压力计量测试技术

1、 过程参数密度流量温度压力压力成分物位质量和安全的保证 垂直垂直并且并且均匀均匀作用在单位面积上的力作用在单位面积上的力称为称为“压强压强”SFP 工程技术工程技术上一般称其为上一般称其为 。(1623-1662) （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

2、界上第一台机械式数字计算机 ，PASCAL语言 。(1623-1662) 大气压力是地球表面上空气柱的重量所产生的压力。PB表示：气象情况、海拔高度和地理纬度hPa气压表托里拆利16081647托里拆利16081647（16081647）：意大利 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的重要性 如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为零起算的

3、压力，则称其为表压力。符号PG领域：工程中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。如：液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力。当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差又称：疏空压力，负压力、真空度。压差）两个相关压力之差。符号P注意：基准点任意且相同 完全真空0大气压PB真真空空度度P PH H压力差P代表规定基准点代表任意基准点表表压压力力P PG G绝绝对对压压力力P PA A绝对压力绝对压力P PA A1工程大气压(6)(6)： 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。 随时间做快速

4、变化的压力。通常是指流体单位体积所具有的动能大小 1/22流体密度；v流体运动速度。又称动压头。 差压式流量计差压式流量计就是利用测量节流件两端的压力就是利用测量节流件两端的压力差来实现流量计量的差来实现流量计量的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1 原理2 误差来源原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡封液： 水、酒精、水银 （1）环境温度变化的影响 封液影响 )20(1 (20thht标尺长度影响 精密测量时考虑 （2）重力加速度变化的影响 )21 ()2cos(00265. 01 RHggN封液标准高度 NNgghh（3）毛细

5、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 弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘普通型： 级；精密：0.10.5 级。真空1091/31/2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。测量腐蚀性介质、非凝固、非结晶介质测量气体的微压和负压特点精度：2.5 级测量范围：膜片式：膜盒式：迟滞误差迟滞误差：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：弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力变化；间隙误差：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：

6、摩擦误差：仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力；温度误差：温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化 采用材料：减小迟滞误差和后效误差；如合金Ni42CrTi,Ni36CrTiA料、熔凝石英采用，减小中间环节，如电阻应变技术、差动变压器技术；采用；改善制造工艺 。传感器传感器电路电路 通信通信 扩扩散散硅（压阻式）硅（压阻式）8080年代年代扩扩散散硅（压阻式）硅（压阻式）9090年代年代谐谐振式振式 90 90年代年代,21,21世紀世紀 A电电容式容式 70 70年代年代AAAAAA电电容式容式 80 80年代年代ADD电电容式容式 90 90年代年代ADDDDDDDA（模拟模拟）方式

7、、方式、D（数字数字）方式方式21 世紀世紀是数字化的时代是数字化的时代根据测量原理分类： 电阻电容电感振弦式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)(RfP 压力传感器压力变送器光学蚀刻法0.0030.01特点：耐高温，如用铂、铬应变片（蓝宝石基底），温度达800。真空蒸镀真空蒸镀沉积沉积溅射溅射0.1N*100 nm单根导线的电阻 ：金属材料的电阻率、长度和截面积，其关系：SlR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

8、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：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。SlR在均匀拉伸应力的作用下,导线电阻的相对变化量为dSldSSldlSdR2dSlR令，SSllRRSlR对于圆导线，故近似有受拉伸时，增大的同时 减小，两者关系为材料的泊松比材料的泊松比金属：金属：lldd定义应变拉伸应力引

9、起KRR)21 (/Ed)/(10)8040(211mN)/(1067. 1211NmE)10050( Kd半导体材料的弹性模量某晶向的压阻系数应力应变 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。 （Thomax Young,17731829年） 托马斯杨（Thomax Young,17731829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

10、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。 E 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

11、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-Denis Poisson (17811840)lldd材料康铜 （Ni 45%,Cu 55%）灵敏系数约为1.92.1 铁铬铝合金 （Fe70%，Cr2%，AL）灵敏系数约 为2.42.6直径0.050.15 纸或胶质：纸或胶质：0.02-0.04mmu金属材料的电阻具有一定的温度系数；u弹性元件（基底）与金属应变电阻两者的线膨胀系数不

12、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。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0/LtL （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。（4个应变片）电桥（4个桥臂）温度补偿，电压灵敏度2倍。 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。膜片受压受拉膜片上任意一点的应变h弹性变形222maxmax183)r(Ehptr3/rx 当0r3/rx 当0rrx 当222)1 (43rEhpr0trt41r,)(R

13、R压缩32t,RR（拉伸）弹性膜片 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u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）,以电压表为平衡检测器。u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。 )(oUfm 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：缺点：灵敏度系数较小（2.42.6），对粘贴工艺要求严格。是指常温下导电性介于导体和绝缘体之间的材料。：掺

14、杂质的单晶硅或锗，具有晶体属性，即各向异性。半导体通过传导的方式传输电流。在半导体材料上用方法形成的电阻；)10050(/EERRK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。)/(10)8040(211mN)/(1067. 1211NmE 在硅膜片上，扩散型电阻，根据方向不同，分为和 膜片 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：把硅底膜片上扩散的 个P型应变电阻，接成；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;电桥电源有和恒流源恒流源两种。 RtRRRtRRRtRRURtRRRtRRRtRR

