压力计量测试技术.ppt

压力计量测试技术 一 概述 一 概述 质量和安全的保证 垂直并且均匀作用在单位面积上的力称为 压强 国际单位 Pa 压力的概念 工程技术上一般称其为 压力 1623 1662 帕斯卡 Pascal Blaise 法国数学家 物理学家 近代概率论的奠基者 他建立的直觉主义原则对于后来一些哲学家 如卢梭和伯格森等都有影响物理学 帕斯卡定律 加在密闭流体任一部分的压强 必然按照其原来的大小由流体向各个方向传递 液压机械的理论基础 哲学 思想录 人只不过是一根芦苇 是自然界最脆弱的东西 但他是一根有思想的芦苇 计算机领域 机械式加法机 世界上第一台机械式数字计算机 PASCAL语言 1623 1662 实际生活和生产中有不同的压力概念 1 大气压力 大气压力是地球表面上空气柱的重量所产生的压力 符号 PB表示影响因素 气象情况 海拔高度和地理纬度单位 hPa测量仪表 气压表 托里拆利1608 1647 托里拆利1608 1647 托里拆利 1608 1647 意大利物理学家 数学家 托里拆利试验 1643 与维维尼亚完成了著名的发现大气压力的试验 后称托里拆利试验 在实验中还发现了当气压变化时 水银柱的高度也随之变化 据此原理发明了水银压力计 我们是生活在大气组成的海底之下的 并由此掀起了有关实验和理论工作的热潮 使得欧洲物理学界的研究活动为之一新 托里拆利特别强调处理力学问题时数学与实验的重要性 2 表压力 如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为零起算的压力 则称其为表压力 符号 PG领域 工程中 3 绝对压力 是指不附带任何条件的全压力 它等于大气压力和表压力之和 PA PB十PG如 液体 气体和蒸汽所处空间的全部压力 4 真空压力 当绝对压力小于大气压力时 大气压力与绝对压力之差PH PB PA又称 疏空压力 负压力 真空度 5 差压 压差 两个相关压力之差 符号 P注意 基准点任意且相同 不同压力间的关系 压力的单位 1工程大气压 6 静压 不随时间变化或随时间变化缓慢的压力 例如 对于管道流动由管壁处所测压力 均为静压值 压头 静水头 过去常用液柱高度表示静压 7 动压 随时间做快速变化的压力 通常是指流体单位体积所具有的动能大小 1 2 2 流体密度 v 流体运动速度 又称 动压头 压力 流量关系流体的压力是流量计量中一个极为重要的参数 压力测量修正 流量计量的准确度的保证 差压式流量计就是利用测量节流件两端的压力差来实现流量计量的 压力测量系统的分类 静重式 弹性式 远传式 静重式 液柱式压力计 活塞式压力计 U型管单管斜管钟罩环天平 测压力测真空单活塞双活塞圆柱形活塞球形活塞 弹簧管式膜片式膜盒式波纹管式 弹性式 远传式 电阻式电感式电容式振弦式 二 静重式压力计 液柱式压力计 原理误差来源 液柱式压力计的原理 原理 利用液柱所产生的压力与被测压力平衡 封液 水 酒精 水银 液柱式压力计的误差来源 1 环境温度变化的影响 封液影响 标尺长度影响 精密测量时考虑 2 重力加速度变化的影响 封液标准高度 3 毛细现象造成的影响 4 安装 读数 刻度等方面的误差 酒精 D 3mm 水银 D 8mm 海拔纬度 海拔高度 体积膨胀系数 三 弹性式压力计 三 弹性式压力计弹簧管压力计 单圈弹簧管压力计 结构 弹簧管 齿轮传动机构 指针 刻度盘 特点 精度等级 普通型 级 精密 0 1 0 5级 测量范围 真空 109 工作范围 1 3 1 2量程 波动小 2 3量程 注意 防尘 防爆 防腐等问题 并要定期校验 弹性式压力计 膜式压力计 膜片式 测量腐蚀性介质 非凝固 非结晶介质膜盒式 测量气体的微压和负压 特点精度 2 5级测量范围 膜片式 真空或0 6x106Pa膜盒式 0 4x104Pa 波纹管式压力计 特点 常与刚度大于其几倍的弹簧使用 其性能主要是由弹簧决定 常在受压下使用 受压与受拉相比线性输出更大 