2023年HG第三检测仪表与传感器压力检测位图（教学课件）.ppt

1 第二节第二节 压力检测压力检测 一、一、概述概述 二、二、液柱式压力检测液柱式压力检测 三、三、弹性式压力检测弹性式压力检测 四、四、电气式压力检测电气式压力检测 五、五、活塞式压力计活塞式压力计 六、六、压力检测仪表的选用与安装压力检测仪表的选用与安装 2 一、一、概述概述 概念：这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，概念：这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要的即垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要的热工参数之一，为了保证生产的正常运行，必须对压力热工参数之一，为了保证生产的正常运行，必须对压力进行监测和控制。进行监测和控制。例如：在生产过程中各种冶炼炉、加热炉、化学反响炉例如：在生产过程中各种冶炼炉、加热炉、化学反响炉的炉膛压力，烟道压力的测量和控制，不仅是生产过程的炉膛压力，烟道压力的测量和控制，不仅是生产过程必须的，而且对于节约能源、平安生产具有重要意义。必须的，而且对于节约能源、平安生产具有重要意义。1.压力的单位压力的单位 国际单位为帕斯卡，简称帕(Pa)，1Pa=1N/m2，帕所表示的压力较小，工程上常用兆帕(MPa)来表示压力。目前，工程技术部门仍在使用的压力单位还有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。3 压力单位换算表压力单位换算表续续 单 位 帕 Pa(N/m2)巴(bar)毫米水柱mmH2O 标准大气压(stm)工程大气压(kgf/cm2)毫米汞柱(mmHg)磅力/英吋2(lbf/m2)帕 Pa(N/m2)1 110-5 1.019716 10-1 0.9869236 10-5 1.019716 10-5 0.75006 10-2 1.450442 10-4 巴(bar)1105 1 1.019716 104 0.9869236 1.019716 0.75006 103 1.450442 10 毫米水柱(mmH2O)0.980665 10 0.980665 10-4 1 0.9678 10-4 110-4 0.73556 10-1 1.4223 10-3 4 压力单位换算表压力单位换算表 标准大气压(stm)1.01325 105 1.01325 1.033227 104 1 1.0332 0.76103 1.4696 10 工程大气压(kgf/cm2)0.980665 105 0.980665 1104 0.9678 1 0.73556 103 1.422398 10 毫米汞柱(mmHg)1.333224 102 1.333224 10-3 1.35951 10 1.316 10-3 1.35951 10-3 1 1.934 10-2 磅力/英吋2(lbf/m2)0.68049 104 0.68049 10-1 0.70307 103 0.6805 10-1 0.70307 10-1 0.51715 102 1 5 2、压力的表示 p绝 p绝 p表 p真 绝对压力的零线 大气压力线 p表压力=p绝对压力-p大气压力 p真空度=p大气压力-p绝对压力 各种工艺设备和测量仪表通常处于大气之中，本身就承受着大气压力，以后所提到压力，除特别说明外，均指表压力或真空度。任意两个压力p1、p2之差称为差压。6 3、压力检测的主要方法压力检测的主要方法 压力检测通常按敏感元件和转换原理的不同分类。液柱式压力计 弹性式压力计 电气式压力计 活塞式压力计 7 二、二、液柱式压力检测液柱式压力检测 液柱式压力计利用一定高度的液柱对底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来测量压力大小。U型管压力计 0 0 h1 h2 H A A p p0 0 1 常用的工作液体有：水、水银、酒精、四氯化碳等。1、工作原理、工作原理 h 0 0 h0 p p0 单管压力计 h p p0 斜管微压计 8 2、U型管压力计测压原理 0 0 h1 h2 H A A p p0 0 1 A-A等压面平衡方程式为：p+1g(H+h1)=p0+0g(H-h2)+g(h1+h2)假设0=1，那么p=p0+(-0)g(h1+h2)假设0，那么p=p0+g(h1+h2)如果 p0 为当地大气压，即U型管一端直通大气，那么被测表压力为：p表=g(h1+h2)。9 3、U型管压力计误差分析 主要来源如下hp/g 温度误差：标尺长度和工作液密度随环境温度的变化，如水从10C到20C，密度相对变化0.15%。安装误差：有倾斜时如：5的倾斜，偏大0.38%重力加速度误差 传压介质误差：读数误差：管内工作液的毛细作用,如：管内径大于10mm时，单管读数的最大绝对误差一般为1mm。10 4、U型管压力计的特点 特点如下：直观、结构简单、数据可靠、准确度较高；可测表压、差压、负压。量程受液柱高度的限制，一般只能测较低的压力；静压也不能较高玻璃管易损坏；只能现场指示，不能远传。11 三、三、弹性式压力检测弹性式压力检测 12 1 1 膜片膜片 13 2 2 波纹管 波纹管是一种具有等间距同状环形波纹，能沿轴波纹管是一种具有等间距同状环形波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。向伸缩的测压弹性元件。受压力作用位移相对较大，可在顶端直接安装传受压力作用位移相对较大，可在顶端直接安装传动机构带动指针直接读数。动机构带动指针直接读数。灵敏度高，常用于测低压灵敏度高，常用于测低压1.0106Pa；迟滞误差较大，精度一般只能到达迟滞误差较大，精度一般只能到达1.5级。级。位移与压力之间线性关系。位移与压力之间线性关系。P 波纹管 14 3 3 弹簧管 15 2、弹簧管压力表-直读式弹性测压仪表 同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。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、低压或真空度的测量。弹性压力计组成框图弹性压力计组成框图 弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。近来半导体硅材料得到了更多的应用。