《压力测量》PPT课件

学习要求掌握流体稳态压力测量的基本原理、弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、调整及使用方法，智能型压力变送器。第三章压力测量及仪表3.1压力的概念及单位一、压力的定义1、法向压力而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向无关，即某点各方向上的压力相等。(各向同性,静压))/(lim0dAdFpdA单位名称符号与Pa换算关系工程大气压kgf/cm21kgf/cm2=9.81×104Pa毫米汞柱mmHg1mmHg=1.33×102Pa毫米水柱mmH2O1mmH2O=9.81Pa表3-1压力单位换算表二、压力分类1.从测量的角度分：静定压力(稳态压力)、变动压力、脉动压力2.按测量的方法分：绝对压力(abs)，表压力(G),差压力3.按信号转换原理分1．液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管等。2．弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。3．电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电压等。4．活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪表进行检定，例如压力校验台等。3.2.液柱式压力计一、液柱式压力计应用流体静力学知识，通过液柱高与压力的关系设计而成，基本原理比较简单。12121221122)(ghphhghhhgpppamb时当%1.0,6.311)(1221221121误差dDghDdghDdhhghhgpppamb单管式压力计问题：与直管式比较，斜管式微压计的优点是什么？lKAAglpppAAlhlhhhgpppambamb21212121sin,sin)(零平衡微压计（补偿微压计）图3-5零平衡微压计结构示意图量程有0~120，0~150，0~250mmH2O三种，基本精度为±0.12mmH2O，若是标准压力计，基本精度为±0.06mmH2O。3.3弹性式压力计利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。MPa101.03xApFKxFxpKAKFx一、弹性元件弹性膜片（膜盒）波纹管2222211ΔKabbhREPμ、Ｅ——弹簧管的泊松系数和弹性模量h——弹簧管的壁厚Ｋ——弹簧管的几何参数Ｒh／a2α、β——与a和b有关的参数弹簧管二、常用弹性式压力计1．膜片式压力计可用于测量对铜和钢及其合金有腐蚀作用或粘度较大介质的压力或真空度（采用不锈钢膜片）。若采用敞开式法兰结构或隔膜式结构，可用于测量高粘度、易结晶或高温介质的压力或真空度。膜片式压力计的测量范围一般为0~5.88×106Pa，精度为2.5级。2、膜盒式压力计膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。膜盒式压力计的测量范围为150~40000Pa，精度一般为2.5级，较高的可达1.5级。3．波纹管压力计双波纹管差压表就是一种机械位移变换就地显示压差的波纹管压力计，它主要作为流量和水位等测量的中间变换或显示仪表。由于波纹管在轴向容易变形，所以灵敏度较高，在测量低压时它比弹簧管和膜片灵敏得多。其缺点是迟滞值太大4．弹簧管压力计弹簧管压力计主要由感压元件弹簧管、齿轮机械传动放大机构、指针标尺等部分构成，弹簧管压力计分为普通型压力计、精密压力计、密封型压力计、充油型压力计、差压计、双针型压力计等。5、电接点压力计•电接点压力计测量工作原理和弹簧压力计相同。•报警信号可以显示、连接继电器联锁，但不能远距离传送。3.4电气式压力测量电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。电气式压力测量方法有电位器式、应变式、电感式、电容式、压电式、压阻式、压磁式、霍尔效应式、振弦式、光纤式。3.4.1电位器式压力测量电位器式压力测量的原理是把被测压力信号转换成电位器电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受压力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性元件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。对于电位器电阻值的测量，常采用不平衡电桥测量法或恒流源测量法一.应变式压力传感器1、基本思路压力作用电阻材料与受力材料同时变形电阻阻值变化电桥失衡比较得压力值输出电压变化关键在于:材料变形与压力的关系3.4.2应变式压力测量电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。2、基本原理：•应变片应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变推算出应力值。LLRRddKRRdK—应变片的灵敏系数AlρRdAAρldlAρdρAldR2全微分相对变化量AdAldlρdρRdRldlμrdrldl2μSdSπFρdρldlEEεFldlπEρdρεkεπE2μ1ldl2μldlldlπERdR1rdrrrdrAdA222x2pkεxxkppkkRR21d二、应变片结构及性能金属应变片半导体压阻片三．应变片的温度误差及补偿（1）线路补偿法（2）温度自补偿法•应变片的温度补偿四．应变式压力传感器应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。