自动检测技术及仪表控制系统课件(第五章)

1、 第五章压力检测压力检测 v 在工程上，压力有几种不同的表示方法，并且有相应的测量仪表。v（1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力称为绝对压力，用符号pi表示。用来测量绝对压力的仪表，称为绝对压力表。v （2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，其值用气压计测定，用符号pd表示。v（3）表压力：通常压力测量仪表是处于大气之中，则其测得的压力值等于绝对压力和大气压力之差，称为表压力，用符号pb 表示。有Pb=Pi-Pd 一般地说，常用的压力测量仪表测得的压力值均是表压力。v（4）真空度：当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其

2、绝对值称为真空度，用符号pz表示，可表示为：Pz=Pd-Pi 用来测量真空度的仪表称为真空表。v（5）压差 设备中两处的压力之差简称为差压。生产过程中有时直接以差压作为工艺参数，差压测量还可作为流量和物位测量的间接手段。v 这几种表示法的关系由示出。v此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进此种方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。行测量。v被测压力使测压弹性元件产生变形，因弹被测压力使测压弹性元件产生变形，因弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡，性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡，测量弹性元件的变形大小可知被测压力。测量弹性元件的变形大小可知被测压力。v此类压力计有多种类型，可以测量压力、

3、此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和差压，其应用最为广泛。负压、绝对压力和差压，其应用最为广泛。v基于在压力的作用下，测压元件的某些物基于在压力的作用下，测压元件的某些物理特性发生变化的原理。理特性发生变化的原理。v（1 1）电测式压力计：利用测压元件的压）电测式压力计：利用测压元件的压阻、压电等特性或其他物理特性，将被测阻、压电等特性或其他物理特性，将被测压力直接转换为各种电量来测量。多种电压力直接转换为各种电量来测量。多种电测式类型的压力传感器，可以适用于不同测式类型的压力传感器，可以适用于不同的测量场合。的测量场合。v（2 2）其他新型压力计：如集成式压力计、）其他新型压

4、力计：如集成式压力计、光纤压力计等。光纤压力计等。 v 弹性压力计是利用弹性元件受压变形的原理。弹性元件弹性压力计是利用弹性元件受压变形的原理。弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。外在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。外作用取消后，元件将恢复原有形状。利用变形与外力的作用取消后，元件将恢复原有形状。利用变形与外力的关系，对弹性元件的变形大小进行测量，可以求得被测关系，对弹性元件的变形大小进行测量，可以求得被测压力。压力。v 弹性压力计的组成一般包括几个主要环节，如下图所示。弹性压力计的组成一般包括几个主要环节，如下图所示。 v弹性元件：是感受压力并产生弹性变形，弹性

5、元件：是感受压力并产生弹性变形，是仪表的核心部分，弹性元件采用何种形是仪表的核心部分，弹性元件采用何种形式要根据测量要求进行选择和设计；式要根据测量要求进行选择和设计；v转换放大机构：是将弹性元件的变形进行转换放大机构：是将弹性元件的变形进行变换和放大；变换和放大；v指示机构：如指针与刻度标尺，用于给出指示机构：如指针与刻度标尺，用于给出压力示值；压力示值；v调整机构：用于调整仪表的零点和量程。调整机构：用于调整仪表的零点和量程。v 弹性元件主要有以下几种形式。弹性元件主要有以下几种形式。v（1 1）弹性膜片：这是一种外缘固定的圆形片状弹性元件，）弹性膜片：这是一种外缘固定的圆形片状弹性元件，

6、膜片的弹性特性一般由中心位移与压力的关系表示。按膜片的弹性特性一般由中心位移与压力的关系表示。按剖面形状及特性，弹性膜片又分为平膜片、波纹膜片和剖面形状及特性，弹性膜片又分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片。挠性膜片。的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系。的使用位移很小，弹性特性有良好的线性关系。是压有环状同心波纹的圆膜片，波纹的形状有是压有环状同心波纹的圆膜片，波纹的形状有正弦形、锯齿形、梯形等。其位移与压力的关系，由波正弦形、锯齿形、梯形等。其位移与压力的关系，由波纹的形状深度和波纹数确定。为了测量微小压力，还可纹的形状深度和波纹数确定。为了测量微小压力，还可以制成膜盒，以增大膜片位移。以制

