4模块四、压力检测（上）

机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块四、压力检测（上）课件

本模块介绍“压力”等基本概念、电容式压力表、两线制压力表、智能压力表、总线制压力表，还介绍了陶瓷式压力传感器。内容简介今天是：17十月2023現在時間是：14:51知识链接、压力的基本概念项目一、电容式压力变送器项目二、两线制压力变送器拓展阅读、陶瓷式压力传感器模块四、压力检测（上）目录进入現在時間是：14:51进入进入知识链接、压力的基本概念一、压力的单位定义1牛顿（N）力垂直均匀地作用在1m2面积上所形成的压力为1帕斯卡，符号为Pa，还有千帕（kPa）、兆帕（MPa）等单位。我国规定“帕”为压力的法定计量单位

。

单位帕（Pa）巴（bar）毫米水柱标准大气压工程大气压（at）毫米汞柱帕（Pa）11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019×10-50.75006×10-2巴（bar）1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×103毫米水柱0.980×100.980×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-1标准大气压/atm1.01325×1051.013251.033227×10411.03320.76×103工程大气压0.980×10

50.9806651×1040.967810.735×103毫米汞柱1.333×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-31二、压力的分类及

对应的传感器1.绝对压力传感器取压口接到被测压力处，负取压口接到内部的基准真空腔（相当于零压力参考点），所测得的压力数值是相对于基准真空腔而言的，是以真空零压力为起点的压力，称为绝对压力，用p绝或pabs表示。

2.大气压传感器大气压传感器的本质也是绝压传感器，只是正取压口向大气敞开。大气压是指以地球上某个位置的单位面积为起点，向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量，用pa或p大气表示。测量地点距离地面越高，或纬度越高，大气压就越小。1954年第十届国际计量大会将大气压规定为：在纬度45º的海平面上，当温度为0℃时，760mm高水银柱所产生的压强称为标准大气压。若用千帕为单位时，标准大气压为101.3kPa。在工程中，出于简化目的，有时候可以近似认为标准大气压的数值为绝对压力100kPa（0.1MPa），记为1bar。大气压

与海拔

高度的

关系管内上方是真空，玻璃管内水银柱的高度只随外界大气压强变化而变化。与玻璃管的粗细、管的长度、倾斜角度及将玻璃管提起，还是下压等因素无关。托里拆利实验：

水银柱的高度与大气压成正比。与大气压有关的实验3．表压传感器表压传感器能感受相对于大气压的压力（压强），其正取压口接到被测压力处，负取压口向大气敞开，所测得的压力数值是相对于大气压而言的，是以大气压为起点的压力，称为表压，用p表或pg表示。例如，表压传感器指示为1.0MPa，表示比大气压高1MPa，绝对压力大约为1.1MPa。p=ρgh4．真空度传感器以大气压力为基准，绝对压力高于测量地大气压力的压力称为正压，绝对压力小于测量地大气压力的压力称为负压。负压的绝对值称为相对真空度。用符号pz或p真空表示。活塞式真空度的检测电离式超低压的测量真空的程度与数值范围真空的程度压力/帕(Pa)低真空101325~1333中真空1333~1.33×10-1高真空1.33×10-1~10-6超高真空10-6~10-10极高真空<10-10大气压与表压、绝对压力、相对真空度的关系p表=p绝-p大气p真空=|p绝-p大气|例：用绝压传感器测量某容器的压力，读数为90kPa，若测量地的大气压约为100kPa，则相对真空度只有（负压为-10kPa）。真空表与压力-真空表

（指针的“0”位表示进气管压力与大气压相同）5．差压传感器差压是指两个压力p1和p2之差，又称为压力差，用符号Δp或pd表示。差压传感器能感受两个测量点压力（压强）之差，其正取压口接到被测压力p1处，负取压口接到被测压力p2处。如果将差压传感器的负取压口向大气敞开，就相当于表压传感器；

如果将差压传感器的负取压口接到基准真空腔，就相当于绝对压力传感器。差压传感器外形三、压力传感器简介1．液柱式压力表Δp=p2-p1=ρg(h2-h1)=ρgH须注意水和水银的毛细管现象2．弹性式压力表弹性元件可以将压力转换成应变或位移。在一定的范围内，应变或位移与弹性元件感受到的压力成确定的函数关系，多为线性关系。常见感受压力的弹性元件有膜片、膜盒、波纹管以及弹簧管等。

变换压力为位移的弹性元件a）等截面平膜片b）膜盒c）波纹管d）弹簧

用不锈钢、陶瓷、多晶硅薄片等构成膜片。周边固定。当膜片的上（或下）面受到均匀分布的压力时，薄板将弯向压力低的一面。将两个同心波纹膜片焊接在一起，做成空心膜盒，用于测量微小压力。弹簧管（又称波登管），是弯成扁平的C形空心管子。它一端固定、一端自由。可以用于测量高压。弹簧管式压力表（图4-5）a）部分剖面图b）原理示意图1－弹簧管