用途 测量流量和液位 弹性式压力计的误差来源 迟滞误差 相同压力下 同一弹性元件正反行程的变形不一样 弹性后效误差 弹性元件变形落后于被测压力变化 间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙 示值与弹性元件的变形不完全对应 摩擦误差 仪表活动部件运动时 相互间有摩擦力 温度误差 环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化 弹性式压力计的改善途径 采用 全弹性 和 恒弹性 材料 减小迟滞误差和后效误差 如合金Ni42CrTi Ni36CrTiA料 熔凝石英采用新的转化技术 减小中间环节 如电阻应变技术 差动变压器技术 采用无干摩擦的弹性轴承或磁悬浮轴承 改善制造工艺 四 电远传式压力计 远传式压力计的发展史 传感器 电路 通信 扩散硅 压阻式 80年代 扩散硅 压阻式 90年代 谐振式90年代 21世紀 A 电容式70年代 A A A A A A 电容式80年代 A D D 电容式90年代 A D D D D D D D A 模拟 方式 D 数字 方式 21世紀是数字化的时代 四 电远传式压力计根据测量原理分类 电阻 电容 电感 振弦式 1 电阻应变式压力变送器 金属电阻丝半导体电阻 弹性元件 应变 压力 电阻R 硅片上扩散生成 压力传感器 压力变送器 1 箔式应变片 光学蚀刻法 箔式应变片 0 003 0 01 薄模式特点 耐高温 如用铂 铬应变片 蓝宝石基底 温度达800 1 箔式应变片 真空蒸镀沉积溅射 0 1 N 100nm 薄膜式应变片 1 金属电阻丝应变片式传感器 单根导线的电阻 金属材料的电阻率 长度 和截面积 其关系 乔治 西蒙 欧姆 1789 1854 乔治 西蒙 欧姆 1789 1854 德国物理学家 欧姆是一个很有天才和科学抱负的人 他长期担任中学教师 由于缺少资料和仪器 给他的研究工作带来不少困难 但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究 自己动手制作仪器 1827年 电路的数学研究 一书中 将其实验规律总结成如下公式 E 式中S表示电流 E表示电动力 即导线两端的电势差 为导线对电流的传导率 其倒数即为电阻 欧姆在自己的许多著作里还证明了 电阻与导体的长度成正比 与导体的横截面积和传导性成反比 在稳定电流的情况下 电荷不仅在导体的表面上 而且在导体的整个截面上运动 在均匀拉伸应力 的作用下 导线电阻的相对变化量为 1 金属电阻丝应变片式传感器 对于圆导线 故近似有 受拉伸时 增大的同时 减小 两者关系为 1 金属电阻丝应变片式传感器 材料的泊松比金属 2 4半导体 0 35 定义应变 导线每单位应变引起的电阻值的相对变化量 越大越好 1 金属电阻丝应变片式传感器 拉伸应力 引起 材料应变灵敏系数 金属材料 1 金属电阻丝应变片式传感器 影响很小 半导体材料 影响很小 半导体材料 半导体材料的弹性模量 某晶向的压阻系数 应力 应变 杨氏模量E在弹性范围内大多数材料服从虎克定律 即变形与受力成正比 纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E 也叫杨氏模量 ThomaxYoung 1773 1829年 托马斯 杨 ThomaxYoung 1773 1829年 英国医生兼物理学家 光的波动说的奠基人之一 科学成就 1 著名的杨氏干涉实验 为光的波动说奠定了基础 2 对人眼感知颜色的研究 建立三原色原理 从生理角度说明了人眼的色盲现象 指出一切色彩都可以从红 绿 蓝这三种原色的不同比例的混和而得到 3 在考古学方面的贡献 用了几年时间破译了古埃及石碑碑上的文字精通绘画 音乐 几乎掌握当时的全部乐器 他一生研究过力学 数学 光学 声学 生理光学 语言学 动物学 埃及学等 可以说是一位百科全书式的学者 泊松比 