材料工程计算机测控压力流量等.ppt

1、第三讲 材料参数测试与传感器（压力、流量等测量）,材料工程计算机测控与仿真,压力信号的传感与变送 流量信号的传感与变送 气氛信号的传感与变送 四 测试仪表,主要内容,（一）压力的定义、单位及分类 在工程上的压力，经常以符号P表示： P=F/S （1-22） 式中F流体介质垂直作用与物体表面的力；S承受力的面积。 几种常用的压力单位： 1帕斯卡Pa：每平方米的面积上作用有1牛顿的力。国际单位制（SI）中规定的压力单位，也是我国国标中规定的压力单位 1Pa=1N/m2 2标准大气压atm：当温度为0、重力加速度为9.80665m/s2、高度为0.760m、密度为13.5951103kg/m3的水银

2、柱所产生的压力。 1atm=101325Pa,一 压力信号的传感与变送,3.工程大气压at：1cm2面积上均匀作用有1kg力时产生的压力 1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa 4巴bar：1cm2的面积上均匀作用有106达因力时所产生的压力 1bar=106dyn/cm2=105Pa 5毫米汞柱: 以液柱高度来表示压力的大小。 毫米汞柱mmHg:在标准情况（温度t=0、重量密度n=1.33322106N/m3，重力加速度n=9.80665m/s2）下， 1mmHg=1Torr=1/760atm=133.322Pa 毫米水柱mmH2O:在其标准情况（温度t=4、重量密度n=9.80

3、665103N/m3、重力加速度n=9.80665m/s2下， 1mmH2O=9.80665Pa 6磅/英寸2 psi:一平方英寸的面积上均匀作用有一磅力时所产生的压力。 1psi=1lbf/in2=6.89476103Pa,在工程技术中流体压力可分为： 1大气压。地球表面上的空气重量所产生的压力。它随所在地的海拔高度、纬度和气象情况而变。 2压差（差压）。两个压力之间的相对差值。 3绝对压力。相对于零压力（真空）所测得的压力。 4表压力（相对压力）。当绝对压力大于大气压时，该绝对压力与大气压之差。 5负压（真空表压力）。当绝对压力小于大气压时，大气压与该绝对压力之差。,（一） 压力的定义与分

4、类,在工程上，还按压力随时间的变化关系分为： 1静态压力：不随时间变化或随时间变化缓慢的压力。 2动态压力：随时间作快速变化的压力。 工程容器压力范围的划分： 微压0105帕 低压105107帕（100公斤力/厘米2） 高压1076X108帕 超高压6X108帕 真空可分粗真空、低真空、高真空等,（一） 压力的定义与分类,1液柱式压力计 P0、P1，U型管内液面间的高度差（h）与被测压力P1 和P0差值间关系可表示为： P = P1- P0=h=nh 式中 液体（常用的是水银和水）的重量密度； 液体的密度； n当地的重量加速度； h 液面间的高度差； P被测压力间的差压。,（二）压力的测量,由

5、上式可知，只有当和n为已知常数时，差压P才与液面间的高度差h成正比。而液面的密度往往要随使用时的环境温度而变，重力加速度n也随使用地的纬度和海拔高度而异，在测量压力时都需要实测液体的密度和重力加速度n或按一定的理论公式进行修正。 当P0=0时，被测压力的差值P= P1为绝对压力。 当P0=1时，被测压力的差值P= P1-1为表压或负压。 当P0为任意值（除0和1大气压外）时，被测压力的差值P = P1- P0为差压。,（二）压力的测量,2膜片应变式,当膜片两侧压力不同时，紧贴其上的应变片随其一起变形而产生电阻变化。,膜片式压力传感器的结构示意图,电阻的变化率可表示为： R/R=S0 式中S0为

6、导电材料的灵敏系数；为材料轴向线应变。 对于周边夹紧的平膜片来说，沿半径r的径向应变r、切向应变t与所承受的压力P间的关系为： r=3P/8Eh2(1-2)(R2-3r2) t=3P/8Eh2(1-2)(R2-r2) 式中，E平膜材料的弹性模量；R 平膜片的工作半径； h 平膜片的厚度；平膜片的泊松系数。,2膜片应变式,应变电阻，是用来检测膜片应变的有效方法。 粘贴、溅射、单晶硅等 全桥电路，即组成电桥的四个桥臂电阻均随压力改变，其中两个感受正应变，另外两个感受负应变。且当压力为零时，四个桥臂的电阻值相互相等，电桥输出电压为零。,2膜片应变式,发电型传感器,3 变磁式压力传感器,发电型传感器,

