过程检测仪表[电子教案]第二章 压力检测仪表

第二章压力检测仪表2.1概述2.1.1压力的概念与压力单位1．压力的概念工程上统称介质垂直作用在单位面积上的力为压力。2．压力的单位国际单位制法定单位：帕斯卡（Pa）。常用压力单位换算关系。1MPa=10.1972Kgf/cm21atm=101.325kPa=760mmHg1mmH2O=9.80662Pa（1）绝对压力P：介质的真实压力。（2）表压力：aPPp（3）负压力：PPpa压力仪表指示的压力均为表压力。3．压力的表示方法2.1.2压力测量仪表的分类（1）液柱式压力计gHρp（2）弹性式压力计（3）活塞式压力计（4）电测式压力计2.2.1弹性元件特点：结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽，附加电气变换、控制装置，可实现压力远传、报警、控制等。弹性元件：压力作用下产生弹性变形，是弹性式压力计的测压敏感元件。常用弹性压力计弹性元件：2.2弹性式压力计（1）弹簧管结构简单，测量范围很广，最高可达109Pa。（2）波纹管刚度小、位移量大，灵敏度高，用来测量较低的压力。（3）膜片膜盒膜片刚度大、位移量小，灵敏度低。弹性元件的材料:有金属（铜基、铁基、镍基、铌基弹性合金合金）、石英、陶瓷和硅材料等。弹性元件的基本特性：刚度：产生单位位移所需要的压力。弹性滞后：是指弹性材料在加载、卸载的正反行程中,相同压力下变形不同,位移曲线是不重合的。弹性后效：是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移。温度系数：温度改变1度引起的刚度的变化。2.2.2弹簧管压力表1．弹簧管测压原理被测压力p作用于弹簧管内腔后，其截面变形-变园。但是，弹簧管弧长度拉伸变形可以忽略不计，弹簧管微元截面绕管轴心逆时针方向转动。所有弹簧管截面微元变形累积的结果，使整个弹簧管中心角减小，弹簧管产生向外挺直的扩张变形，自由端向右上方位移。图2.3弹簧管的测压原理PKPabbhRE22222)1(1＝、――弹簧管材料的泊松系数和弹性模量；R——弹簧管圆弧外半径；a、b——弹簧管截面长半轴、短半轴；h――弹簧管的壁厚；k――弹簧管的几何参数，――系数；k――与弹簧管结构、尺寸、材料有关的常数。结论（1）弹簧管变形与弹簧管结构及尺寸有关。（2）弹簧管变形与弹簧管材料性能有关。（3）弹簧管变形与被测压力P成正比。弹簧管的截面形状：有扁圆形、椭圆形、D型、双零形、8字形。弹簧管的材料：磷锡青铜（QSn4-0.3）、弹簧铜（50CrVA）；不锈钢（1Cr18Ni9Ti）或恒弹性合金钢（N42CrTi,Ni42Cr6Ti）。2．弹簧管的结构和材料图2.4常见弹簧管截面形状3．弹簧管压力表的组成原理弹簧管压力表结构：由弹簧管、传动放大机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等）、指示装置（指针和表盘）以及外壳等几部分组成。图2.5弹簧管压力表结构工作原理：被测压力由接头9通入弹簧管内腔，使弹簧管1产生弹性变形，自由端B向右上方位移。通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，进而带动中心齿轮4作顺时针偏转，于是固定在中心齿轮上的指针5也作顺时针偏转，从而指出被测压力的数值。由于自由端B的位移量与被测压力之间成正比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。量程调整：改变调整螺钉8在扇形齿轮的槽孔中位置，以改变传动放大机构的放大倍数，实现压力表量程的调整。变差校正：游丝7始终给中心齿轮施加一个微小的力矩，使中心齿轮和扇形齿轮始终有一侧齿面啮合，以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变差。（1）按弹簧管结构分：有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表。（2）按测量精度分：有工业用压力表（0.5级以下）、校验用精密压力表。（3）按其用途分：有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表，氧气压力表、氨用压力表等。4.弹簧管压力表的形式图2.6弹簧管压力表的形式(a)径向无边(b)径向后边(c)径向前边(d)轴向无边（e）轴向前边（f）隔膜式压力表公称直径（Φ40、Φ60、Φ100、Φ150、Φ250）。压力计的测量范围：常用的有0～1.0、1.6、2.5、4.0、6.0×10n系列。精度等级：4.0、2.5、1.5、1.0、0.5、0.4、0.25、0.2、0.1级等。弹簧管压力表的外形：径向、轴向、直接安装式、凸装式、嵌装式。2.2.3电接点压力表作用：压力越限报警、控制。结构：在普通弹簧管压力表上附加触点机构而成。原理：当压力超过上限设定值时，动触点B和静触点A接触，红色信号灯LH的电路被接通，使红灯点亮。若压力低到下限设定值时，动触点B与静触点C接触，绿色信号灯LL的电路接通,绿灯亮，依此警示压力超限。而当压力回到上（下）限以内时，静触点被上（下）限指针1、3挡住，动、静触点脱离接触，信号灯均不亮。图2.7电接点信号压力表2.3霍尔式压力计组成：由霍尔式压力传感器和显示仪组成。