4检测教案压力检测

传感器与检测技术项目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授课教案PAGEPAGE1模块四、压力检测授课教案课程名称：检测技术班级：性质：考试课授课人：课题：模块四、压力检测课时安排：4课次编号：5~7教材分析难点变极距电容式传感器特性重点两线制电流输出型仪表的计算教学目的和要求1.了解变极距电容式传感器的工作原理；2.掌握两线制电流输出型仪表的计算；3.熟悉智能仪表的零点迁移原理；4.了解总线制和智能仪表的原理。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂互动、分析实训教具：电涡流传感器及接近开关各教学环节和内容一、压力的单位工程技术中的“压力”实际上是指物理学中的压强，用p表示，它等于垂直作用于一定面积A上的力F除以面积A，即垂直并均匀作用在单位面积上的力（4-1）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（4-2）p真空=|p绝-p大气|（4-3）提问：用绝压传感器测量某容器的压力，读数为90kPa，若测量地大气压为100kPa，根据式（4-3）计算：相对真空度为多少千帕？负压为多少kPa？相对真空度的数值介于0~多少kPa之间？图4-1大气压力、绝对压力、表压、负压、真空度之间的关系图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－压力接头提问：弹簧管电接点式压力表能否用于有可燃性气体的场合？为什么？表4-2常用压力仪表的类型、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根据流体静力学原理，液柱所产生的压力与被测压力平衡无源，读数直观，价廉；液柱较长，信号不能远传，封液易与被测介质发生物理和化学反应，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各种形式的弹性元件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；弹性敏感元件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硅微加工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。任务一认识电容式压力传感器提问：电容式传感器具有哪些优点？①相对变化量可达到200%以上；②能在高温和强辐射等环境中工作；③电容式传感器所需的激励源功率小；④动态响应快，能用于动态测量。一、电容式传感器的工作原理及结构形式（4-5）图4-7平行板电容器1－上极板2－下极板3－电力线4－边缘效应图4-8变极距电容式传感器a）结构b）电容与极板距离的关系1－定极板2－动极板（平膜板）3－弹性膜片提问：1.从图4-8可以看出：在极距d越小，灵敏度就越？2.如果极距d很小时，对测量而言，有何缺点？图4-9差动电容式差压传感器a）结构b）外观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－信号电缆提问：从图4-8可以看出：该差动电容式差压传感器的膜片的行程怎样？（4-10）任务二压力表的安装与选型图4-15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提问：为什么测量气体的压力时，导压管需要从压力容器的上方引出？二、波纹隔离法兰压力传感器简介波纹隔离法兰压力传感器由波纹法兰、传压管（或导压孔）、导压液（填充液）、测量室（δ室）、电子电路等部件组成。提问：什么情况下，必须使用波纹隔离法兰压力传感器？三、压力表的选型提问：1.在被测压力波动较大的情况下，最大压力值不应超过压力表满量程的多少分之一？2.最小压力值最好不要低于压力表满量程的多少分之一？3.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多少？4.为了减小测量误差，被测压力不应低于满量程的几分之一？测量高压时，最大过程压力不应超过量程的多少？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。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。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。结论：选择量程很大的仪表来测量很小的参数是不合适的。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（4-12）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。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，根据式（1-6），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。提问：1.什么是“量程比”？2.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”可达40~多少？3.量程比越大，实际测量时的准确度就越？4.什么是“可用量程比”δ？（4-13）例4-3设某智能差压变送器的最大量程为1MPa，当使用量程等于变送器最大量程的1/10时，仪表的准确度仍然能达到±0.1%。若小于最大量程的1/10，则仪表的准确度可用式（4-13）计算，求：1）当准确度降低到±0.1%×2.5时的可用量程比。2）最小量程LRV为多少千帕？解1）当用户选择较小的量程，并使准确度降低到±0.1%×2.5时，“可用量程比”与准确度之间有以下关系：，则此时的可用量程比=。2）最小量程。例：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。任务三压力表的校验图4-18活塞式压力校验台的结构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a－活塞截止阀b－标准压力表截止阀c－被校压力表截止阀d－进油阀例4-4设被校验的压力表A的最大量程为1MPa，准确度等级S=1.5级，现有三块标准表可供校验选择：B表：1.6MPa，0.5级；C表：1.6MPa，0.2级；D表：4.0MPa，0.2级。