2－杠杆3－扇形齿轮4－中心齿轮5－指针6－面板刻度7－游丝

8－灵敏度（位移放大倍数）调整螺丝9－压力接头弹簧管电接点式压力表图4-6

弹簧管电接点式压力表1－指针2－动触点3－低限静触点4－高限静触点5－绿灯6－红灯7－接线盒8－压力接头3．常用压力传感器的类型、测量范围和特点

压力仪表类型压力测量范围/MPa工作原理特点液柱式＜0.1液柱所产生的压力与被测压力平衡无源，信号不能远传，玻璃管易破损；多用于实验室，可用于校准其他压力传感器弹性式陶瓷膜片＜50膜盒＜20波纹管＜2弹簧管＜100在被测介质压力的作用下，产生弹性变形结构简单、寿命长、直观、价廉；机械式弹性压力表不能远传；可作为其他电测式传感器的感压元件热传导真空计10-3~10-7根据气体分子热传导与压力有关的物理现象可以测量低压力；标定困难电离真空计10-5~10-10低气压下，气体分子易在高电压下电离,产生的离子电流随压力变化可以测量极低压力；玻璃管易损坏；不适用50Pa以上的压力3．电测式压力传感器（续）电容式压力传感器10电容的两个极板距离随压力而变化可以由硅微加工工艺制作微差动电容，准确度高，温度自补偿；大量用于工业压力变送器谐振式硅微结构式压力传感器10谐振膜的谐振频率随压力增加而变大，由电磁激励和电磁拾振，或静电激励和电容拾振直接输出频率量，准确度可达0.01%，温度稳定性优于10-6/℃；可用于校验其他压力传感器压阻式压力传感器20硅的压阻效应压力直接作用在扩散硅杯，不需要传压液体；工作温度低于100℃厚膜电阻式陶瓷式压力传感器20硅的压阻效应压力直接作用在陶瓷膜片上，不需要传压液体，过载能力强，采用桥路激光修正，准确度高；工作温度低于120℃项目一、电容式压力传感器【项目教学目标】☞知识目标1）熟悉电容式传感器的工作原理。2）熟悉差动变极距电容式传感器的特性。☞技能目标1）掌握压力表的安装。2）掌握压力表的量程计算。回目录現在時間是：14:51任务一认识电容式压力传感器一、变极距电容式传感器的工作原理及结构形式图4-7

平行板电容器式中

A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；

d——两极板间的距离，也称为极距（m）；

ε

——两极板间介质的介电常数（F/m）；

εr——两极板间介质的相对介电常数；

ε0——真空介电常数，ε0=8.85

10-12（F/m）1－上极板2－下极板

3－电力线4－边缘效应变极距电容式传感器的

结构以及电容与

极板距离的关系(图4-8)1－定极板2－动极板（平膜板）3－弹性膜片二、差动电容式压力传感器的工作原理与结构

差动形式的电容式压力传感器的灵敏度比非差动式高一倍，线性也得到较大改善。诸如温度、激励源电压、频率变化等外界的影响也能基本上相互抵消。

非差动电容传感器演示非差动式电容传感器1－高压侧进气口

2－低压侧进气口

3－过滤片4－空腔5－柔性不锈钢波纹隔离膜片

6－导压硅油

7－凹形玻璃圆片8－镀金凹形电极（定极板）9－弹性平膜片

10－δ腔

11－铝合金外壳12－限位波纹盘

13－过压力保护悬浮波纹膜片

14－公共参考端（地电位）15－螺纹压力接头16－测量转换电路及显示器铝合金盒17－信号电缆图4-9差动电容式差压传感器(见后页)2023/10/1730图4-9差动电容式差压传感器非差动电容式传感器与差动传感器的特性比较图4-10非差动电容式传感器与差动电容式传感器的特性比较1－C1的电容/位移特性

2－C2的电容/位移特性

3－C1、C2差接后的的电容/位移特性三、硅微电容式差压传感器图4-11FCXAⅡ型硅微电容式差压传感器结构1－压力接口2－陶瓷环3－硅微加工固定膜片（定极板）4－硅微加工感压膜片（动极板）

5－SiO2绝缘层6－金属化通孔FCXA/C型硅微电容式浮动膜盒差压传感器结构图4-12FCXA/C型硅微电容式浮动膜盒差压传感器结构1－隔离膜片

2－波纹座3－导压液

4－保护膜片

5－硅微电容式压力入口6－测量小室（δ室）

7－单晶硅测量膜片

8－右定极板9－左定极板

10－硅方块任务二压力表的安装与选型1）测量高压介质时，为安全起见，压力表的表壳应向着墙壁或无人通过的位置。2）取压口是被测对象的压力开口，应选择安装在流速平稳的直线管段上(取压口应在障碍物的前面)。3）当被测介质为液体时，取压口应开在管道的下方；当被测介质为干净气体时，取压口应开在管道的上方；当被测介质为蒸气时，在管道水平中心线成0º~45º的夹角范围内，最好在管道水平中心线。4）截止阀应装设在靠近取压口的地方。5）导压管的内径为6～10mm，长度应尽可能短。6）当被测介质存在脉动压力时，应加装减振缓冲器。7）当被测介质温度过高时，应采用冷凝弯来防止高温介质直接与测压传感器接触。导压管管路的敷设a）压力表在容器（管道）的下方

