第三章第二节压力检测及仪表

1、第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表FpS 一、压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表1.压力压力:指均匀垂直地作用在单位面积上的力。指均匀垂直地作用在单位面积上的力。2.几种压力表示法几种压力表示法在压力测量中在压力测量中,常有表压常有表压.绝对压力绝对压力.负压或真空度。负压或真空度。绝对零压线绝对零压线绝对压力绝对压力P绝绝大气压大气压P0表压表压P表表真空度真空度P真真绝对绝对压力压力P绝绝单位单位(SI):帕斯卡帕斯卡,简称帕简称帕(Pa)。 1Pa=1N/m2 1MPa=1X106Pa真空度真空度(负压负压):当被测压力低当被测压力低于大气压力时于大气压力时,大气压力和大气压力

2、和绝对压力之差绝对压力之差,即即 P真空度真空度 =P大气压力大气压力 -P绝对压力绝对压力表压表压:是绝对压力和大气压力之差是绝对压力和大气压力之差,即即P表压表压 = P绝对压力绝对压力 -P大气压力大气压力 液柱式压力计液柱式压力计:根据流体静力学原理根据流体静力学原理,将被测压力转换成将被测压力转换成液柱高度进行测量。结构简单液柱高度进行测量。结构简单,使用方便使用方便,但精度低但精度低,测量测量范围窄。范围窄。弹性式压力计弹性式压力计:将被测压力转换成弹性元件变形的位移将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。弹簧管压力计。进行测量的。弹簧管压力计。电气式压力计电气式压力计:通过

3、机械和电气元件将被测压力转换成通过机械和电气元件将被测压力转换成电量来测量的仪表。压力变送器。电量来测量的仪表。压力变送器。活塞式压力计活塞式压力计:根据水压机液体传送压力原理根据水压机液体传送压力原理,将被测压力将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。3.压力计的分类（按信号转换原理不同）压力计的分类（按信号转换原理不同）1.定义定义:在被测压力的作用下在被测压力的作用下,利用各种形式的弹性元件受利用各种形式的弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。2.特点特点:结构简单、使用可靠、读

4、数清晰、牢固可靠、结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽、有足够的精度、应用广泛。价格低廉、测量范围宽、有足够的精度、应用广泛。3.测量范围测量范围:几百帕到数千兆帕。几百帕到数千兆帕。二、弹性式压力计二、弹性式压力计是截面呈是截面呈椭圆形椭圆形或或扁圆形扁圆形的中空的中空金属管金属管,当通入压力当通入压力p后后, 它的自它的自由由端就会产生位移。端就会产生位移。4.弹性元件弹性元件（根据测压范围的不同）（根据测压范围的不同）(1).弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件(单圈和多圈的单圈和多圈的)适合测高、中、低压。适合测高、中、低压。(2).薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件4.

5、弹性元件弹性元件（根据测压范围的不同）（根据测压范围的不同）适合测中、低压。适合测中、低压。由具有弹性的金属或非金属片构成由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产在压力作用下能产生变形。生变形。膜片膜片膜膜盒盒硅油硅油(3).波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件:外部存在波纹的弹性金属片构成外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体。易于变形金属筒体。易于变形,且位移很大。且位移很大。4.弹性元件弹性元件（根据测压范围的不同）（根据测压范围的不同）适合测微压和低压适合测微压和低压(不超过不超过1MPa)。5.弹簧管压力表弹簧管压力表(1).结构结构 1弹簧管弹簧管; 2拉杆拉杆; 3扇形齿轮扇形

6、齿轮; 5-指针指针; 4中心齿轮中心齿轮; 6面板面板; 7游丝游丝; 8调节螺钉调节螺钉; 9接头。接头。应用广范应用广范,品种繁多。可分单圈和多圈品种繁多。可分单圈和多圈;按用途分普通压按用途分普通压力力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表。它们外表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表。它们外形和结构相同形和结构相同,只是所用材料不同。只是所用材料不同。5.弹簧管压力表弹簧管压力表(2).工作原理工作原理(单圈弹簧管单圈弹簧管)弹簧管弹簧管1是测量元件是测量元件,是一根弯成是一根弯成270的椭圆截面的空心的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端金属管。管子的自由端B封闭封闭, 另一端固