7、成膜盒，以增大膜片位移。仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。仅作为隔离膜片使用，它要与测力弹簧配用。v弹性元件通常的材弹性元件通常的材料有铜合金、弹性料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，合金、不锈钢等，各适用于不同的测各适用于不同的测压范围和被测介质。压范围和被测介质。左表给出几种弹性左表给出几种弹性元件的结构示意及元件的结构示意及特性。各种弹性元特性。各种弹性元件组成了多种型式件组成了多种型式的弹性压力计，他的弹性压力计，他们通过各种传动放们通过各种传动放大机构直接指示被大机构直接指示被测压力值。这类直测压力值。这类直读式测压仪表有弹读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹簧管压力计、波纹管差压计、

8、膜盒式管差压计、膜盒式压力计等。压力计等。 v弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表，弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表，其一般机构如图其一般机构如图5-3所示。所示。 被测压力直接由接口引入，使弹簧管自由端被测压力直接由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉度标尺上指示出被测压力值。通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从可以改变

9、拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，可以取消两个齿轮啮合的间隙，装有游丝，可以取消两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。上的角度，就可以调整仪表的机械零点。v 弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精度精度最高可达最高可达0.1%。v 采用膜片、膜盒、

10、波纹管等弹性元件可以制成差压计。图采用膜片、膜盒、波纹管等弹性元件可以制成差压计。图5-45-4给出给出双波纹管差压计机构示意图，双波纹管差压计是一种应用较多的直双波纹管差压计机构示意图，双波纹管差压计是一种应用较多的直读式仪表。其测量机构包括波纹管、量程弹簧组和扭力管组件等。读式仪表。其测量机构包括波纹管、量程弹簧组和扭力管组件等。仪表两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体，感受引入的差压仪表两侧的高压波纹管和低压波纹管为测量主体，感受引入的差压信号，两个波纹管由连杆连接，内部填充液体用以传递压力。差压信号，两个波纹管由连杆连接，内部填充液体用以传递压力。差压信号引入后，低压波纹管自由端带动

11、连杆位移，连杆上的挡板推动信号引入后，低压波纹管自由端带动连杆位移，连杆上的挡板推动摆杆使扭力管机构偏转，扭力管芯轴的扭转发生角度变化，扭转角摆杆使扭力管机构偏转，扭力管芯轴的扭转发生角度变化，扭转角变化传送给仪表的显示机构，可以给出相对应的被测差压值。量程变化传送给仪表的显示机构，可以给出相对应的被测差压值。量程弹簧的弹性力和波纹管的弹性变形力与被测差压的作用力相平衡，弹簧的弹性力和波纹管的弹性变形力与被测差压的作用力相平衡，改变量程弹簧的弹性力大小可以调整仪表的量程。高压波纹管与补改变量程弹簧的弹性力大小可以调整仪表的量程。高压波纹管与补偿波纹管相连，可以补偿填充液因温度变化而产生的体积膨

12、胀。差偿波纹管相连，可以补偿填充液因温度变化而产生的体积膨胀。差压计使用时要注意的问题是，仪表所引入的差压信号中包含有测点压计使用时要注意的问题是，仪表所引入的差压信号中包含有测点处的工作压力，又称背景压力。所以尽管需要测量的差压值并不很处的工作压力，又称背景压力。所以尽管需要测量的差压值并不很高，但是差压计要经受的工作压力，因此在差压计使用中要避免侧高，但是差压计要经受的工作压力，因此在差压计使用中要避免侧压力过载。压力过载。v一般差压计要装配平衡附件，例如图一般差压计要装配平衡附件，例如图5-45-4所示的三个阀门组所示的三个阀门组合，在两个截止阀间安装一个平衡阀，平衡阀只在差压计测合，在

13、两个截止阀间安装一个平衡阀，平衡阀只在差压计测量时关闭，不工作时则打开，用以平衡正负压侧的压力，避量时关闭，不工作时则打开，用以平衡正负压侧的压力，避免单向过载。新型差压计的结构设计均已考虑到单向过载保免单向过载。新型差压计的结构设计均已考虑到单向过载保护功能。护功能。 v力平衡式采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本结构如图5-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流（或电压）

14、信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。 v压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，它可以满足自动化系统集中检测与控制的要求，在工业生产中得到广泛的应用。v压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置。v压力传感器的结构型式多种多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。 v各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将

15、发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：v v式中为材料的应变；K为材料的电阻应变系数，金属材料的K值约为26，半导体材料的K值可达60180。v应变元件可作成丝状、片状或体状。应变丝或应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式或非粘贴式，在弹性元件受压变形的同时应变元件亦发生应变，其电阻值将有相应的改变。粘贴式压力计通常采用个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适合位置上，并分别接入电桥的4个臂，则电桥输出信号可以反映被测压力的大小。为了提高测量灵敏度，通常使相对桥臂的两对应变元件分别处于接受拉应力和压应力的位置上。金属应变片分电阻丝式和金属箔式RKR应变片压力传感器示意图v应变式压力传感器所

