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一、压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表1.压力压力:由气体或液体均匀垂直地作用在单位面积上的力。由气体或液体均匀垂直地作用在单位面积上的力。公式为公式为 p为压力为压力,F为垂直作用力为垂直作用力 S为受力面积为受力面积单位单位:帕斯卡帕斯卡,简称帕简称帕(Pa),1帕为帕为1牛顿每平方米牛顿每平方米(国际单国际单位制位制SI)。 1Pa=1N/m2 1MPa=1X106Pa 1物理大气压物理大气压(1atm)=1.0133X105Pa=760mmHg 1工程大气压工程大气压(1kgf/cm2)=9.807X104Pa=104mmH2O2.几种压力表

2、示法（按取压的标准不同）几种压力表示法（按取压的标准不同）在压力测量中在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度。常有表压、绝对压力、负压或真空度。其关系见下图。其关系见下图。FpS 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, P表压表压 = P绝对压力绝对压力 -P大气压力大气压力 负压或真空度负压或真空度:是当被测压力低于大气压力时是当被测压力低于大气压力时,大气大气压力和绝对压力之差压力和绝对压力之差,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

3、绝绝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）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,测测量范围窄。量范围窄。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进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。行测量的。弹簧管压力计。电气式压力计电气式压力计:通过机械和电气元件将被测压力转换成电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。量来测量的仪表。压力变送器。活塞式压力计活

4、塞式压力计:根据水压机传送压力原理根据水压机传送压力原理,将被测压力转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。换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。二、弹性式压力计二、弹性式压力计1.定义定义:利用各种形式的弹性元件利用各种形式的弹性元件,在被测介质压力的作用在被测介质压力的作用下下,使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。压仪表。2.特点特点:结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价结构简单、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。格低廉、测量范围宽、有足够的精度、应用广泛。3.测

5、量范围测量范围:几百帕到数千兆帕。几百帕到数千兆帕。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)是截面是截面呈椭呈椭圆圆或或扁圆型扁圆型的中空金属管的中空金属管,当通入压力当通入压力p后后,它的自它的自由端就会产生位移。适合测高、中、低压。由端就会产生位移。适合测高、中、低压。(2).薄膜式弹性元件：薄膜式弹性元件：(膜片膜片a或膜盒或膜盒b)由具有弹由具有弹性的金属或非金属片构成性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产生在压力作用下能产生变形。膜盒中内充硅油。适合测中、低压。变形。膜盒中内充硅油。适合测

6、中、低压。(3).波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件:有一端封闭有一端封闭,外部存在波纹外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体的弹性金属片构成金属筒体,是气动单元组合仪表是气动单元组合仪表中不可缺少的部分。弹性元件易于变形中不可缺少的部分。弹性元件易于变形,且位移很且位移很大。适合测微压和低压大。适合测微压和低压,在气动压力变送器上应用在气动压力变送器上应用较多。较多。5.弹簧管压力表弹簧管压力表应用广范应用广范,品种繁多。可分品种繁多。可分单圈和多圈单圈和多圈;按用途分普通按用途分普通压力表、耐腐蚀的氨用压压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力力表、禁油的氧气压力表。它们外形和结构相同表。它

7、们外形和结构相同,只是所用材料不同。只是所用材料不同。(1).结构结构 1弹簧管弹簧管; 2拉杆拉杆; 3扇形齿轮扇形齿轮; 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。(2).工作原理工作原理工作原理工作原理:弹簧管弹簧管1是压力表的测量元件。图为单圈弹簧是压力表的测量元件。图为单圈弹簧管管,它是一根弯成它是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管。圆弧的椭圆截面的空心金属管。管子的自由端管子的自由端B封闭封闭,管子的另一端固定在接头管子的另一端固定在接头9上。当通上。当通入压力入压力P后后,由于由于椭圆形椭圆形截面在压力的截面在压力

8、的P作用下将趋于作用下将趋于圆形圆形,使弹簧管的自由端使弹簧管的自由端B产生位移产生位移,且与输入压力的大小成正比且与输入压力的大小成正比(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,就能反映压就能反映压力力P的大小。的大小。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作逆时针作逆时针偏转偏转,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的刻度标尺上显示出被测压力的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。由于自的数值。由于自由端的位移与被测压力的大小成正比由端的位移与被测