7、4 电容式压力传感器,真空测量也属压力测量的一个领域，其测量范围指低于大气压的压力。 1 热导式真空计： 一条被电流加热的金属丝，在低压气体中，随着真空度的提高，气体愈加稀薄，热丝传导给气体的热量愈来愈少，热量在热丝上积累，使它的温度升高。利用测量热丝的温度的方法可间接测出其真空度。 适于104 mmHg下真空度的测量,（三） 真空测量,加热丝热损失与气压的关系 热偶式真空计的结构示意图,热导式真空计,2 电离式真空计：10-310-8托（mmHg） Ii=L P Ie L: 电离管灵敏度； P: 被测气体压力； Ie: 发射电流。 即只要 Ie 保持不变（可用稳流源），可根据 Ii的大小来确

8、定被测压力P（真空程度）。,热电子,正离子,负离子,（三） 真空测量,1 节流式流量计是一种速度式流量计，又称为压差式流量计，它使目前工业中测量气体、液体最常用的仪表。它是利用安装在管道中的节流装置（如孔板、喷嘴、文丘利管等），使流体流过时，产生局部收缩，节流装置前后产生静压差。压差大小与流体体积流量一一对应，测出压差即可测出流量。,二 流量信号的传感与变送,节流装置流过体积流量Q和压力差的平方根成正比： 流量系数（推导略）； 流体密度； F0开孔面积； g重力加速度； p1 ,p2节流装置前后端面处的压力。 特点： 1. 结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定准确度能满足工程测量的

9、需要。 2.有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。只要按标准设计加工的节流式流量计，不需要进行实际标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。,节流流量计,根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。 DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。 二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。 差压计既可用于测量

10、流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。,节流流量计,使用标准节流装置时，流体的性质和状态必须满足下列条件： 1. 流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道。 2. 流体必须是牛顿流体。 3. 流体流经节流件时不发生相交。 4. 流体流量不随时间变化或变化非常缓慢。 5. 流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线的无旋流。 6. 标准节流装置不适用于动流和临界流的流量测量。,节流流量计,2 变面积式流量计（转子流量计） 目前工业和实验室中广泛使用的一种小流量测量仪表。 主体是垂直放置的锥形管，管中有一自由浮动的转子。 浮子上升力=浮子自重力时浮子稳定在一定高度上，它周围环形通

11、道面积中气流流速是固定的。 当被测流体流量不同时，获得上述固定流速的高度是不同的。,2 转子流量计,2 转子流量计,涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有与流量qv、流速V和流体密度乘积成比例的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。 涡轮变送器输出的脉冲 信号，经前置于放大器放 大后，送入显示仪表， 就可以实现流量的测量。,3 涡轮流量计,1）涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡

12、轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。精度可达到0.01m3/h,用于自动检测 2） 涡轮流量计的选型（1）流量计本体最好选区用316不锈钢材料以防腐，如是防爆区还必须是防爆结果。（2）轴承一般有炭化钨，聚四氟乙烯，碳石墨三种规格：碳化钨的精度最高，它作为工业控制的标准件；聚四氟乙烯，碳石墨能防腐，一般在化工场所优先考虑。轴承的寿命流速的平方成正反比，故流速最好的在最大流速的1/3速度比较好。（3

13、）感应探头是检测转动体的运动并把它转化为脉冲数字电信号，它电磁线圈电压输出值接近正弦曲线，脉冲信号的频率范围随测量的流量大小成线性变化，典型的范围为10:1，25:1 和100:1三种规格。电磁线圈的电阻一般小于2000，大于该值可能损坏。,3 涡轮流量计,科里奥利质量流量计是广泛使用的一种先进的质量流量计，不仅用于航空航天，近期也广泛用于材料加工过程中。 该种流量计是根据牛顿第二定律建立起力、加速度和质量三者关系的直接式质量流量计。其内部有一振动测量管，当无流体流过时测量管不产生形变，当有流体流过时产生扭曲变形（科里奥利现象），通过两端电磁信号检测器来获得相位差，该相位差与流过的质量流量成正

