化工测量及仪表第3章

第3章压力测量化学工业出版社本章要点压力的定义和表示弹性元件和弹性压力计电阻（应变）式压力计电容式压力计电感式压力计霍尔式压力计其他常见的压力测量方法压力仪表的选用原则3.1压力检测概述3.1.1压力定义及单位3.1.2压力的几种表示方法3.1.1压力定义及单位压力定义压力的单位工程上的压力定义是垂直而均匀地作用于单位面积上的力。相当于物理上的压强定义。压力的国际标准单位为Pa(帕斯卡)，1Pa的定义是在1m2的面积上有1N（牛顿）的作用力。但是该单位表示的力较小，因此，工程上更多的是使用kPa(千帕斯卡/千帕)或MPa（兆帕斯卡/兆帕）作为压力表示单位。3.1.2压力的几种表示方法表压力与真空度：表压力与真空度：绝对压力绝对压力：：被测量压力与真空的差值称为绝对压力。被测量压力与真空的差值称为绝对压力。被测压力大于大气压力时，称被测压力与大气压力差值被测压力大于大气压力时，称被测压力与大气压力差值为表压力，当被测压力小于大气压力时，称其差值为真空度为表压力，当被测压力小于大气压力时，称其差值为真空度或负压。或负压。3.2弹性压力计3.2.1弹性元件3.2.2弹性元件在压力测量中的应用3.2.1弹性元件弹性元件的测量原理CXF当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件受到其轴向外力的作用，产生弹性形变，形成拉伸或压缩的位移信号，在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：式中F——轴向外力X——弹性元件的位移C——弹性元件的刚度系数根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。3.2.1弹性元件弹性元件种类和特性常用的弹性元件类型有膜片、弹簧管、波纹管等类型，可将压力信号转换为位移信号。膜片和膜盒弹簧管波纹管3.2.1弹性元件弹性元件种类和特性膜片主要用于低压的测量，压力增大时，膜片圆心处的硬心会产生直线位移。在压力测量中，常用两片膜片沿周边对焊起来，组成膜盒结构。膜片可直接带动传动机构就地显示，但由于膜片的位移较小，灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。波纹管在管内压力增大时，侧壁上的褶皱曲率变化，产生自由端的水平位移，由于波纹管的位移相对较大，一般可直接带动传动机构，就地显示。其优点是灵敏度高，但波纹管迟滞误差较大，其输出的水平位移比弹簧管大，但位移和压力的线性度不如弹簧管。弹簧管又称波登管，管的横截面为椭圆形，当管内压力变大时，椭圆截面在压力作用下趋向于圆形，使整个弯管曲率发生变化，其自由端产生向外的位移，在位移量不大时，可近似的看作直线运动，且位移大小与压力近似成正比。弹簧管还有多圈的盘状或螺旋状的结构，可以增大输出的位移量。常见的弹性元件位移输出和压力信号的关系如表3-2-2所示。3.2.2弹性元件在压力测量中的应用弹簧管压力表实物示例被测压力由接头9引入，迫使弹簧管1的自由端B向右上方扩张移动。自由端B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3做逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4带动而做顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大倍数)，可以实现压力表量程的调整。3.2.2弹性元件在压力测量中的应用压力变送器结构原理如图所示，由测量和转换两部分组成。测量部分包括测量室、测量元件(膜片或膜盒)、主杠杆；转换部分包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器、调零装置及放大器。3.2.2弹性元件在压力测量中的应用压力变送器如图所示。矢量机构把主杠杆水平方向的力Fl分解为垂直方向的力F2和矢量角方向的力F3，其中分力F2则作用于副杠杆上，其值等于Fltgθ。副杠杆以M点为支点，将F2传递到反馈动圈12处，形成作用力F4，它与反馈动圈在磁场中所受到的反馈力Ff相比较其差值ΔF使副杠杆绕M点偏转，这使得固定在副杠抨上的位移检测片8与差动变压器9之间的距离改变Δx，引起差动变压器输出的变化Δu，经放大器放大并转换成4~20mADC标准信号I0，作为变送器的输出信号；I0同时又作为反馈电流经反馈动圈，产生电磁反馈力Ff，使副杠杆作相反方向的偏转。当输入力与反馈力对杠杆系统所产生的力矩达到平衡时，Ff=F4，变送器重新达到一个新的稳定状态。此时，变送器输出电流I0与被测信号Δp成正比。3.3电阻式压力计3.3.1应变效应和压阻效应的原理3.3.2金属应变片与应变式压力传感器3.3.3压阻元件和压阻式压力传感器3.3.4电阻信号的测量电路3.3电阻式压力计电阻式压力计利用传感器将弹性元件受压力影响产生的形变转换为电阻信号，再利用对电阻信号的转换处理获得被测的压力值。常用的传感器有金属应变片和半导体硅杯，以这类传感器的工作原理是应变效应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产微小形变的同时，其电阻值也会发生变化，以金属应变片或硅杯作为传感元件制造的压力计分别称为应变式压力计和压阻式压力计。应变式压力传感器3.3.1应变效应和压阻效应的原理金属导体的应变效应ALR金属导体的电阻可以表示为：式中：ρ—电阻率L—导体长度A—导体横截面积对于一根圆截面的金属电阻丝，当受到轴向外力F作用后，电阻丝的长度伸长了dL，截面积缩小了dA，电阻率的变化为dρ，电阻的相对变化量则为：AALLRRddddALR3.3.1应变效应和压阻效应的原理金属导体的应变效应因为圆截面的电阻丝A=πD2/4，故可以得出DDAAd2dLLDDdd式中μ—材料的泊松系数dL／L—金属电阻丝的轴向应变。dd)21(dLLRR电阻的相对变化量忽略电阻率变化影响KRR)21(d)21(d式中D——电阻丝直径。又根据材料力学可知：3.3.1应变效应和压阻效应的原理半导体的压阻效应半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为AALLRRdddd对于半导体材料而言，因为半导体材料几何尺寸对电阻的变化率影响很小，故上式的后两项可以忽略不计，也就是说，半导体电阻的变化率主要是由dρ／ρ引起的，这一现象也称为压阻效应。