15、UUUBDO)()(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tORRRUU0tR若 RRUUO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。假设：两个支路的电阻相等，即 )(2tADCABCRRRRIIIADCABC5 . 0桥路输出 )(21)(21ttBDoRRRIRRRIUURIUo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。克服四个扩散电阻的阻值及其温度系数的不一致

16、造成的影响。串并联电阻补偿法。（无压力）(如，温度T UBUD)调零补偿1.解决方法一：在R2上并联一个的电阻Rp，且阻值较大，约束R2的变化。2.解决方法二：在R4上串联一个的电阻，且阻值较大，约束R2的变化。 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；A:B:要求零点温度，低、高温下，应有UB=UDC:D: 设 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 ，接入电桥。测量桥路的灵敏度温度漂移原因：由于传感器而引起的。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 。电源电压桥路输出电源电压n个二极管串联在电桥的电源回路中（恒压源供电

17、）；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方法：利用二极管结的负温度特性（ ）：传感器低温时满量程输出：传感器高温时满量程输出RREUo oooUUURREUo电源电压满量程输出常温下求得ETnTEn式中计算二极管个数n当 只二极管串联时根据测量原理分类：根据测量原理分类： 电阻、电容、电感、振弦式压力变送器电阻、电容、电感、振弦式压力变送器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。0075；01； 土02；土05输出：420mAHART 可靠性高、维护方便、小型化、质量轻美国Rosemount 公司1151/3351系列压力变送器,系列全:压力、差压、绝对压力、带

18、开方器的差压（流量测量）以及高差压、微差压、高静压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节流孔通道绝缘体硅油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 标准直流电流信号。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PLPH7 硅油注： 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。 存在分布电容的影响 测量膜片

19、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。压力压力位移位移电容电容转换转换第一步第二步压力压力位移位移转换)(422raTpy)(422raTppyLH（金属膜片）单向流体球面状位移位移电容电容转换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球-平面电容位移位移电容电容转换0AL0AC CC =C -C0AH0AC CC =C +C忽略边缘效应位移位移电容电容转换球面形固定电极B平膜片电极测量膜片变形球-平面型电容器球-平面型电容器忽略边缘效应222()(2)rRRRRRR

20、 而 22rRRB极上宽度为dr，长度为2r 的环形窄带环形窄带与A极初始位置电容量:0002rrdrdCdR 0，b上积分000020022ln/2brrbdrdrCRdrRd 图中点划线为，其宽度为dr，长度为2r的与动膜片初始位置间电容量为02rAr drdCy )(422raTppyLH膜片挠度积分0，b0AL0AC CC =C -C0AH0AC CC =C +C位移位移电容电容转换根据测量原理分类：根据测量原理分类： 电阻、电容、电感、振弦式压力变送器电阻、电容、电感、振弦式压力变送器采用最新的 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。系列电感式压力变送器，英

21、国肯特公司在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工作原理工作原理自感式传感器工作原理工作原理自感式传感器MRNL2AAlRM012线圈中的电感为：线圈砸数磁路中的总磁阻，1/H总磁阻为：AAl012ARM02220ANL AAlRM012电感L和气隙长度的特性：工作原理工作原理自感式传感器MRNL2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，1.令初始气隙长度为0，对应的初始位置的传感器为 02002ANL 2. ，传感器的气隙减小，对应的电感量为4.电感的相对变化量为)11(0000LL3.电感的变化量为气息长度的相对变

22、化量5.当10时，将.13020000LL工作原理工作原理自感式传感器)11(000LL展开成为级数形式00LL .13020000LL7. 展开成级数形式6. 00LL9. /越小线性越好,测量范围，一般。，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，021021LLL021021LLLB: 当衔铁上下移动时，设衔铁上移则则 .13020000LL.13020000LL.2503000LLK系列压力变送器结构系列压力变送器结构测量膜片隔离膜片引压接口灌充液(硅油、氟油)外壳1.过程流体 （液、气、蒸汽）的压力或差压，经引压接口隔离膜

23、片和灌充液中心测量膜片上;2.测量膜片产生位移焊在膜片上的同步;3.可动衔铁与两侧固定电磁铁及电感线圈组成。4.中心测量膜片的与过程流体的5.膜片位移量差动式自感传感器的，从而使电磁回路中。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)1 (11tceUu111RL双稳触发器输出高电平充电回路时间常数； 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。 A2产生一脉冲双稳触发器再翻转一次A点高电位B点低电位。 周而复始， )1 (11tceUu21LL 21LL 0oU00U212110TTTTUUUUBA212110TTTTUUUUBA)1 (21tDeUuFUUURLT11111lnFUUURLT11222ln212110LLLLUU)1 (11tCeUu212110LLLLUUu 当P=0或PH =PL时： U0=0经V/I电路Io=4mA; u 当P=max 时： L=max，L; L; T1T2 U0=UA-UB 经V