压力检测

5压力检测Contents5.1压力单位及压力检测方法5.2常用压力检测仪表5.3测压仪表的使用及压力检测系统5.1.1压力的单位定义：垂直均匀地作用在单位面积上的力，用p表示。即物理学中定义的压强。1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。Pa帕斯卡为压力法定单位，还用有千帕（kPa）、兆帕（MPa）其他压力单位有工程大气压、标准大气压、毫米水银柱、毫米水柱等，需进行换算。5.1.2压力的几种表示方法绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力表压力：绝对压力和大气压力之差真空度：绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值称为真空度差压：设备中两处的压力之差实际应用时可通过测差压，间接测量流量、物位bidpppipdpzdippp图示各种压力表示法之间的关系绝对零压力绝对压力大气压力表压力绝对压力负压力(真空度)差压pb=pi-pdpz=pd–pi绝对压力5.1.3压力检测的主要方法及分类重力平衡方法：液柱式压力计：基于液体静力学原理。原理：基于液体静力学原理，被测压力与一定高度的工作液体产生的重力平衡，被测压力可转换成液柱高度。如U形管压力计。特点：(1)基本特点：适用于低压、负压和压力差的测量，上限0.1～0.2MPa；精度达±0.02%～±0.15%，可用作标准仪器；(2)优点：结构简单，价格低；(3)缺点：不易远传，填充液为水银，有毒，且玻璃管易碎.5.1.3压力检测的主要方法及分类重力平衡方法：负荷式压力计原理：基于重力平衡原理。如：活塞压力计，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。特点：(1)基本特点：适用于测量正压、负压和绝对压力，测压上限高,多用作校验仪表；(2)优点：测量范围宽,如单活塞压力计测量范围达0.04～2500MPa、精度高(±0.01%)、性能稳定可靠;(3)缺点：结构复杂，成本较高。5.1.3压力检测的主要方法及分类机械力平衡方法原理：将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量外力得到被测压力。特点：(1)基本特点：多用于电动和气动组合仪表中；(2)优点：可达较高的精度；(3)缺点：结构复杂，成本较高。5.1.3压力检测的主要方法及分类弹性力平衡方法原理：利用弹性元件弹性变形的特性，变形产生的弹性力与被测压力相平衡，测变形即可知压力。弹簧管式压力计、波纹管差压计等。特点：(1)基本特点：可测压力、负压、绝对压力和压差；(2)优点：类型多，应用广。5.1.3压力检测的主要方法及分类物性测量方法原理：在压力作用下，测压元件的某些物理特性会随之发生变化的特性，压阻效应、压电效应。分类电测式压力计压力变成电量，测电量知压力其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等5.2常用压力检测仪表5.2.1弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。弹性压力计的组成框图受力变形位移信号变换显示调整仪表零点和量程5.2.1弹性压力计测压弹性元件工作原理：感受液体或气体的压力或压力差，输出位移1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示，弹性特性具有良好线性关系。2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面金属管，自由端位移单圈弹簧管多圈弹簧管膜片膜盒波纹管测压弹性元件1)种类——弹性膜片、波纹管、弹簧管弹性膜片弹性特性是中心位移与压力的关系。平膜片波纹膜片挠性膜片测力弹簧波纹管弹性特性是封闭端位移与压力在一定的范围内成线性关系。注意：（1）使用应在线性段，可内加螺旋弹簧改善特性（2）用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或压差。测压弹性元件弹簧管弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。单圈弹簧管多圈弹簧管测压弹性元件弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动指针角位移。其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。2)材料弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。近年来随着新材料的出现和发展，半导体硅材料得到了更多的应用。测压弹性元件结构工作过程接头自由端拉杆扇形齿轮中心齿轮指针偏转指示压力消除两啮合齿轮间隙，减小仪表变差调整仪表机械零点改变机械传动的连接点，调整仪表量程被测压力5.2.1.2弹簧管压力计问题：如何改变仪表灵敏度与量程？特点结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压，应用广泛；精确度可达±0.1级。弹簧管压力计优点：缺点：只能就地指示，是现场直读式仪表。5.2.1.3波纹管差压计结构测量机构包括波纹管（1、10）、量程弹簧组（11）和扭力管（6）等。5.2.1.3波纹管差压计工作过程差压信号低压波纹管自由端带动连杆右移挡板推动摆杆扭力管逆时针偏转芯轴逆时针转显示机构三阀组合作用？补偿波纹管作用？量程弹簧作用？5.2.1.4弹性测压计信号的远传方式弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送。电位器式：结构简单，线性化好，电位器易磨损，可靠性差。霍尔元件式：霍尔效应，通电导体在磁场中产生电动势，在不均匀磁场中运动，输出电势对应位移。结构简单，灵敏度高，寿命长，但易受外部磁场干扰。不均匀磁场霍尔元件式原理：霍尔效应：5.2.1.4弹性测压计信号的远传方式霍尔元件图霍尔效应原理图B霍尔电势VH控制电流I-++-HHVKIB基于半导体材料的霍尔效应，将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出。SN霍尔元件输出的电势正比与磁感应强度，对应于自由端位移，由此得出被测压力值。特点：结构简单、灵敏度高，寿命长。对外部磁场敏感，耐振性差。