横向应变与纵向应变之比值称为泊松比 也叫横向变型系数 它是反映材料横向变形的弹性常数 法国数学家 力学家 物理学家 泊松一生从事数学研究和教学 他的主要工作是将数学应用于力学和物理学中 1 1829年 在固体力学中 泊松以材料的横向变形系数 即泊松比而知名 弹性体平衡和运动研究报告 一文 2 1831年 弹性固体和流体的平衡和运动一般方程研究报告 一文中第一个完整地给出说明粘性流体的物理性质的方程 即本构方程 3 1837年 关于判断的概率之研究 一文中提出描述随机现象的一种常用分布 在概率论中现称泊松分布除泊松分布外 还有许多数学名词是以他名字命名的 如泊松积分 泊松求和公式 泊松方程 泊松定理 等等 Simeon DenisPoisson 1781 1840 1 金属电阻丝应变片式传感器 材料 康铜 Ni45 Cu55 灵敏系数约为1 9 2 1铁铬铝合金 Fe70 Cr2 AL 灵敏系数约为2 4 2 6直径 0 05 0 15 纸或胶质 0 02 0 04mm 温度影响金属材料的电阻具有一定的温度系数 弹性元件 基底 与金属应变电阻两者的线膨胀系数不等 注 如果固体 非晶体或多晶体 在温度升高时形状不变 说明固体在各方向上膨胀规律相同 因此可以用一个方向上的线膨胀规律来表现它的体膨胀 线胀系数 定义 温度每升高1 某方向上的长度增量 L与室温下 严格些应是0 时 同方向上的长度L0之比 即 1 金属电阻丝应变片式传感器 差动结构 2个应变片 电桥 相邻桥臂 实现 温度补偿 输出电压灵敏度 1倍 电桥结构 4个应变片 电桥 4个桥臂 温度补偿 电压灵敏度 2倍 温度补偿方法 1 金属电阻丝应变片式传感器 粘贴位置防止受被测介质污染 氧化 腐蚀 贴在弹性元件不和被测介质接触的一面 方法 分析膜片上的应变分布状况 应变片分布设计 1 金属电阻丝应变片式传感器 膜片 受压 受拉 1 金属电阻丝应变片式传感器 切向应变 径向应变 膜片上的应变分布分析 膜片上任意一点的应变 P h 弹性变形 1 金属电阻丝应变片式传感器 膜片上的应变分布分析 x 0 1 金属电阻丝应变片式传感器 膜片上的应变分布分析 当 当 当 1 金属电阻丝应变片式传感器 应变片粘帖位置 弹性膜片 1 金属电阻丝应变片式传感器 金属电阻丝应变片贴牢在悬臂梁上下表面 悬臂梁远端加砝码使它弯曲 上表面受到拉伸 下表面受到压缩 所以上表面电阻阻值变大 下表面电阻阻值变小 举例 用电阻应变片制作电子秤 举例 用电阻应变片制作电子秤 应变片的结构示意图1敏感栅2引线3粘结剂4盖层5基底 举例 用电阻应变片制作电子秤 分别将一个 两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥 所谓单臂 半桥或全桥 以电压表为平衡检测器 未加砝码时 调节电桥平衡 输出电压为零 随着负载增加 电桥不平衡性加大 电压表读数越大 线性关系 优点 金属丝或箔式应变片性能稳定 精确度高 已得到广泛应用 缺点 灵敏度系数较小 2 4 2 6 对粘贴工艺要求严格 1 金属电阻丝应变片式传感器 2 半导体压阻式传感器 半导体的定义 是指常温下导电性介于导体和绝缘体之间的材料 半导体材料 掺杂质的单晶硅或锗 具有晶体属性 即各向异性 导电特性 半导体通过电子或空穴传导的方式传输电流 压阻式传感器制作工艺 在半导体材料上用扩散方法形成的电阻 特点 灵敏系数大 弹性元件和应变电阻集成在一起 易大批量生产 利于微型化 集成化和智能化 影响很小 压阻效应 晶体在受到应力作用后 其电阻率发生明显变化 这种现象被称为压阻效应 2 半导体压阻式传感器 3 固态压阻器件 在硅膜片上 扩散 型电阻 根据方向不同 分为径向电阻和切向电阻 3 固态压阻器件 方法 分析硅膜片上应变分布状况 半导体电阻 力敏电阻 分布设计 膜片 3 固态压阻器件 若圆形硅膜片周边固定 在均布压力 作用下 当膜片位移远小于膜片厚度时 则膜片的应力分布为 硅膜片上应变分布状况 