安工大-化工仪表及自动化-第3章检测仪表与传感器(压力检测)-位图

1、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概念：这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强压强，即即垂直作用在单位面积上的力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，必须对压力进行监测和控制。例如例如：在生产过程中各种冶炼炉、加热炉、化学反应炉的炉膛压力，烟道压力的测量和控制，不仅是

2、生产过程必须的，而且对于节约能源、安全生产具有重要意义。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（续）压力单位换算表（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)1110-51.01971610-10.986923610-51.01971610-50.7500610-21

3、.45044210-4巴(bar)110511.0197161040.98692361.0197160.750061031.45044210毫米水柱(mmH2O)0.980665100.98066510-410.967810-4110-40.7355610-11.422310-34压力单位换算表压力单位换算表标准大气压(stm)1.013251051.013251.03322710411.03320.761031.469610工程大气压(kgf/cm2)0.9806651050.98066511040.967810.735561031.42239810毫米汞柱(mmHg)1.333224102

4、1.33322410-31.35951101.31610-31.3595110-311.93410-2磅力/英吋2(lbf/m2)0.680491040.6804910-10.703071030.680510-10.7030710-10.51715102152、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，均指受着大气压力，以后所提到压力，除特别说明外，均指表表压力压力或或

5、真空度真空度。任意两个压力任意两个压力p1、p2之差称为之差称为差压差压。63、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p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00h1h2HAApp001常用的工作液体有：常用的工作液体有：水水、水银水银、酒精酒精、四氯化碳四氯化碳等。等。1、工作原理、工作原理h00h0pp0单管压力计hpp0L斜管微压计82、U型管压力计测压原理00h1h2HAApp001

6、A-A等压面平衡方程式为：p+1g(H+h1)=p0+0g(H-h2)+g(h1+h2)若0=1 ， 则p=p0+(-0)g(h1+h2)若0 ， 则p=p0+g(h1+h2)如果 p0 为当地大气压，即U型管一端直通大气，则被测表压力为： p表=g(h1+h2)。93、U型管压力计型管压力计误差分析误差分析主要来源如下主要来源如下（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

7、差一般为1mm）。104、 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121 1 膜片膜片132 2 波纹管波纹管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。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。灵敏度高，常用于测低压（1.0-106Pa）；迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。位移与压力之间线性关系。P波纹管143 3 弹簧管152、弹簧管压力表-直读式弹性

8、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

9、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

10、簧管压力表 膜片压力表 膜盒压力表18电接点信号压力表图3-7 电接点信号压力表1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯 压力表压力表指针上有动触点指针上有动触点2 2，表盘上另有两根表盘上另有两根可调节指针可调节指针，上，上面分别有静触点面分别有静触点1 1和和4 4。当压力超过。当压力超过上限给定数值时，上限给定数值时，2 2和和4 4接触，红色接触，红色信号灯信号灯5 5的电路被接通，红灯发亮。的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，若压力低到下限给定数值时，2 2与与1 1接触，接通了接触，接通了绿色信号灯绿色信号灯3 3的电路。的电路。1 1、4 4的位置可根据需要灵

11、活调节。的位置可根据需要灵活调节。 19四、四、 电气式压力计电气式压力计p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。p标准电信号：15VDC，420mADC 或 010mADCp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。201、霍尔片式压力传感器211 1、霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器（续续）片状霍尔元件固定在弹性元片状霍尔元件固定在弹性元件的自

12、由端，并处于两对磁件的自由端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中的线性不均匀磁场的间隙中（差动磁场差动磁场）。）。霍尔元件被霍尔元件被自由端带动在不均匀磁场中自由端带动在不均匀磁场中移动时，将感受不同的磁场移动时，将感受不同的磁场强度。产生的霍尔电势，即强度。产生的霍尔电势，即对应于自由端位移，从而给对应于自由端位移，从而给出被测压力值。出被测压力值。这种仪表结这种仪表结构简单，灵敏度高，寿命长，构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性但对外部磁场敏感，耐振性差。差。霍尔电势与被测压力线性关系霍尔电势与被测压力线性关系。UH= RHB