各种弹性元件组成了多种型式的弹性压力计，它们通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。16 弹簧管压力表 被测压力由接头通入被测压力由接头通入 弹簧管形变弹簧管形变 自由端向右自由端向右上方扩张上方扩张 自由端的位移通自由端的位移通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转转 指针通过同轴中心齿指针通过同轴中心齿轮顺时针偏转轮顺时针偏转 面板刻度面板刻度尺上显示出被测压力大小。尺上显示出被测压力大小。游丝游丝用来克服因扇形齿轮和用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表生的仪表变差变差。直接改变指针套在转动轴上直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的的角度，就可以调整仪表的机械零点。机械零点。弹簧管压力计结构图 1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽 17 弹性式压力计实物图 弹簧管压力表 膜片压力表 膜盒压力表 18 四、四、电气式压力计电气式压力计 电气式压力计是将压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置组成，当传感器输出的电信号被进一步转换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。标准电信号：15VDC，420mADC 或 010mADC 标准气压信号：0.02MPa0.1MPa 主要讲解：霍尔片式压力传感器，应变片式压力传感器，压阻式压力传感器，力矩平衡式压力变送器，电容式压力变送器。19 1、霍尔片式压力传感器 20 1、霍尔片式压力传感器续 片状霍尔元件固定在弹性元件的自由端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中差动磁场。霍尔元件被自由端带动在不均匀磁场中移动时，将感受不同的磁场强度。产生的霍尔电势，即对应于自由端位移，从而给出被测压力值。这种仪表结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。霍尔电势与被测压力线性关系。UH=RH B I =KP 21 2、电容式压力传感器 平行板电容器的电容量表达式：dAC:介电常数；A:两平行板相对面积；d:两平行板间距。改变A、d、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。差动电容法：改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：002ddCCC0:初始电容值；d0:极板间初始距离；d:距离变化量。22 2、电容式压力传感器续 差压差压感压膜片感压膜片变形变形 差动电容差动电容测量电路测量电路.结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.250.05；可以测量压力和差压。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。420mADC 23 3、应变片式压力传感器 原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。主要是金属 原因：金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸长度、面积有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其的电阻的变化。主要是几何尺寸 应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。KRR式中：材料的应变；K：材料的电阻应变系数，即单位应变引起的电阻相对变化量。24 金属电阻应变片的结构 主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构。丝式应变片由金属丝栅(亦称敏感栅)、基底、引线、保护膜等组成。敏感栅直径：0.0150.05mm，用粘合剂固定在厚0.020.04mm的纸或胶膜基底上。引线是由直径0.10.2mm低阻镀锡铜线制成，用于将敏感栅与测量电路相连。箔式应变片的敏感栅是用厚度为0.0030.0lmm的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成的。优点是外表积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，便于大批量生产。它已逐渐取代丝式应变片。25 应变片与弹性元件的装配 应变片与弹性元件的装配：粘贴式或非粘贴式。在弹性元件受压变形的同时应变片亦发生应变，其电阻值将有相应的改变。可采用1、2或4个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置上，并分别接入电桥的桥臂。为了提高测量灵敏度，通常使相对桥臂的应变片分别处于接受拉应力和压应力的位置。应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。几种弹性元件和应变式压力传感器的结构及电桥式测量电路示意图。26 4、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。材料：半导体(单晶硅。利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。通常采用桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。图：压阻式压力传感器 27 压阻式压力传感器压阻式压力传感器续续 特点：灵敏度高，频率响应快；测量范围宽，10Pa到60Mpa；工作可靠，精度高：0.20.02；易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。膜片上的两对电阻中，一对位于受压应力区，另一对位于受拉应力区，当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发变化，使电桥输出相应压力变化的信号。为了补偿温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