7、定在接头另一端固定在接头9上。上。工作原理工作原理:当通入压力当通入压力p后后,椭圆椭圆形形截面在截面在p作用下将趋于作用下将趋于圆形圆形,使自由端使自由端B产生位移产生位移,且与且与p的的大小成正比大小成正比(具有线性刻度具有线性刻度)。所以只要测得所以只要测得B点的位移量点的位移量,就就能反映压力能反映压力p的大小。的大小。p5.弹簧管压力表弹簧管压力表(2).工作原理工作原理放大过程放大过程: 自由端自由端B的位移通过拉杆的位移通过拉杆2使扇形齿轮使扇形齿轮3作逆时作逆时针偏转针偏转,指针指针5通过同轴的中心齿轮通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转的带动作顺时针偏转,在面板在面板6的刻

8、度标尺上显示出被测压的刻度标尺上显示出被测压力力p的数值。由于的数值。由于B的位移与的位移与p的大的大小成正比小成正比,则刻度标尺是线性的。则刻度标尺是线性的。p游丝游丝7用来克服因扇形齿轮与用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产生中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。的仪表变差。改变调节螺钉改变调节螺钉8的位置的位置,可调整可调整仪表的量程。仪表的量程。(3).弹簧管材料的选择弹簧管材料的选择当当P19.6MPa时时,选用合金钢或不锈钢的材料。选用合金钢或不锈钢的材料。当当P19.6MPa时时,选用磷青铜或黄铜的材料。选用磷青铜或黄铜的材料。所测流体种类不同所测流体种类不同,所用弹簧管

9、材料不同。所用弹簧管材料不同。5.弹簧管压力表弹簧管压力表弹簧管压力表弹簧管压力表的型号命名：的型号命名：普通弹簧管压力表上带有普通弹簧管压力表上带有报警报警或或控制控制触点的压力表。触点的压力表。当压力偏离给定范围时当压力偏离给定范围时,及时及时发出信号发出信号,提醒操作人员注意提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力或通过中间继电器实现压力控制。控制。5.弹簧管压力表弹簧管压力表(4). 电接点信号压力表电接点信号压力表 (1).定义定义:把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。(2).组成组成:压力传感器、测量电路和信号处理装置。压力传感器、测量电

10、路和信号处理装置。(3).测量范围测量范围:710-5Pa-5102MPa,测量范围广。测量范围广。(4).压力传感器作用压力传感器作用:检测压力信号检测压力信号,并转换成电信号输并转换成电信号输出。输出信号为出。输出信号为标准信号标准信号时时,为为压力变送器。压力变送器。标准信号标准信号:是指物理量的形式和数值范围都符合国际标是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如准的信号。如4-20mADC(0-10mA), 0.02-0.1MPa。(5).压力传感器分类压力传感器分类:霍尔片式、应变片式霍尔片式、应变片式、压阻式压、压阻式压力传感器和电容式压力变送器。力传感器和电容式压力变送器

11、。三、电气式压力计三、电气式压力计Y1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器依据依据:根据霍尔效应根据霍尔效应,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。从而实现压力的测量。霍尔电势霍尔电势:UH=RHBI RH-霍尔常数霍尔常数,与霍尔片材料、与霍尔片材料、几何形状有关。几何形状有关。霍尔片由半导体材料制成的薄片。霍尔片由半导体材料制成的薄片。恒定磁场恒定磁场B外电场外电场(直流稳压电源直流稳压电源)霍尔效应霍尔效应:电子逆电子逆Y轴运动时轴运动时,由于受电磁力的作用由于受电磁力的作用,使电子使电