硅膜片上应变分布状况 半导体电阻 力敏电阻 分布设计 0 635 半径的内外分别扩散两个 型硅电阻 5 测量桥路与温度补偿 把硅底膜片上扩散的 个P型应变电阻 接成惠斯通电桥 阻值增加的两个电阻对面布置 阻值减小的两个电阻对面布置 电桥灵敏度最大 电桥电源有恒压源和恒流源两种 电桥电源 电阻应变式压力变送器 恒压源供电电桥 假设1 个电阻的初始值为 当有压力时 应力 电阻值两个 两个 假设2 温度变化 每个电阻值 电桥输出电压为 整理 若 说明电桥输出Uo R R P 被测压力 与U的大小和精度有关 当 0时 还与温度有关 恒压源供电原理的测量桥路 不能消除温度的影响 恒压源供电电桥 假设 两个支路的电阻相等 即 桥路输出 恒流源供电电桥 说明电桥输出Uo R P 被测压力 与电流源I的大小和精度有关 与 无关 恒流源供电原理的测量桥路 能消除温度的影响 零点温度补偿 原因 克服四个扩散电阻的阻值及其温度系数的不一致造成的影响 方法 串并联电阻补偿法 5 测量桥路与温度补偿 零点漂移 UB UD 无压力 如 温度T R2增加较大 UB UD 零点温度补偿 调零 补偿 解决方法一 在R2上并联一个负温度系数的电阻Rp 且阻值较大 约束R2的变化 解决方法二 在R4上串联一个正温度系数的电阻 且阻值较大 约束R2的变化 零点温度补偿 补偿原理 Rs Rp计算方法 4个桥壁电阻在低温和高温下的实测数值 低高温下欲求值 零点温度补偿 A B Rs Rp计算方法 要求零点温度补偿后 低 高温下 应有UB UD C D 设Rs Rp的温度系数已知 则 E 常温下的 F 根据温度系数 电阻值 选择电阻Rs Rp 接入电桥 测量桥路的灵敏度温度漂移原因 由于传感器压阻系数随温度变化而引起的 温度T 压阻系数 灵敏度 温度T 压阻系数 灵敏度 传感器的温度灵敏度系数为负值 灵敏度温度补偿 电源电压 桥路输出 电源电压 补偿 n个二极管串联在电桥的电源回路中 恒压源供电 当T 时 二极管的正向压降 桥压 桥路输出 计算二极管个数n 灵敏度温度补偿 方法 利用二极管 结的负温度特性 1 9 2 4 传感器低温时满量程输出 传感器高温时满量程输出 计算二极管个数n 电源电压 满量程输出 常温下求得 为补偿灵敏度随温度下降 桥路电压需要提高 式中 计算二极管个数n 当 只二极管串联时 四 电远传式压力计根据测量原理分类 电阻 电容 电感 振弦式压力变送器 2 电容式压力 差 变送器 电容式压力 差压 变送器 原理 压力的变化 测量膜片的微位移 电容变化 测量电路 输出标准信号 精度 0 075 0 1 土0 2 土0 5输出 4 20mA HART特点 可靠性高 维护方便 小型化 质量轻产品 美国Rosemount公司1151 3351系列压力变送器 系列全 压力 差压 绝对压力 带开方器的差压 流量测量 以及高差压 微差压 高静压结构形式 测量部分 1室结构 2室结构 1 1室结构 隔离膜片 隔离膜片 测量膜片 中心轴 可动电极 固定电极 固定电极 蒸镀金属层 平行板式差动电容 和 节流孔 通道 绝缘体 硅油 过压保护 全型面 电容式压力 差压 变送器 工作过程 被测介质压力引入后 隔离膜片受压力作用 中心轴受力产生位移 测量膜片产生挠曲变形 动极板随之移动 动极板与固定电极的间隙变化 即电容 L和的电容值CH变化 经电子转换电路转换 输出与被测压力 差压 成正比的4 20 标准直流电流信号 1 1室结构 2室结构 2隔离膜片 1隔离膜片 3测量膜片 5球面固定电极 4球面固定电极 6刚性绝缘体 PL PH 7硅油 全型面 过压保护 注 玻璃与金属杯体烧结后 磨出球形凹面 再在玻璃表面蒸镀一层金属膜 当发生过压时 测量膜片与球面固定电极相贴合 得到过压保护 转换电路 标准信号 灵敏度高 利于微压测量 相对变化量大 30 50 输出信号大 抗干扰能力强 环境适应性强 工作稳定性优良 存在分布电容的影响 测量膜片工作特性存在非线性 