请确定哪一块标准表较为合适？解按校验规程，标准表的最大绝对误差不应超过被校验表的最大绝对误差（ΔmaxA）的1/3（5.0kPa）。被校验A表的最大绝对误差ΔmaxA=AmaxAΔA=1MPa×1.5%=15.0kPa。B表的最大绝对误差ΔmaxB=AmaxBSB=1.6MPa×0.5%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。C表的最大绝对误差ΔmaxC=AmaxCSC=1.6MPa×0.2%=3.2kPa＜(ΔmaxA/3)。D表的最大绝对误差ΔmaxD=AmaxDSD=4.0MPa×0.2%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。由上述计算可知，标准表C适合于校验压力表A。项目二两线制压力变送器【项目教学目标】☞知识目标1）熟悉压力变送器的分类和组成。2）熟悉压力变送器的HART通信。3）熟悉现场总线型变送器的原理。☞技能目标1）掌握两线制压力变送器的接线。2）掌握智能变送器的零点迁移方法。任务一两线制压力变送器的应用一、压力变送器简介提问：1.什么是变送器（能够将传感器的输出信号转换为可以被控制器接受的标准化信号的设备）？2.在自动控制中，涉及变送器的信号流程是怎样的？（信号源→传感器→运算器→输出级→传输线→控制器→执行机构）3.压力变送器分类？①按工作原理；②按接线方式；两根信号线；四线制？（两根正负电源线，两根信号线，其中一根GND）等；③按输出方式？（可分为电压输出、电流输出、数字信号输出等）；④按压力测量范围？⑤按准确度？。二、两线制压力（差压）变送器简介图4-20压力（差压）变送器的原理框图1．一次仪表与二次仪表提问：什么是一次仪表？（压力变送器已经将传感膜头与信号处理、转换单元组合在一个壳体中，并安装在检测现场的信号采集转换装置）什么是二次仪表?（接受来自一次仪表的信号，并显示、记录、转换及发送该信号的装置）2．电流输出型仪表提问：标准电流输出型仪表的输出为4～多少mA？对应的输出电压为1～多少V？图4-211511电流输出型差压变送器的原理框图3．两线制仪表图4-22两线制仪表的接线方法例4-5某两线制电流输出型压力变送器的产品说明书注明其量程范围为0～200kPa，对应的输出电流为4～20mA。求：当测得输出电流I=12mA时的被测压力p。解因为该仪表说明书未说明线性度，可以默认输出电流与被测压力之间为线性关系，即I与p的数学关系为一次方程，所以有I=a0+a1p（4-15）式中a0、a1——待求常数。当p=0时，a0=4mA当p=200kPa时，I=20mA，代入式（4-15）得a1=0.08mA/kPa，所以该压力变送器的输出/输入方程为：I=4mA+0.08(mA/kPa)p。将I=12mA代入式（4-15）得p=(Ｉ-a0)/a1=(12mA-4mA)/(0.08mA/kPa)=100kPa。图4-23两线制电流输出型压力变送器的特性曲线a）电流/压力特性b）负载/电源电阻特性【填写压力变送器输出电流与压力的对照表训练】输出电流I/mA＜3.754121620＞21.75差压/kPa040160例4-6某两线制电流输出型绝对压力（pabs）变送器的量程为40~250kPa，零点和量程均已校准，若将取压口向大气敞开，求：此时的输出电流I大约为多少毫安？解该仪表输入40kPa的绝对压力时，输出为4mA；输入250kPa的绝对压力时，输出为20mA。设大气压的绝对压力p大气≈100kPa，则此时输出电流与(p大气-pmin)成正比：三、两线制仪表的负载电阻例4-7某两线制4~20mA电流输出型仪表的电源电压为24V，变送器的最低工作电压为12V，若传输线路总长为1km，传输线直流电阻约为100Ω，求：1）最大取样负载电阻R为多少欧？2）若取样电阻R取250Ω时，取样电阻两端的最大输出电压Umax为多少伏？3）若取样电阻R取250Ω时，在线径不变的情况下，传输线的长度最多为多少米？解1）当传输线直流电阻为100Ω时，变送器的最大输出电流为20mA，则线路的最大压降为2V时。当电源电压为24V、变送器的最低工作电压为12V，则负载电阻上的最大压降为10V。最大负载电阻RL=10V/20mA=500Ω。2）若取样电阻R取250Ω时，电阻两端的最大输出电压Umax=250Ω×20mA=5V。3）若取样电阻R取250Ω时，传输线允许的最大电阻值R传输线=(24V-12V-5V)÷20mA=350Ω由于，则传输线的最大长度。任务二两线制压力变送器的HART通信一、HART通信协议简介图4-24HART通信协议波形示意图a）点对点通信时的波形b）多点通信时的波形提问：相对高频的脉冲（2200Hz）表示1还是0？二、智能手持式HART通信器图4-26HART通信的智能手持终端与取样电阻并联连接示意图1－低功耗两线制仪表2－传输线（正极）3－传输线（负极）4－取样电阻5－智能手持终端6－低功耗数字电流表7－浮置式电源提问：1.智能手持终端与取样电阻并联时，取样电阻不能小于多少欧？2.取样电阻与两线制仪表是串联还是并联？3.如果该两线制仪表的输出为20mA，则在图4-26所示的取样电阻两端得到多少伏电压？1）当点对点通信时，智能变送器处于模拟信号与数字信号兼容状态，并且需要一对一的双绞线连接；2）多点通信（多点广播方式）时，不输出4~20mA信号，只输出数字信号，每台智能变送器的输出电流均为4mA。输出端并联在HART总线上，可挂16个以下的HART变送器。3）如果DCS要与HART设备通信，需要配接与智能变送器相同通信协议的数字检测卡（ESC卡）任务三智能压力变送器的应用一、智能变送器简述（1）智能；（2）智能仪表；（3）智能化传感器；（4）智能变送器。二、智能差压变送器的特点（1）性能稳定，可靠性好；（2）量程范围宽；（3）阻尼时间可调；（4）具有自检和自动补偿能力；（5）数字量输出；（6）具有双向通信功能；（7）远程通信；（8）单位换算（9）高、低压侧转换；（10）固定输出。三、智能差压变送器的结构及工作原理图4-273051C型智能差压变送器的工作原理框图提问：1.图4-27中的“反极性保护”是什么意思？2.如果“传感膜头”损坏，能否单独更换“传感膜头”，而不需更换电子电路板及显示器电路？3.图4-27中的左侧的温度传感器是用于干什么的？四、智能差压变送器的零点迁移提问：如果因实际条件限制，导致压力容器的位置比较高，而压力变送器的安装高度比较低，如图4-29所示。当容器中的被测压力等于零时，由于隔离法兰式压力变送器的取压管中灌满密度为ρ的导压液，高度为h，则初始压力p+0怎样？p+0=ρgh