12、子运动发生偏移运动发生偏移,则一个端面有电子则一个端面有电子,另一个端面上正电荷过另一个端面上正电荷过剩剩,在在X轴上出现电位差轴上出现电位差,称为霍尔电势。称为霍尔电势。这物理现象称为霍尔效应。这物理现象称为霍尔效应。应用应用:所测压力不高、所测压力不高、压力波动小、信号需要远压力波动小、信号需要远传的场合。传的场合。霍尔电势与位移关系霍尔电势与位移关系: UH=RHBII为定值为定值,B为非均匀为非均匀霍尔片位置不同霍尔片位置不同,B就不同就不同位移与霍尔电势成正比例。位移与霍尔电势成正比例。实现位移电势的线性转换。实现位移电势的线性转换。结构结构:霍尔元件霍尔元件.磁钢与弹簧管。磁钢与弹

13、簧管。工作原理工作原理:压力压力弹性位移弹性位移霍尔片移动霍尔片移动霍尔电势。霍尔电势。1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器材料的电阻变化取决于材料的电阻变化取决于“应变效应应变效应”和和“压阻效应压阻效应” 。应变片是基于应变片是基于应变效应应变效应工作的一种压力敏感元件。工作的一种压力敏感元件。金属导体或半导体金属导体或半导体的电阻值为：的电阻值为：lRA 12dldAddRdRlA 为应变材料的泊松比为应变材料的泊松比;=dl/l为应变。为应变。2-llRRRdRddldAddldAAAlAA -drdlrl-,dRdldAdRlA 22()2,dAdrdrArr (1). 理论基础

14、理论基础2.应变片式压力传感器应变片式压力传感器 由由几何尺寸变化引起的。几何尺寸变化引起的。电阻丝在外电阻丝在外力作用时力作用时发生机械变形发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象其电阻随之发生变化的现象,叫叫应变效应。应变效应。 12 d 由由电阻率电阻率变化引起的。受变化引起的。受压压力后力后,其晶格间距发生其晶格间距发生 变化变化,电阻率电阻率随随压压力变化的现象力变化的现象,叫叫压阻效应。压阻效应。 12dRdldAddRlA (1) 理论基础理论基础导体阻值的变化导体阻值的变化只取决于只取决于电阻率和电阻率和材料材料几何尺寸的变化。几何尺寸的变化。金属金属材料材料,以以应变效应应变效

15、应为主为主,称为金属称为金属电阻电阻应变片应变片,制成制成应变式压力传感器应变式压力传感器。半导体半导体材料材料,以以压阻效应压阻效应为主为主,称为半导体应变片称为半导体应变片,制成制成压阻式压力传感器压阻式压力传感器。2.应变片式压力传感器应变片式压力传感器电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比,即：即：dddd()(12 )VAlmmmVAl dd121212RmKR K为为电阻电阻应变灵敏系数。应变灵敏系数。(1) 理论基础理论基础2.应变片式压力传感器应变片式压力传感器压力压力p应变片产生应变应变片产生应变电阻发生变化电阻发生变化毫伏电势毫伏电势(2)

16、.应变片式压力传感器应变片式压力传感器工作原理工作原理:利用电阻应变原理构成。利用电阻应变原理构成。变小变小变变大大546p测量片测量片r1沿应变筒轴向贴放沿应变筒轴向贴放;温度补偿片温度补偿片r2沿径向贴放。沿径向贴放。特点特点:速度快速度快.动态性能好动态性能好.非线性误差小非线性误差小.滞后小滞后小.适合测高适合测高(25MPa)且脉动较大的压力。且脉动较大的压力。应变电阻片应变电阻片将一根电阻丝弯曲且并行地排列成栅形将一根电阻丝弯曲且并行地排列成栅形,贴附在基板上成为电贴附在基板上成为电阻栅阻栅;金属丝两端有引出线金属丝两端有引出线;线栅上盖绝缘的保护片。线栅上盖绝缘的保护片。电阻丝一