局部放大图见右图霍尔元件工作原理霍尔开关霍尔传感器5.2.2力平衡式压力计原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基本框图压力位移或力比较输出信号转换最终稳定输出力平衡式压力计工作原理图uCp1、p2差压Fp使杠杆转动，差动电容变换器↑↓，电桥输出电压uC伺服电动机（执行电动机），在控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。uC经放大后，驱动（脉冲信号）伺服电机转动，带动输出轴转动指示杠杆转角的大小；另一方面使螺栓转动，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力Fxs。当Fp的力矩与Fxs的力矩相平衡时，系统重新处于平衡状态。力矩平衡时：输出轴转角（螺栓旋转周数）与压力差p成比例。5.2.3压力传感器检测压力值并提供远传信号的装置。常见形式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式。5.2.3.1应变式压力传感器原理：基于“应变效应”，导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化金属材料的K值约为2~6，半导体材料K值60~180应变元件可做成丝状、片状和体状RkR金属应变片ε为材料的应变大小k为材料的电阻应变系数lRS应变式压力传感器应用各种电子秤吊秤高精度电子汽车衡几种应变式测量的结构示意各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。多应变片起到测量均衡与补偿作用。平行双孔梁传感器5.2.3.2压阻式压力传感器固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为“压阻效应”。是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新型传感器。硅平膜片受压变形eRRe为压阻系数，为应力压阻式压力传感器结构示意图利用桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系1—硅平膜片；2—低压腔；3—高压腔；4—硅杯；5—引线P1P2应力分径向应力σr和切向应力σt，与位置有关，适当安排扩散电阻位置，可以组成差动电桥。测量桥路及温度补偿为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。常设电桥中两个支路的电阻相等（对称互补），即RABC=RADC=2（R+ΔRT）故有因此，电桥的输出为IIIADCABC21TTBDSCRRRIRRRIUU2121USC=IΔR电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关，不受温度的影响。USCR－ΔR+ΔRTACDBR－ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTEI相邻桥臂应力方向相反5.2.3.3电容式压力传感器利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置。测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。电容式传感器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量。电容式传感器应用电容式接近开关电容式指纹传感器差压传感器电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式压力传感器原理Sdε0rSSCddd、S和中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C的变化。通过电容量测量可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。rr两室结构的电容式压力传感器原理原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系为1，4—隔离膜片；2，3—不锈钢基座；5—玻璃绝缘层；6—固定电极；7—弹性膜片；8—引线002dCCdP1P2硅油硅油00Cdd：初始电容值：极板间初始距离：极板距离变化差动平板电容器工作原理d0d0C1C2固定极板固定极板可动极板d0-dd0+dC1C2初始状态：两侧压力相等，可动极板位于中间。则：1200SCCCd测压状态：设右侧压力大于左侧，中间可动极板向左移动△d。则：12000002002()()22SSCCCddddSdddddSddCdd利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=gh投入式水位计5.2.3.4振频式压力传感器原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力变化的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为传感器由振筒组件和激振电路组成。体积小，输出频率信号，精度高，适用气体测量01Pffp振筒式压力传感器结构示意1—激振线圈；2—支柱；3—底座；4—引线；5—外壳；6—振动筒；7—检测线圈；8—压力入口P0f为固有频率，为结构系数振筒式压力传感器的结构示意图特点：适用于气体压力的测量，其体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精度高，且有良好的稳定性。5.2.3.5压电式压力传感器压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，不适应缓慢变化与静态压力。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。5.2.3.5压电式压力传感器压电材料：石英晶体，压电陶瓷，压电半导体，高分子压电材料原理：压电材料受到压力作用时产生电荷，外力去除后电荷消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。qkSpq为电荷量，k为压电常数S为作用面积，p为压力石英晶体压电陶瓷正压电效应（动画显示）逆压电效应（动画显示）压电式压力传感器结构示意1—绝缘体；2—压电元件；3—壳体；4—膜片与壳体接地电荷引出线压电式传感器体积小，结构简单，工作可靠，不需外加电源，测量范围大，精度高。但输出阻抗高，需特殊信号传输线，温度效