五、固态压力传感器固态压力传感器采用半导体应变式压力测量原理，其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。硅杯的结构有C型和E型等，其中C型适用于压力传感器，E型适用于测量静压力。六、应变测量中的电桥电路•将应变片作为R1接在电路中，调整其他电阻阻值，使电桥平衡。•当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出211RREI432RREIu0432132413211RRRRRRRRRIRIEBD电桥平衡条件3241RRRR1RuADABEEuERRRERRRRR43312111RRRRR4321ERRRu1122ERRRu112211RRKEERRu4141半桥接法:相邻的两个桥臂，一个受拉,一个受压uKE21全桥接法:R1,R4增加，R2和R3减小uKE3.4.3.电感式压力传感器1、结构和工作原理MRWL2Sμ2δSμlRRR0iiigFM2δSμWLRR02gF2．自感式压力传感器图3-21自感式压力传感器原理结构图按照传感器敏感元件结构形式的不同，可分为变气隙、变截面和螺管式三种，其中螺管式量程最大，虽然灵敏度低，但结构简单、便于制作，因而应用比较广泛。下面以螺管式压差传感器为例，简要介绍自感式压力传感器的工作原理。螺管式压差测量原理结构如图3．互感式压力传感器图3-23差动变压器式压力传感器原理结构图1—初级线圈2、3—次级线圈4—衔铁5—骨架变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++dSS,d或ε发生变化时，都会引起电容的变化。S3.6Cd3.4.4.电容式压力传感器一)极距δ变化型++++++S3.6Cdb)面积变化型1角位移型+++S3.6Cd2平面线位移型3柱面线位移型。S3.6Cdc)介质变化型S3.6Cd电容式压力传感器分析举例(1)改变两极板的距离02.0~01.0dd%30dd输出的非线性失真不超过1%,灵敏度提高一倍!当(2)改变两极板间有效工作面积当极板受被测机械量作用移动后，两极板间电容量的变化为:X0CCC?dXbdbadXabdbXCK(3)改变介电常数两极板的宽度为d1LC?介电常数：空气１.00054，硅油2.7,水80,陶瓷103～４4.1151系列电容式压力传感器%30dd3.4.5压电式压力传感器1、基本原理压力作用晶体产生电荷产生电压或电流特点：频率响应特性好，电荷不持久xxxApkq切片产生的电菏与尺寸无关yxyApbakq切片产生的电菏与尺寸有关压电陶瓷的压电特性及测压原理xzxApkq感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出线、绝缘套管等组成。2、压电式压力传感器结构3、压电式压力传感器测量电路输出电荷的充要条件：外电路负载无穷大内部无漏电电压放大器或电荷放大器电路什么是电荷放大器？一种具有电容负反馈的输入阻抗非常高的高增益运算放大器～0ufCKiuQCacabpzCCCCfC反馈电容0uuCQifffcQQQiKuu000uCKCCuuCuQffii)(510KfCQu0活塞式压电压力传感器3.4.6压阻式压力传测量1.基本原理:材料的电阻值随压力变化而变化。如:半导体、铂、锰、康铜和钨等材料。xKRPR2.优点:结构简单、体积小、稳定性好、动态响应快、耐振耐冲击、精度高、线性度好，是传感器的主流产品。MPM380型压阻式压力传感器压阻式压力变送器接流体接输出信号可显示的压阻式压力变送器微型压阻式压力变送器3.4.7.压磁式压力传感器图3-30压磁式压力传感器结构示意图1—外壳2—弹性膜3—线圈4—铁芯被测压力通过感压弹性膜片2传递给由坡莫合金制成的铁芯4，铁芯在压力作用下，其磁导率发生改变，从而引起线圈3阻抗变化。显然，线圈阻抗变化与被测压力有关。3.4.8霍尔效应压力传感器1.基本原理:某些金属或半导体片两端通以电流,并在薄片的垂直方向加上磁场B,则会在垂直于电流和磁场平面的方向产生一个电动势。IBKdBIRUHHHHR——霍尔系数，由载流材料的物理性质所决定。HK霍尔元件的灵敏度系数，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关——KxUH为了保证霍尔传感器输出的霍尔电势与位移成单值函数关系，必须满足两个条件。A.供给霍尔元件以恒定的工作电流。一般采用桥式整流、稳压的晶体管恒流源供电。B.磁感应强度应线性变化，即磁场梯度均匀。常采用将磁钢的磁极片设计成特殊形状的方法。2.优点:结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显示结果、可以远距离输送。3.缺点:控制电流必须恒定,容易受温度影响。3.5压力测量与压力仪表校验3.5.1活塞式压力计活塞式压力计能达到的准确度等级有0.02、0.05和0.2级三种，可分别用来校验0.25级精密压力表、各种工业级压力计和传感器等，校验压力最高值有0.6、6、60MPa三种。活塞式压力计是利用静力平衡原理工作的，由压力发生系统和活塞测量系统两部分组成，3.5.2静态标定在被测压力稳定时，确定测量系统的输出输入量之间的关系。液柱式压力计的标定3.5.3.压力仪表校验1．正压仪表校验①按图3－30安装好仪表。②关闭切断阀a、b、c，开启进油阀d，并将手摇泵丝杆全部旋出泵外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀d，开启切断阀a、b、c，此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。③均匀增压至量程上限，保持上限压力3分钟；然后均匀降至零压，观察整个操作过程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。