16、有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。图5-7给出几种应变式测量的结构示意图。各类应变式压力传感器的精度较高，测量范围可达几百兆帕。v压阻式压力传感器是基于半导体的压阻效应。它不同于应变式压力传感器所有的体型应变元件，而是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。硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为：v 式中 为压阻系数； 为应力。v硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，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eRR

17、 ev如图所示为一种压阻式压力传感器的结构示意图，圆形硅杯的底部即为硅平膜片，硅杯的内外两侧输入被测差压或被测压力及参考压力。压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发生变化，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v压阻式压力传感器的灵敏度高，频率响应高；结构比较简单，可以小型化；可用于静态、动态压力测量；应用广泛，测量范围在00.0005MPa、00.002 MPa至0210 MPa；v其精确度为0.2% 0.02%。1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；

18、6等效电阻电容式压力传感器的测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。以测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，测压膜片产生位移而改变两极板间的距离，测量相应的电容量变化，可知被测压力值。图为一种两室结构感压元件的示意图，感压元件是一个全焊接的差动电容膜盒。玻璃绝缘层内侧的凹球面形金属镀膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性平膜片作为可动电极，从而组成两个电容器。整个膜盒用隔离膜片密封，在其内部充满硅油。由隔离膜片感受两侧压力的作用，通过硅油传压使弹性膜片产生位移，可动极板将向低压侧靠近。电容极板间距离的变化，引起两侧电容器电容值的改变。v对于差动平板电容器，

19、其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：v式中 为初始电容值； 为极板间初始距离;v 为距离变化量。v此电容量的变化经过适当的转换电路，可以输出标准电信号（420mA）。这种传感器结构结实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.25%0.05%；可以测量压力和差压，仪表测量范围00.00001 MPa至070 MPa。v有效保护膜片，压力过大，膜片平滑地贴在凹面上，不易损坏，过载后恢复特性好，承载能力强，密封、抗振002dCCd0C0ddv振频式压力传感器利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力。v这类传感器有振筒、振弦、振膜、石英谐振等多种型式，以下举

20、振筒式压力传感器为例。v振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。在一定的作用力下，变化后的振筒频率可以近似表示为：v式中fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；为结构系数；p为被测压力。01pffpv传感器由振筒组件和激振电路组成，如图5-10所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成，一端封闭为自由端，开口端固定在基座上，压力由内侧引入，绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈，二者空间位置互相垂直，以减少电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。此种仪表体积小，输出频率信号，重

21、复性好耐振；精确度高，其精确度为0.1%和0.01%；测量范围00.014 MPa至050 MPa；适用于气体检测。v压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。v它是动态压力检测中常用的传感器，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。v由压电材料制成的压电元件受到压力作用时将产生电荷，当外力去除后电荷将消失。在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线形关系。电荷输出为：q=ksp;v式中q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。测知电荷量可知被测压力大小。 图5-11为一种压电式压力传感器的结构示意图。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

22、触并接地，另一侧面通过金属箔和引线将电荷引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量经放大可以转换为电压或电流输出，输出信号给出相应的被测压力值。压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料或复合材料的合成膜，各适用于不同的传感器型式。电荷量的测量一般配用电荷放大器。可以更换压电元件以改变压力的测量范围，还可以用多个压电元件叠加的方式提高仪表的灵敏度。v压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；频率响应高，不需要外加电源；测量范围00.0007 MPa至070 MPa；测量精确度为1%，0.2%，0.06%。但是其输出阻抗高，需要特殊信号传输导线；温度效应

23、较大。 v采用微机械加工技术与微电子集成工艺相结合的新型微结构型式发展了集成化传感器，进而可以形成各种智能型仪表。v以压阻式压力传感器为基础的集成传感器已有产品生产，它可以同时检测差压、静压、温度三个参数。图5-12所示为这种集成传感器敏感元件的示意图。硅杯底部为E形断面，构成作为敏感元件的硅膜片，在膜片断面的减薄部分，沿应力敏感度大的方向形成四个力敏电阻，以感受差压引起的切向和径向应力变化；在膜片断面的加厚部分也形成力敏电阻，以感受静压的作用；在加厚部分切向和径向压阻系数近于零的方向则形成温敏电阻，以感受温度的变化v设三个信号分别为差压信号、静压信号、温度信号，则有v根据制造阶段预先测定的特

