3壓力檢測(cè)儀表

1、3 壓力檢測(cè)儀表,壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測(cè)量和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。壓力及差壓的測(cè)量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測(cè)量中。,內(nèi)容安排：,3.1 概述3.2 液柱式壓力計(jì) 3.3 彈性式壓力計(jì) 3.4 壓力傳感器3.5 差壓變送器3.6 壓力儀表的選用,3.1 概述,垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國(guó)際單位制（SI）和我國(guó)法定計(jì)量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱“帕”，符號(hào)為“Pa”

2、。 即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,,過(guò)去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均應(yīng)改成法定計(jì)量單位帕。 1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa 1mmH2O = 0.9807×10Pa

3、 1 mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89×103Pa,詳見(jiàn)表3-1,3.1.1 壓力的概念及單位,3.1.2 壓力表示方式,絕對(duì)壓力PJ大氣壓力PD表壓力PB PB= PJ －PD真空度PZ（負(fù)壓） PZ＝ PD－ PJ,3.1.3 壓

4、力檢測(cè)方法,1.彈性力平衡法：利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的彈性力 與被測(cè)壓力相平衡的原理。將壓力轉(zhuǎn)換成位移，測(cè)出形 變位移的大小就可以測(cè)出被測(cè)壓力。如：彈簧管壓力計(jì)、 波紋管壓力計(jì)。2.重力平衡法：通過(guò)儀表使液柱高度的重力或砝碼

5、的重量與被測(cè)壓力相平 衡的原理測(cè)量壓力。如：U型管壓力計(jì)、活塞壓力計(jì)3.機(jī)械力平衡法：將被測(cè)壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個(gè)集中的力，用外力與 之平衡，通過(guò)測(cè)外力的大小得到被測(cè)壓力。如：壓力變送器。4.電氣法：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。如壓電 式、應(yīng)變片式、電

6、容式、光纖式壓力計(jì)。,3.2 液柱式壓力計(jì),利用液柱對(duì)液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測(cè)壓力相平衡的原理，通過(guò)液柱高度來(lái)反映被測(cè)壓力的大小優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。缺點(diǎn)：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管 容易損壞及讀數(shù)不方便,采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進(jìn)行測(cè)量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)。被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室壓力測(cè)量或現(xiàn)場(chǎng)鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測(cè)量。,U

7、形管壓力計(jì),△P=P1－P2 =ρg(h1+h2),提高工作液密度將增加壓力的測(cè)量范圍，但靈敏度要降低。,,單管壓力計(jì),由于U形管壓力計(jì)需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計(jì)出一次讀取液面高度的單管壓力計(jì)。,,因 則 故 由于 D>>d，所以 P =ρgh2,斜管微壓計(jì),主要用于測(cè)量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計(jì)的測(cè)量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏

8、度，減少讀數(shù)相對(duì)誤差。,傾斜角度越小，l越長(zhǎng)，測(cè)量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。這種傾斜管液柱式壓力計(jì)可以測(cè)量到0.98Pa的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計(jì)的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。,液柱式壓力計(jì)的測(cè)量誤差及其修正,1. 環(huán)境溫度變化2. 重力加速度變化3. 毛細(xì)管現(xiàn)象,,3.3 彈性式壓力計(jì),用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測(cè)量?jī)x表稱為彈性式壓力計(jì)。彈性元件受壓后產(chǎn)

9、生的形變輸出（力或位移），可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)指針指示壓力（或壓差），也可以通過(guò)某種電氣元件組成變送器，實(shí)現(xiàn)壓力（或壓差）信號(hào)的遠(yuǎn)傳。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，現(xiàn)場(chǎng)使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測(cè)量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。,彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會(huì)產(chǎn)生變形，變形大小與被測(cè)壓力成正比關(guān)系。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。,3.3.1 彈性元件,上圖給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管

10、多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測(cè)量。,彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開(kāi)口，為被測(cè)壓力輸入端。當(dāng)開(kāi)口端通入被測(cè)壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′，而產(chǎn)生位移，輸入壓力越大，位移越大。,3.3.2 彈簧管壓力表,彈簧管壓力表：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便