对于半导体单晶在沿纵向受力时，电阻率的变化为：Edπ—半导体材料的压阻系数；E—材料的弹性模量：—纵向应变。所以应变引起的电阻变化率为KERRd式中K=πE，称为半导体灵敏系数3.3.2金属应变片与应变式压力传感器应变片结构利用金属材料的应变效应，可将形变转换为电阻变化，工程上使用的传感器的传感器称为金属应变片，简称应变片，它是利用极细的金属丝附着在绝缘的薄片上制造而成的。应变片使用时有方向性，测量时应变方向应该与敏感栅的轴向（纵向）一致，这样才能产生较大的信号输出，如果应变方向垂直于敏感栅的轴向，应变片产生的电阻变化非常微小，无法测量。纵向（轴向）横向3.3.2金属应变片与应变式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器的结构有许多种形式，现仅以应变筒的结构为例介绍其测压原理。如图所示，应变筒1的上端与外壳2固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片应变片R1和R2分别用粘合剂粘贴在应变筒的外壁上。Rl沿应变筒的径向贴放，R2沿应变筒的轴向贴放，要求应变片与筒体之间不会发生滑动现象，并且保持电气绝缘。当被测压力p作用于不锈钢膜片3上而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片R2，产生轴向压缩应变，其阻值变小；而应变筒在受到轴向压缩变形的同时，径向产生拉伸变形，那么沿着径向贴放的应变片Rl将引起拉伸应变，其阻值增大。利用两个应变片，结合固定电阻构成直流惠斯登电桥，可将应变片的电阻变化转换为与之成正比的直流电压信号进行远传和标准化处理。3.3.3压阻元件和压阻式压力传感器压阻元件利用半导体材料制造的应变-电阻转换元件称为压阻元件，硅杯膜片是较为常见一种压阻元件，它是在一个周边固定的弹性膜片上面扩散有硅应变电阻的硅膜片。形状有圆形、方形和矩形等。在波纹膜片上的不同位置，在受到压力影响产生形变时，会产生不同的变化趋势，R1、R4应变片位置产生的应变方向与R2、R3应变片位置的应变方向相反，而变化量相同，利用这一特点，可以选用不同数量的应变片组成测量桥路，以改善传感器的特性。3.3.3压阻元件和压阻式压力传感器压阻式压力传感器低压腔低压腔高压腔高压腔压阻式压力传感器主要由压阻芯片和外壳组成。如图所示为典型的压阻式压力传感器的结构原理图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内，硅膜片上的扩散电阻接成电桥形式，用引线引出。构成全桥的四片电阻条中，有两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，彼此的位置相互对称于膜片中心。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常是小管和大气相通。3.3.4电阻信号的测量电路测量电路的作用无论是应变式压力传感器还是压阻式压力传感器，产生的电阻信号需进一步转换为电压或电流信号，以便于进行测量信号的远传和处理。常用的方法是采用直流或交流电桥，将电阻变化转换为电压信号，提高了测量的精度和灵敏度，减少环境因素带来的测量误差。3.3.4电阻信号的测量电路应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素是由于材料的电阻温度特性和受温度影响产生的热胀冷缩现象。(1)电阻温度系数的影响金属电阻丝多采用铜材料，其阻值随温度变化的关系可用下式表示：式中：R0——温度为t0℃时的电阻值；Rt——温度为t℃时的电阻值；α0——金属丝的电阻温度系数；t——温度变化值，t=t-t0半导体材料制造的压阻元件，其阻值同样会受到温度的影响，所以当温度变化时，应变式传感器的电阻会随着温度的变化发生改变，产生附加的误差。)1(00ttRR3.3.4电阻信号的测量电路应变片的温度误差(2)弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响应变片使用时必须和可产生形变的弹性构件粘贴在一起。当弹性构件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当弹性构件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。当二者粘贴在一起时，由于受温度变化t影响产生的变形不同，电阻丝产生的附加电阻变化RL为tRKRKR)(Sg00β00L式中K0为与材料有关的固定系数，R0为应变片的初始阻值。设电阻丝和弹性构件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为S和g。3.3.4电阻信号的测量电路应变片的温度误差由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：βS和βg分别为应变片和弹性构件的线膨胀系数，α0为电阻丝材料的温度系数。由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数以及弹性构件线膨胀系数有关。为了避免环境温度对测量的影响，需要在进行应变片信号转换时，通过测量电路进行温度补偿，以减小环境温度带来的系统误差。ttKtKtRRRRR)]([)(Sg00Sg000Lt0(2)弹性构件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3.3.4电阻信号的测量电路测量桥路应变式传感器电阻信号的处理多采用不平衡电桥电路。电桥有直流电桥与交流电桥之分。如果采用正弦波电压对电桥供电，这种电桥称为交流电桥；如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。交流电桥易受传输线分布电容的影响，调平衡困难，通频带较窄，因此传输电缆不宜过长。随着集成电路技术的进步，各种低噪声；低漂移、高效益、高精度、高共模抑制比的运算放大器不断出现，专用信号处理电路模块和高精度的直流电源模块也相继制造成功，直流电桥的应用越来越多。这种新型直流电桥电路的最大优点是频率响应特性好、精度高、不需繁琐地调平衡，允许使用的传感器电缆引线长度远大于交流电桥允许的引线长度。采用直流电桥及相应的二次仪表，比采用