24、性数据，求解以上联立方程，可以分别得到差压、静压和温度T的值。这就属于一种复合检测方式。1212(,)(,)(,)(,)(,)(,)( )dsssssTEhp p Thp Thp TEgp p Tgp Tgp TEs Tv图5-13为仪表的组成框图，采用适当的接口电路和微处理器系统，可以存入针对此传感器特性的修正公式。采入三种信号后，经过运算处理就可以给出修正了的被测差压值、静压值以及温度值。这一类集成传感器的测量精确度高，可达0.1%，并有高的稳定性和可靠性。v继压阻式压力传感器实用化之后，以半导体材料为基础，利用微机械和微电子加工技术，又开发出微电容式、微谐振式等型式的压力传感器，可以具有

25、重量轻，功耗低，响应快和便于集成化等特点。各种新型压力传感器有很好的发展前景。 压力计的选用压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题。一般考虑以下几个问题。v 选择合适的仪表要根据生产过程提出的要求，结合各类压力表的特点综合进行考虑。一般涉及类型、测量范围和测量精度等方面。仪表类型的选择应满足生产过程的要求，需要了解被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求，如信号是否满足需要远传、控制、记录或报警等。v 为了保证测压仪表安全可

26、靠地工作，仪表的量程要根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况等条件来选取，选取仪表量程要留有余地，在测量稳定压力时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的2/3；在测量脉动压力时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的1/2；而在测量高压时，最大被测工作压力不能超过测量上限值的3/5。一般被测压力的最小值，应不低于测量上限值的1/3。根据被测压力的最大值和最小值计算出仪表的上下限后，要按压力仪表的标准系列选定量程。目前我国压力（差压）仪表测量范围的标准系列是：-0.10.06、0.15kPa和01、1.6、2.5、4、6、1010nkPa（其中n为自然整数，可为正、负值）。v仪表的测量

27、精度也是根据使用要求确定的。生产过程允许的被测压力的最大绝对误差应小于仪表的基本误差，可在规定的精度等级中确定仪表的精度。在确定仪表的精度时，要注意经济性，不必追求高精度，只需满足使用要求即可。工业用测压仪表的精度通常在0.5级以下。v测量差压的仪表还应注意工作压力的选择，应使其与被测对象的工作压力相对应。v例 1 若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力，已知被测压力为（0.71)Mpa，要求测量的绝对误差不超过0.02Mpa，试确定压力表的测量范围及精度等级。v（可供选的测量范围有0 0.6，0 1,v 0 1.6, 0 2,5Mpa）v 0 1.6Mpa 1.0v2. 往复式压缩机出口压力

28、2528Mp，测量误差不超过1Mp，选压力表精度、测量范围。供选16,25,40,60,100，精度1.0 、0.5 2.5 v测压仪表在出厂前均需进行检定，使之符合精度等级要求。使用中的仪表则应定期进行校验，以保证测量结果有足够的准确度。使用的压力校验仪器有液柱式压力计、活塞式压力计或配有高精度标准表的压力校验泵。标准仪表的选用原则是，其允许绝对误差要小于被校仪表绝对误差的1/31/5，这样可以认为标准仪表的读数就是真实值。如果被校仪表的读数误差小于规定误差，则认为它是合格的。 v图5-14所示为一种活塞式压力校验系统的结构原理。活塞、活塞筒和砝码的重力作用于密闭系统内的工作液体、当系统内工

29、作液体的压力与此重力相平衡时，活塞会浮起，并可旋转。此时系统内的压力为：v式中为p系统内的工作压力；m为活塞与砝码的总质量；g为重力加速度；So为活塞的有效面积。omgpsv对于一定的活塞压力计，其有效面积为常数。由螺旋压力发生器推动工作活塞，在承重托盘上加适当的砝码，工作液体就可处于不同的平衡压力下，此压力可以作为标准压力，用以校验压力表。v为真实反映被测压力的大小，要合理选择取压点，注意取压口形式。工业系统中设置取压点的选取原则遵循以下几点。v（1）取压点位置避免处于管路弯曲、分叉、死角或流动形成涡流的区域。不要靠近有局部阻力或其他干扰的地点，当管路中有突出物体时（如测温元件），取压点应在其前方。需要在阀门前后取压时，应与阀门有必要的距离。v（2）取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，不应有毛刺或突出物。v（3）测量液体介质的压力时，取压口应在管道下