14、比。,4 质量流量计,1红外线气体分析仪 红外线是一种波长在0.751000m之间的电磁波，所占频带比可见光宽的多。热的物体可以产生红外辐射，红外辐射被物体接收可以产生热量。 红外辐射穿过某种气体时，可对某一特定波长的红外辐射有吸收作用，使透过的辐射强度减弱。而这种气体浓度愈大，吸收作用愈强，基于这个性质，人们制成红外线气体分析仪。,三 气氛信号的传感与变送,CO2和CO对红外线的吸收光谱图,红外分析仪结构示意图,2 氧浓差电势探头 氧化锆传感器是一种新型测氧仪表，其核心部分指氧化锆探头。它的结构简单，反应快，是一种很有前途的传感器。最早用在监测锅炉的燃烧情况。后来在金属热处理领域中用其测炉气

15、氧量，从而间接检测炉气碳势。为可控气氛热处理提供新型检测方法。 氧化锆在常温下属于陶瓷，在高温下成为固体电解质。作为传感器使用的不是纯的ZrO2其中还加入少量的CaO,Y2O3之类的稳定剂。,2 氧浓差电势探头,氧化锆测氧探头是利用氧浓差电池原理工作的。如图a所示，在氧化高两面烧结一层多孔铂电极。当两面气体中氧分压不同时，例如PAPC，在氧化锆内部即产生氧离子迁移，由高氧侧向低氧侧扩散，形成固体电解质氧浓度电池，,1 动圈式仪表 本质上是磁电式电压表。与不同的传感器配用可以给于不同的物理量度。如温度表、压力表、湿度表等。,四 测试仪表,动圈仪表电路、指示示意图,携带式直流电位差计,2 自动平衡

16、式仪表,台式记录仪,压电式传感器,压电效应，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即,不同的材料虽然压电机理不同，但最终产生的效应是等同的。,发电型传感器,1工作原理,D：压电系数；F：施加力的大小,其它常用传感器,2压电变换元件的应用特性：,压电变换元件相当于电荷源，其等效电路为：,电路方程：,发电型传感器,其它常用传感器,发电型传感器,对于频率较低或直流信号，用这种压电机理构成的传感器，测量误差很大。,参量型传感器,电涡流式传感器,电涡流效应 如图所示，线圈中通过交变电流，产生交变磁通；当交变磁通通过导体时，交变磁通使导体内部产生闭

17、合电流，称之为电涡流，电流方向随磁通方向变化而改变。,通常交变磁通借助于通过交变电流的线圈来产生，设线圈产生的磁通为1，1作用在导体中产生的电涡流同样产生磁通2，且与1方向相反。由于2对线圈的反作用，导致线圈的阻抗发生变化。,一般来说，线圈的阻抗与许多参数有关。,1. 工作原理：,其它常用传感器,参量型传感器,其它常用传感器,电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导率、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对传感器进行标定。 电涡流传感器通常可用来测量： 位移、振幅； 转速； 表面裂纹、厚度； 材料分选、表面不平度等，还

18、可以进行零件计数。,2. 应用,3. 应用特点 线圈厚度小，灵敏度高；外径大，测量范围大，但灵敏度低； 被测对象的材质对灵敏度的影响：电导率高，灵敏度高；磁导率高，灵敏度小，因而必须先进行消磁处理。 被测体形状对灵敏度的影响：被测体的表面积应大于线圈的表面积。,参量型传感器,其它常用传感器,电阻式传感器,电阻式传感器可分为电位计式和应变式，这里仅介绍电位计式。电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。 特点：结构简单、性能稳定、可靠， 但精度低，动态响应差。且由于磨 损与尘埃等，引起接触电阻变化， 引入噪声。,灵敏度：,应用：可用来测位移及可变成位移的物理

19、量。,参量型传感器,1. 工作原理：,为常数，因此，具有良好的线性。,电感式传感器,1.自感式传感器,1) 工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。,其中w线圈匝数，Rm磁路磁阻,磁阻Rm与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙 组成。,i, 0分别为铁芯和空气隙的磁导率。 Ai为各段铁芯及空气隙的截面积。 li和i分别为铁芯长度和空气隙厚度。,参量型传感器,在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。,0i, 即Rm主要由空气的磁阻构成。,通常只要（设法）使空气隙的厚度和截面积Ai发生变化，便可以使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。,参量型传感器,灵敏度：,参量型传感器,呈非线性,变气隙式 工作原理及结构：,变气隙截面式：,可知，输出为线性。,由,螺管式：在螺管线圈内插入铁芯，铁芯山下移动式时，磁阻发生变化，这种传感器制造简单，适用于较大位移测量（数毫米），但灵敏度较低。,2）