体在管道上方。导压管是传递压力、压差信号的。1、内径一般6~10mm，长度尽可能短，最长50m。减少压力指示迟缓。2、导压管水平安装应保证有一定角度。以便积存的液体、气体排出。3、取压口和压力计之间要有切断阀。以备检修。3.6.2.2导压管的铺设3.6.2.3压力、压差计的安装3.6.3压力仪表的校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有0.02、0.05和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为60MPa。压力发生部分测量部分