11、，價(jià)格低廉，使用范圍廣，測(cè)量范圍寬可測(cè)負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓精度有0.5、1.0、1.5、2.5等,3.4.1 霍爾式壓力傳感器,測(cè)壓原理：利用霍爾片式傳感器（根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng) 的原理）實(shí)現(xiàn)壓力-位移-霍爾電勢(shì)的轉(zhuǎn)換?；魻柶菏且环N半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換元件。霍爾效應(yīng)：把一塊霍爾元件置于均勻磁場(chǎng)中，并使霍爾片與磁 感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直，在沿著霍爾片的左右兩個(gè)

12、 縱向端面上通入恒定的控制電流I，則會(huì)在霍爾片 的兩個(gè)橫向端面之間形成電位差VH，此電位差稱為 霍爾電勢(shì)。,,,,,,,3.4 壓力傳感器,,,彈簧管,霍爾片,K——霍爾式壓力傳感器輸出系數(shù) χ——自由端霍爾元件的位移量,磁鋼,霍爾片 + 彈簧管,磁場(chǎng)由一對(duì)特殊幾何形狀的馬蹄型磁鋼產(chǎn)生。右側(cè)磁場(chǎng)方向向下，左側(cè)向上，大小相等方向相反，構(gòu)成差動(dòng)磁場(chǎng)。當(dāng)霍爾片處于中心平衡位置時(shí)，因磁通大小相等

13、方向相反，且對(duì)稱，所以霍爾電勢(shì)代數(shù)和為零。當(dāng)彈簧管自由段帶動(dòng)霍爾片偏離平衡位置時(shí)，產(chǎn)生電勢(shì)的代數(shù)和不為零。完成位移-電勢(shì)轉(zhuǎn)換。,壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時(shí)會(huì)在其表面產(chǎn)生電 荷，其電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料：?jiǎn)尉w、多晶體特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線 性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣,3.4.2 壓電式壓力傳感器,測(cè)量范圍：0～

14、70MPa應(yīng)用：加速度、壓力等,,3.4.3 電容式壓力傳感器,壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。,3.4.4 壓阻式壓力傳感器,優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能直接反映微小的壓力變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。缺點(diǎn)：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。,作用:(1)變送

15、：將被測(cè)參數(shù)成 比例轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一 信號(hào)，并能將信號(hào)一 定距離遠(yuǎn)傳。 (2)可調(diào)量程：同一參數(shù) 的不同范圍轉(zhuǎn)換為成比 例的統(tǒng)一信號(hào)。,3.5 差壓變送器,,測(cè)壓原理:是利用轉(zhuǎn)換元件將壓力變化轉(zhuǎn)換成電容變化，再通過(guò)檢測(cè)電容的方法來(lái)測(cè)量壓力的。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（小型化、輕量化）、性能穩(wěn)定、可靠，具有較高的精度。,3.5.1 電容式壓力變送器,差動(dòng)平板電容

16、器的工作原理:,差動(dòng)平板電容器共有三個(gè)極板，其中中間一個(gè)電極板為活動(dòng)電極板，兩端為固定電極板。電容器在初始狀態(tài)下，活動(dòng)極板正好位于兩固定電極板的中間，如圖 (a)所示。此時(shí)上下兩個(gè)電容容量完全相等，其差值為零。而每個(gè)電容的容量為,當(dāng)受到外界作用，使中間的活動(dòng)電極板產(chǎn)生一個(gè)微小的位移后，如圖 (b)所示。,≈,變送器構(gòu)成方框圖,電容式壓力傳感器,結(jié)論：,擴(kuò)散硅壓力變送器屬應(yīng)變式壓力變送器。它是基于電阻應(yīng)變?cè)頊y(cè)量壓力的。當(dāng)電阻體在外力作用

17、下，產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值也將隨之發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱之為電阻應(yīng)變效應(yīng)。通過(guò)對(duì)電阻變化量的檢測(cè)，即可得知其受力情況。 擴(kuò)散硅壓力變送器檢測(cè)部件的原理結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。它的感壓元件叫做擴(kuò)散硅應(yīng)變片。其電阻布置如圖(b)所示、杯內(nèi)腔承受被測(cè)壓力p，杯的外側(cè)為大氣壓力。如用來(lái)測(cè)量差壓，則分別接 p1及p2。,3.5.2 擴(kuò)散硅壓力變送器,硅杯設(shè)計(jì)時(shí)，取R1=R2=R3=R4=R ，所以此時(shí)橋路平衡時(shí)，當(dāng)壓力為零時(shí)，橋路輸出