b）压力表在容器（管道）的上方

c）取压口在管道横截面的角度带冷凝弯压力表的安装8）当被测介质有腐蚀性或粘度大、易结晶时，应加装隔离罐、隔离法兰。9）当环境温度较低时，导压管、压力传感器应采取保温和伴热措施。10）当被测介质为食品等有卫生要求的气体或液体时，应采用陶瓷式压力传感器或不锈钢隔离法兰压力传感器。11）压力传感器的外壳通常需要接地。1－被测管道2－管道壁3－管接座（或内螺纹凸台）4－冷凝弯5－外螺纹截止阀6－直管7－压力接头8－压力表隔离法兰压力传感器图4-17

隔离法兰压力传感器a）齐平式b）伸出式c）远传式d）波纹膜片截面示意图1－波纹膜片2－法兰安装孔3－波纹座4－导压孔5－导压液隔离法兰压力传感器不锈钢隔离法兰压力表的选型在被测压力波动较大的情况下（例如往复泵出口），最大压力值不应超过压力表满量程的1/2，否则易产生弹性后效；最小压力值最好不要低于压力表满量程的1/3，否则将增加测量误差。在被测压力较稳定的情况下，最大压力值不应超过满量程的2/3；为了减小测量误差，被测压力不应低于满量程的1/3；测量高压（10MPa以上）时，最大过程压力不应超过量程的3/5。例4-1如果某压力容器最大压力为6MPa，允许最大绝对误差为±200kPa。求：

1）若选用量程为0～16MPa、准确度为1.5级的压力表进行测量，能否符合误差要求？

2）若改为测量范围为0～10MPa、准确度为1.5级的压力表，是否允许采用？试说明其理由。（见下页）解1）对于测量范围为0～16MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为16MPa×1.5%=0.24MPa=240kPa。因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值（200kPa），所以该压力表是不合格的。解：2）对于测量范围为0～10MPa，准确度亦为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为10MPa×1.5%=0.15MPa。因为此数值的绝对值小于该工艺允许的最大绝对误差，故允许采用。求（续）：

2）若改为测量范围为0～10MPa、准确度为1.5级的压力表，是否允许采用？试说明其理由。例4-2

某一压力容器的压力波动较小，正常工作压力为10MPa左右。现要求示值相对误差不大于1.5%，试确定：

1）压力表的量程。

2）压力表的准确度等级。解1）设压力表的量程为M，p=10MPa，则有以下不等式方程p＜M×2/3，且p＞M×1/3解此不等式方程，得M＞15MPa，且M＜30MPa，因此选择量程为0~20MPa的压力表。（续）求：2）压力表的准确度等级2）由题意可知，可能产生的最大绝对误差与示值相对误差的关系为Δm=10MPa×1.5%=0.15MPa，要求所选压力表的最大引用误差按照表1-3所示的准确度等级，选取0.5级压力表。量程比量程比用于最小量程与最大量程的差距太大的场合。量程比是指最大测量范围（URV）与最小测量范围（LRV）之比。智能压力传感器（也称智能变送器，具体定义见项目二）的“量程比”较大，可达40~400。量程比越大，实际测量时的准确度就越低，当仪表的准确度降低到最大量程的40%时，称为“可用量程比”δ，即3051电容式压力（差压）变送器的型号和主要技术指标305电容式压力变送器代号压力类型

CD差压

CG表压

CA绝对压力

HD高温差压（过程温度190℃）

HP高温表压（过程温度190℃）

量程测量范围（x1~x2kPa）或（x3~x4MPa）3051电容式压力（差压）变送器的型号和主要技术指标例如，型号“3051HP（0~100kPa）2A”表示：电容式高温表压变送器，过程温度为190℃，综合准确度为±0.25%FS，输出信号为4~20mA及基于HART协议的串行通信信号。代号综合准确度（线性+重复性+迟滞）1±0.4%FS2±0.25%FS

代号信号输出

N非智能型，4~20mA模拟输出，无HART输出

A4~20mA，带有基于HART协议的数字量输出

MDC1~5V，带有基于HART协议的数字量输出任务三压力表的校验一、砝码校验法1－砝码2－托盘3－活塞4－活塞柱5－标志线6－工作液（变压器油）

7－手摇液压泵8－手摇液压泵活塞

9－丝杠10－手轮11－油杯12－进油阀把手13－标准压力表

14－被校压力表图4-18

活塞式压力校验台的结构

活塞式压力校验台的力平衡关系p=mg/Am——测量活塞、托盘与砝码重量之和（kg）；g——测量地的重力加速度（m/s2）；A——环境温度为20℃时活塞的有效面积（m2）。校验方法：1）调整活塞式压力计的水平位置。2）排除管道内的空气。3）关闭进油阀，缓慢地旋转手轮，使活塞