13、I = K P222、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。232、电容式压

14、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）1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线243、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

15、、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。25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

16、、腐蚀等工艺制成的。优点是表面积与截面积之比大，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。 26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

17、感器的结构及电桥式测量电路示意图。274、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 28压阻式压力传感器压阻式压力传感器（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

18、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，以提高测量精度。295、力矩平衡式压力变送器p力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量工工艺等不

19、利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度精度(一般为一般为0.5级级)、工作稳定可靠、线性好、不、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。灵敏区小等一系列优点。p下面以下面以DDZ-型电动力矩平衡压力变送器为例型电动力矩平衡压力变送器为例pDDZ-型系列为直流型系列为直流24V供电，输出供电，输出4-20mA(DC)，两线制，本质安全防爆。，两线制，本质安全防爆。305、力矩平衡式压力变送器1测量膜片；2轴封膜片；3主杠杆；4矢量机构 5量程调整螺钉；6连杆；7副杠杆；8检测片（衔铁）；9差动变压器；10反馈动圈；11放大器；12调零弹簧；13永久磁钢316、压电式压力传感器-补充压电效应

20、压电效应：某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷；当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态。常用的压电材料压电材料：天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。产生的电荷量与作用力之间呈线性关系电荷量与作用力之间呈线性关系：kSpQ 式中 Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被

21、测压力大小。32压电式压力传感器（续）如下图所示：压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。图：压电式压力传感器结构示意图33压电式压力传感器（续）压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；测量范围宽，可测100MPa以下的压

22、力；测量精度较高；频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。34六、六、活塞式压力计活塞式压力计常简称活塞压力计或压力计，也有称之活塞式压力计常简称活塞压力计或压力计，也有称之为压力天平。为压力天平。主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作为压力基准器使用，也有将活塞式压力计直接应用于高为

23、压力基准器使用，也有将活塞式压力计直接应用于高可靠性监测环节对当地其它仪表的表决监测。可靠性监测环节对当地其它仪表的表决监测。活塞式压力计是活塞式压力计是基于帕斯卡定律及流体静力学平衡基于帕斯卡定律及流体静力学平衡原原理产生的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压理产生的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。活塞式压力计是通过将专用砝码加载在已力计量仪器。活塞式压力计是通过将专用砝码加载在已知有效面积的活塞上所产生的压强来表达精确压力量值知有效面积的活塞上所产生的压强来表达精确压力量值的。的。由于活塞式压力计较其它压力量仪其测量结果极具真由于活塞式压力计较其它压力量仪其测量结果

24、极具真值可信、性能更显稳定，因此，活塞式压力计在其领域值可信、性能更显稳定，因此，活塞式压力计在其领域内有着相当广泛的应用。国际上常将活塞式压力计作为内有着相当广泛的应用。国际上常将活塞式压力计作为国家基准和工作基准或压力计量标准器。国家基准和工作基准或压力计量标准器。35活塞式压力计实物36七、七、 压力检测仪表的使用压力检测仪表的使用1压力计的选用压力计的选用 (1)仪表类型仪表类型的选用：仪表类型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求，如信号是否需要远传、控制、记录或报警等，结合各类压力仪表的特点选择。 (2)仪表测量范围测量范围的确定：要根据被测压力的大小及其在测量过程中变

25、化的情况来选取。在测量稳定压力、脉动压力脉动压力和高压时，最大工作压力应分别不超过仪表测量上限值的2/3、1/2和3/5；被测压力的最小值不应低于仪表测量上限值的1/3，以保证仪表的线性和测量结果的准确性。具体选择应在国家规定的标准系列中选取。 (3)仪表精度级精度级的选取：仪表的精度应根据工艺生产的要求在规定的精度等级中选择确定。所选精度等级应小于或至少等于工艺要求的仪表允许最大误差。372压力计的安装2压力计的安装 (1)测压点的选择 (2)导压管敷设 (3)压力计的安装压力测量系统(包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表) 安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。应根据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压