制造难度大 微位移 0 1mm 加工精求高 开环 误差按1 1传递 膜片微小蠕变 测量电路误差 影响整机性能 特点 电容式压力 差压 变送器 电容式压力 差压 变送器 3 工作原理 检测元件 压力 位移 电容 转换 转换 第一步 第二步 压力 位移 转换 单向流体压力作用 任意点变形量 双方向流体压力作用 变形量 检测元件工作原理 金属膜片 单向流体 球面状 位移 电容 转换 检测元件工作原理 传感器初始电容 测量膜片受压后形变位置与初始位置形成的电容 低压室电容 高压室电容 等效电容法 单元积分法 求解方法 球 平面电容 位移 电容 转换 检测元件工作原理 等效电容法 求CL和CH 忽略边缘效应 位移 电容 转换 检测元件工作原理 单元积分法求 0和 球面形固定电极B 平膜片电极 测量膜片变形 球 平面型电容器CA 球 平面型电容器C0 忽略边缘效应 求解C0 C0 A B 求解C0 而 B极上宽度为dr 长度为2 r的环形窄带与A极初始位置电容量 求解C0 0 b 上积分 求解CA 求解CA 图中点划线为挠曲平面 其宽度为dr 长度为2 r 的环形窄带与动膜片初始位置间电容量为 膜片挠度 求解CA 积分 0 b 位移 电容 转换 检测元件工作原理 向用户提供诊断信息 四 电远传式压力计根据测量原理分类 电阻 电容 电感 振弦式压力变送器 3 电感式压力 差 变送器 特点 采用最新的 技术 封装技术 新型加工工艺和材料 结构小巧 坚固耐用 精度高 典型产品 系列电感式压力变送器 英国肯特公司在1983年研制成功并推向市场 它在测量范围 技术性能及可靠性诸方面具有明显的特点 电感式压力 差 变送器 工作原理 自感式传感器 电感式压力 差 变送器 工作原理 自感式传感器 电感式压力 差 变送器 线圈中的电感为 线圈砸数 磁路中的总磁阻 1 H 总磁阻为 电感L和气隙长度 的特性 工作原理 自感式传感器 电感式压力 差 变送器 自感式传感器的分类 变气息长度 变气息面积 N一定 当气隙较小时 忽略磁路铁损 令初始气隙长度为 对应的初始位置的传感器为 2 当衔铁上移 时 传感器的气隙减小 对应的电感量为 工作原理 自感式传感器 4 电感的相对变化量为 工作原理 自感式传感器 3 电感的变化量为 气息长度的相对变化量 5 当 时 将 工作原理 自感式传感器 展开成为级数形式 忽略二次项以上的高次项 相对变化率近似为线性 7 展开成级数形式 6 8 忽略二次项以上的高次项 相对变化率近似为线性 9 越小 线性越好 测量范围 一般0 1 0 2 工作原理 自感式传感器 衔铁下移 时 电感变化量为 目的 衔铁移动范围 改善传感器的非线性 A 起始位置 衔铁处于中间位置 上下两侧的气隙相同 即 B 当衔铁上下移动时 设衔铁上移 则 工作原理 差动自感式传感器 则 C 无偶次幂项 非线性得到改善灵敏提 1倍 上下自感传感器电感相对变化量为 2 电感式压力 差压 变送器 K系列压力变送器结构 测量膜片 隔离膜片 引压接口 固定电极及电感线圈 灌充液 硅油 氟油 可动衔铁 外壳 变气隙型差动式自感传感器 过程流体 液 气 蒸汽 的压力或差压 经引压接口 隔离膜片和灌充液 中心测量膜片上 测量膜片产生位移 焊在膜片上的可动衔铁同步移动 可动衔铁与两侧固定电磁铁及电感线圈组成变气隙型差动式自感传感器 中心测量膜片的位移量与过程流体的压力或差压成正比5 膜片位移量 差动式自感传感器的气隙变化 从而使电磁回路中差动电感变化 K系列变送器结构 工作过程 2 电感式压力 差压 变送器 差动电感脉冲调宽电路 差动电感线圈 差动电感线圈 基准电压 电压比较器 电压比较器 差动电感脉冲调宽电路 某一时刻 双稳触发器输出端A点电位由低 高时 L1通过R1充电 则C点电压为 双稳触发器输出高电平 充电回路时间常数 当uC uF时 A1产生一脉冲 双稳触发器翻转 A点 低电位 B点 高电位 C点 L1通过R1放电 D点 L2通过R2充电