18、為U=0當(dāng)外界有壓力時(shí)，由于四個(gè)電阻的位置經(jīng)過(guò)精確選擇，使得電阻變化量相等，即： △R1=△R2=△R3=△R4=△R 這時(shí)橋路失去平衡輸出電壓信號(hào)為：,上式表明橋路的輸出電壓與應(yīng)變電阻的變化量成正比。這個(gè)信號(hào)再經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換，變成 4~20mA 直流電流信號(hào)作為顯示和調(diào)節(jié)儀表的輸入。,,,,3.5.3 智能型壓力變送器,為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的要求，近年來(lái)出現(xiàn)了采用微處理器和先進(jìn)傳感器技術(shù)的智能變送器，有智

19、能溫度變送器、智能壓力變送器、智能差壓變送器等。智能變送器可以輸出數(shù)字和模擬兩種信號(hào)，其精度、穩(wěn)定性和可靠性均比模擬式變送器優(yōu)越，并且可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與上位計(jì)算機(jī)相連。智能變送器具有以下特點(diǎn)：,① 測(cè)量精度高;② 具有較寬的零點(diǎn)遷移范圍和較大的量程比；其量 程范圍為100 : 1；③ 具有溫度、靜壓補(bǔ)償功能（差壓變送器）和非線 性校正能力（溫度變送器），以保證儀表精度；④ 具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向

20、數(shù) 據(jù)通訊；⑤ 通過(guò)手持通信器（手持終端）能對(duì)1500m之內(nèi)的現(xiàn) 場(chǎng)變送器進(jìn)行遙控操作。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行各種 工作參數(shù)的設(shè)定，遠(yuǎn)程組態(tài)調(diào)零、調(diào)量程和自診 斷，維護(hù)和使用十分方便。,以3051C 為例： 組成：傳感膜頭：被測(cè)壓力--- A/D轉(zhuǎn)換----數(shù)字信號(hào) 電子線路板：對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正，線性化處理---D/A轉(zhuǎn)換-- 4～20mA信號(hào),3.6 壓力檢測(cè)儀表的選用,3.6.1 壓力檢測(cè)

21、儀表的選擇3.6.1.1 儀表量程的選擇被測(cè)壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀表滿量程的2/3；被測(cè)壓力波動(dòng)較大或測(cè)脈動(dòng)壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀表滿量程的1/2；為保證測(cè)量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。,3.6.1.2 儀表精度的選擇 壓力檢測(cè)儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來(lái)確定，即要求實(shí)際被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。,3.6.1.3

22、儀表類型的選擇從被測(cè)介質(zhì)壓力大小來(lái)考慮被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)儀表輸出信號(hào)的要求使用的環(huán)境,3.6.2 壓力表的安裝,3.6.2.1 取壓口的選擇測(cè)管道靜壓應(yīng)該避開(kāi)壓力擾動(dòng)處、保證測(cè)量管路內(nèi)為單相流體。開(kāi)孔：壓力穩(wěn)定處，即不要有閥，彎頭等阻力件。方位：液體在管道下方45度區(qū)域取壓，氣體在管道上方。,導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓差信號(hào)的。1、內(nèi)徑一般6~10mm，長(zhǎng)度盡可能短，最長(zhǎng)<50m。減少壓力指示遲緩。2、導(dǎo)壓管水平安裝應(yīng)保

23、證有一定角度。以便積存的液體、氣體排出。3、取壓口和壓力計(jì)之間要有切斷閥。以備檢修。,3.6.2.2 導(dǎo)壓管的鋪設(shè),,3.6.2.3 壓力、壓差計(jì)的安裝,3.6.3 壓力儀表的校驗(yàn),校驗(yàn)就是將被校驗(yàn)壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果被校表對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定的最大準(zhǔn)許絕對(duì)誤差時(shí)，則認(rèn)為被校表合格。常用的校驗(yàn)儀器是活塞式壓力計(jì)，它由壓力發(fā)生部分和測(cè)量部分組成，它的精度等級(jí)有0.02、0.05和0