9、压力的大小成正比,则刻度标尺是线则刻度标尺是线性的。性的。游丝游丝7用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产用来克服因扇形齿轮与中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。生的仪表变差。改变调节螺钉改变调节螺钉8的位置的位置,可调整仪表的量程。可调整仪表的量程。(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,所测所测流体种类不同流体种类不同,所用弹簧管材料不同。所用弹簧管材料不同。(4). 电接点信号压力表电接点信号压力表是在普通弹簧管压力表是在普通弹簧管

10、压力表上带有上带有报警报警或或控制触点控制触点的压力表。的压力表。当压力偏离给定范围时当压力偏离给定范围时,及时发出信号及时发出信号,提醒操作提醒操作人员注意或通过中间继人员注意或通过中间继电器实现压力控制。电器实现压力控制。三、电气式压力计三、电气式压力计弹簧管压力计的不足在于不能测量脉动、真空和超高弹簧管压力计的不足在于不能测量脉动、真空和超高压力压力,而电气压力计可克服上述不足。而电气压力计可克服上述不足。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、测量电路和信号处理装置。3.

11、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:把压力信号检测出来把压力信号检测出来,并转换成电信并转换成电信号进行输出。当输出的电信号转换成标准信号时号进行输出。当输出的电信号转换成标准信号时,压力压力传感器称为传感器称为压力变送器。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准是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如直流电流的信号。如直流电流4-20mA (0-10mA),空气压力空气压力0.02-0.1MPa都为标准信号。都为标准信号。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

12、、应变片式、压阻式压力传、压阻式压力传感器和力平衡式感器和力平衡式 、电容式压力变送器。、电容式压力变送器。(1).霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器依据依据:根据霍尔效应制成的根据霍尔效应制成的,即利用霍尔元件将由压力所引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起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,实现压力的测量。实现压力的测量。霍尔效应霍尔效应: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,如图在如图在Z轴方轴方向上加恒定磁场向上加恒定磁场B,在在Y轴方向上加外电场轴方向上加外电场(直流稳压电源直流稳压电源),电子在霍尔片中运动电子在霍尔片中运动(逆逆Y轴方轴方

13、向运动向运动)时时,由于受电磁力的作由于受电磁力的作用用,使电子运动轨道发生偏移使电子运动轨道发生偏移,则一个端面有电子则一个端面有电子,另一个端另一个端面上正电荷过剩面上正电荷过剩,在在X轴方向轴方向上出现电位差上出现电位差,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。Y(1).霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器霍尔电势霍尔电势:UH=RHBI RH-霍尔常数霍尔常数,与霍尔片材料、几何形状有关。与霍尔片材料、几何形状有关。导体也有霍尔效应导体也有霍尔效应,但霍尔电势但霍尔电势比半导体的霍尔电势小得多。比半导体的霍尔电势小得多。霍尔电势与位移关系霍尔电势与位

14、移关系:根据根据UH=RHBI ,若若I为定值为定值,在在非均匀磁场中非均匀磁场中,霍尔元件所处霍尔元件所处位置不同位置不同,所受到的磁感应强所受到的磁感应强度就不同度就不同,可得到与位移成正可得到与位移成正比例的霍尔电势比例的霍尔电势,实现位移电势的线性转换。实现位移电势的线性转换。霍尔片式压力传感器结构霍尔片式压力传感器结构:霍尔元件与弹簧管配合霍尔元件与弹簧管配合,组成霍尔片式压力传感器。组成霍尔片式压力传感器。Y(1).霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器工作原理：工作原理：在被测压力作用下在被测压力作用下,弹簧管弹簧管自由端产生位移自由端产生位移,则改变霍则改变霍尔片在非均匀磁场中的

15、位尔片在非均匀磁场中的位置置,使所产生的霍尔电势与使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。被测压力成比例。即即: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。应用应用:用于所测压力不高、用于所测压力不高、压力波动小、信号需要远传的场合。压力波动小、信号需要远传的场合。(2).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。有压力作用时利用电阻应变原理构成。有压力作用时,应变片应变片产生应变产生应变,表现为应变片的电阻发生变化表现为应变片的电阻发生变化,通过桥式电路转通过桥式电路转换为毫伏级电势输出换为毫伏级电势输出,从所测电压的大小读出所测的压力。从所