17、般为高阻金属细丝如康铜丝。直径电阻丝一般为高阻金属细丝如康铜丝。直径=0.020.04mm,长长L=25150mm,宽宽D=330mm,电阻值电阻值R0为为60,120 200 300,500,1000。(a) (a) 丝式应变片丝式应变片 (b) (b) 箔式应变片箔式应变片图图6 62 2 应变电阻片的结构应变电阻片的结构应变计金属应变片金属应变片应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R424131423-()()R RR RVERRRR 1234,RRRRRRdR 4EdRVR dRKR 金属应变片：金属应变片：V与应变成线形关系与应变成线形关系,可以用电桥测量电压测量应变。可以用

18、电桥测量电压测量应变。4EVK 案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量结构结构:1.基座基座; 2.单晶硅片单晶硅片; 3.导环导环; 4.螺母螺母; 5.密封垫圈密封垫圈; 6.等效电阻。等效电阻。2为弹性元件为弹性元件, 用集成电路工艺用集成电路工艺,在单晶硅的在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻特定方向上扩散一组等值电阻,并接成桥路。并接成桥路。3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器特点特点:精度高精度高.工作可靠工作可靠.频率响频率响应高应高.迟滞小迟滞小.尺寸小尺寸小.重量轻重量轻.结构简单。适于恶劣环境下结构简单。适于恶劣环境下使用使用,便于实现显示数字化。便于实现显示数字化。

19、可测差压可测差压.速度速度.高度高度.加速度加速度等参数。等参数。当当p变化时变化时,单晶硅产生应变单晶硅产生应变,使使应变电阻产生与被测压力应变电阻产生与被测压力成比例的变化成比例的变化,由桥路获得相应的电压输出信号。由桥路获得相应的电压输出信号。工作原理工作原理:利用单晶硅的压阻效应而构成。利用单晶硅的压阻效应而构成。结构结构: 1.隔离膜片隔离膜片;2,7固定电极固定电极; 3.硅油硅油; 4.测量膜片测量膜片 5.玻璃层玻璃层; 6.底座底座; 8.引线。引线。P1P24.电容式压力变送器电容式压力变送器工作原理工作原理:将将压力变化转换为电容量的压力变化转换为电容量的变化变化, 进行

20、测量的。进行测量的。P由硅油由硅油测量膜片测量膜片弯曲变形弯曲变形电容变化电容变化测量电路检测和放测量电路检测和放大大,转换成转换成420mA的直流标准电的直流标准电信号进行输出。信号进行输出。仪表特点仪表特点: 结构简单结构简单.过载能力强过载能力强.精度高可达精度高可达0.2级。级。P=P1-P2四、智能型的压力变送器四、智能型的压力变送器结构结构:普通的压力或差压传感器上增加普通的压力或差压传感器上增加微处理器电路。微处理器电路。特点特点:具有远程通讯的功能具有远程通讯的功能 依靠手操通信器依靠手操通信器,可在现场或控制室设定各种参数可在现场或控制室设定各种参数 使用维护方便使用维护方便

21、,精度高精度高 实现自修正实现自修正.自补偿自补偿.自诊断及错误方式报警功能自诊断及错误方式报警功能 便于实现人机对话。便于实现人机对话。 长期稳定工作长期稳定工作,每每5年才需校检一次。年才需校检一次。以以3051C为例为例,组成组成:传感膜头传感膜头:被测压力被测压力-A/D转换转换-数字信号数字信号电子线路板电子线路板:对信号进行修正对信号进行修正,线性化处理线性化处理-D/A转换转换- 420mA信号信号3051C型智能差压变送器原理图型智能差压变送器原理图A/D转换器转换器 温度温度传感器传感器 电容电容传感器传感器传感膜头内存传感膜头内存 修正系数修正系数 膜头信号膜头信号微处理器微处理器传感器线性化传感器线性化重设量程重设量程诊断诊断工程单位工程单位通信通信电子板内存电子板内存量程值量程值变送器组态变送器组态信息信息D/A转换转换数字通信数字通信本机量程和本机量程和零点调整零点调整手操器手操器传感膜头传感膜头电子线路板电子线路板 420mA 压力压力 压力压力手持通信器功能手持通信器功能:组态组态,设定工作参数和输入信息性数据；设定