16、测电压的大小读出所测的压力。结构结构:1.应变筒应变筒;2.外壳外壳;3.密封膜片密封膜片;4.输出信号输出信号;5.恒压直流恒压直流;6.电源。康铜丝应变片电源。康铜丝应变片r1沿应变筒轴向贴放沿应变筒轴向贴放,为测量片为测量片; r2沿径向贴放沿径向贴放,为为温度补偿片。温度补偿片。特点特点:速度快速度快.动态动态性能好性能好.非线性误非线性误差小差小.滞后小滞后小.适合适合测高测高(25MPa)且脉且脉动较大的压力。动较大的压力。变小变小变大变大546(3).压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构：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

17、 6.等效电阻等效电阻(3).压阻式压力传感器压阻式压力传感器工作原理工作原理:利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件晶硅片为弹性元件,在单晶硅弹性膜片上用集成电在单晶硅弹性膜片上用集成电路工艺路工艺,在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻,并将电阻接成桥路并将电阻接成桥路,单晶硅片置于传感器腔内。当单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时压力发生变化时,单晶硅产生应变单晶硅产生应变,使直接扩散在上使直接扩散在上面的面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化应变电阻产生与被测压力成比例的变化,再由再由桥式电路获得相应的

18、电压输出信号。桥式电路获得相应的电压输出信号。仪表特点仪表特点:精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单。适于在恶劣环小、尺寸小、重量轻、结构简单。适于在恶劣环境下使用境下使用,便于实现显示数字化。稍作改变后可以便于实现显示数字化。稍作改变后可以用来测差压、速度、高度、加速度等参数。用来测差压、速度、高度、加速度等参数。(5).电容式压力变送器电容式压力变送器结构结构: 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。工作原理工作原理:先将先将压力变

19、化转换为压力变化转换为电容量的变化电容量的变化,然后进行测量的。然后进行测量的。压力作用在两侧的隔离膜片上压力作用在两侧的隔离膜片上,通过硅油将差压传递到测量膜片通过硅油将差压传递到测量膜片上上,使其向压力小的一侧弯曲变使其向压力小的一侧弯曲变形形,使两电极的电容变化使两电极的电容变化,电容的电容的变化量通过引线传至测量电路变化量通过引线传至测量电路,P1P2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.工作可工作可靠靠.体积小体积小.重量轻重量轻.使用方便使用方便;可以用来测差压和液位等参可以用来测差压和液位等参量。量。通过测量电路的检测和放大通

20、过测量电路的检测和放大,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。四四.智能型的压力变送器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微处理器电路电路即形成智能检测仪表。即形成智能检测仪表。特点特点:可进行远程通信可进行远程通信。利用手持通信器。利用手持通信器,可对可对1500m内现场变送器进行各种运行内现场变送器进行各种运行参数的选择参数的选择和标定和标定;精度高精度高,使用和维护方便。通过编制各使用和维护方便。通过编制各种程序可实现自修正、自补偿、自诊断及错误种程序可实现自修正、自补偿、自诊断及错误方式报警功能

21、方式报警功能,便于实现人机对话。便于实现人机对话。五、压力计的选用及安装五、压力计的选用及安装1.压力表的选用压力表的选用:根据工艺生产过程的要求根据工艺生产过程的要求,结合各方面结合各方面的情况的情况,加以全面考虑和具体的分析。加以全面考虑和具体的分析。(1).仪表类型的选用仪表类型的选用:必须满足工艺生产的要求。考虑必须满足工艺生产的要求。考虑被测介质、现场条件和工艺要求。被测介质、现场条件和工艺要求。(2).确定仪表测量范围及量程：确定仪表测量范围及量程： 测稳定压力测稳定压力时时,Pmax2/3 P上限上限,即即P上限上限3/2 Pmax; 测脉动压力测脉动压力时时,PmaxP上限上限/2 ,即即P上限上限2Pmax; 测高压测高压时时,Pmax3/5 P上限上限, P上限上限5/3 Pmax; 最小值最小值,PminN/3,N 3Pmin 。(3).选取仪表的精度选取仪表的精度根据生产