2.3.1霍尔效应图2.8霍耳效应原理霍尔元件：是置于磁场中的一半导体材料片。原理：磁场中的霍尔元件在Y向通入恒定电流I，自由电子受洛伦磁力F的作用发生偏移，霍尔片-X方向端面上有电子积累，+X方向端面上正电荷过剩，产生电位差E，即“霍尔电势”IBKblfhIBREhh)(h2.3.2霍尔片式压力传感器霍尔式弹簧管压力传感器结构：两个完全相同的磁铁相对安装，磁钢两对极靴形状特殊，使磁极间形成的磁场成线性分布，两侧方向相反。(a)传感器结构(b)非均匀磁场图2.9YSH-3型霍尔片式压力传感器原理：当被测压力为零时，霍尔片处于极靴中央位置，左右两半磁场方向相反、互相对称，霍尔片总电势之和为零。当被测压力大于零时，弹簧管带动霍尔片左移，霍尔片总电势大于零。当输入压力是负压时，霍尔元件向右移动，霍尔电势为负。并且压力越大，霍尔片偏移越大，输出电势也越大。此霍尔电势与被测压力成比例。利用该电势即可实现压力信号的远传。2.4电感式压力计2.4.1差动变差器差动变压器的结构：次级线圈由两个完全对称的线圈L21、L22反相串接。铁芯的位置，影响次级线圈的磁耦合，使线圈L21、L22上的磁通及感应电势发生变化，其输出电压ｕ随之改变。(a)结构(b)等效电路(c)输入输出关系图2.10差动变压器2221-eeu12221iΜΜju)(＝－当铁芯在中间位置时，由于两个次级线圈的参数和磁路尺寸相等，则，输出电压；当铁芯偏离中间位置向上位移时，L21磁耦合加强，互感增加；L22磁耦合减弱，互感减小。ΜΜΜ222112Μiju＝其输出电压有效值xKΜIUx12＝2.4.2电感式压力传感器1、膜盒电感式远传微压力计结构：膜盒、差动变压器。原理：当被测压力P增加时，膜盒产生变形，产生轴向位移，带动铁芯在差动变压器线圈中移动，从而使差动变压器产生正比于被测压力的电压输出。图2.11电感式远传微压计图2.12CPC型差压计结构图1-高压导管；2-低压导管；3-盖板；4-罩壳；5-紧固螺母；6-绕组；7-弹簧；8-导管螺母；9、10-密封垫圈；；11-膜片；12-高压室；13-保护环；14-正压保护挡板；15-负压保护挡板；16-基座；17-低压室；18-导管；19-连杆；20-铁芯；21-调节螺母；22-低压阀；23-平衡阀；24-高压阀2、电感式差压传感器组成：三阀组、膜片、差动变压器。原理：当P1、P2分别进入高、低压室时，推动膜片向低压侧移动。通过连杆带动铁芯右移，差动变压器有电压信号输出，此输出电压的大小与所测的差压成比例关系。单向受压保护：当差压太大或单向受压时，保护挡板压紧在保护环上，封闭高低、压室，利用工作液的不可压缩性，防止膜片继续变形损坏。2.5应变式压力计2.5.1应变效应应变：压力作用下产生的相对变形。应变效应：导体产生机械变形时，电阻发生变化的现象。设应变片电阻丝在未受力时，原始电阻为ALR当电阻丝受到轴向拉力作用变形时AALLRRdddd－＋＝2rArrAAd2drrLLRRd2ddd－＋＝LdL为电阻丝的轴向应变；rdr为电阻丝的径向应变。根据材料力学原理-dRdR)(21)(21项是由于材料变形产生的电阻变化，为电阻的几何效应。d项是由于材料电阻率ρ改变引起的电阻变化，称为压阻效应。对于金属材料，1dKRdR)(21K为其灵敏度系数。K=1.7～3.6之间。对于半导体材料，)(21dKEdRdRl≈为纵向压阻系数，E为材料弹性模量。常用硅、锗半导体材料,K=100～170。l（1）丝式应变片:由称为敏感栅、绝缘基底、引线、保护膜等组成。（2）箔式应变片：用金属箔经光刻、腐蚀制成。（1）体型半导体应变片：将半导体材料切割成小片，压焊引线后制成。（2）薄膜型半导体应变片：利用真空蒸镀技术将半导体材料沉积在基片上制成。（3）扩散型半导体应变片：将P型杂质扩散到不导电的N型单晶硅基片上，形成一层导电的P型扩散硅扩散电阻。2、半导体应变片2.5.2应变片1、金属应变片(a)体型半导体应变片（b）薄膜型半导体应变片(c)扩散硅半导体应变片图2.14半导体电阻应变片图2.15电桥电路电桥输出开路时输出电压为))((32413142RRRRRRRREVsR1R3=R2R4时，电桥平衡，输出电压ΔV=0。（1）等臂电桥：R1=R3=R2=R4=R应变片电阻R4变化ΔR，2RΔR时RRERRREVss422KEVs4（2）等臂电桥四个桥臂均为应变电阻时)(43214433221144KERRRRRRRREVss2.5.3应变电阻测量桥路2.5.4应变片式压力传感器1、膜片式应变压力传感器（a）结构；（b）应变片布置；（c）膜片应变图2.16膜片式应变压力传感器原理：膜片各处产生的径向应变εr在中心区域为正向应变（拉伸），在边缘区域为负向应变（压缩）。R2、R4贴在膜片的正应变区，压力作用下电阻增加；R1、R3贴在膜片的负应变区，压力作用下电阻减小。在测量桥路上，同区电阻置于电桥的相对桥臂上。这样可以得到最大的差动灵敏度，并且具有温度补偿特性。KERRRRRRRREVss4433221142、应变筒式压力传感器BPR-3型压力传感器：弹性应变筒固定在外壳和钢密封膜片1之间。测量应变片R1沿应变筒轴向粘贴，补偿应变片R2沿应变筒圆周方向粘贴。图2.18BPR应变式压力传感器1-膜片;2-测量应变片；3-应变筒；4-接座；5-冷却水咀；6-垫圈；7-出线接头；8-电缆（插头座）；9-护盖；10-定位销；11-补偿应变片;12-安全孔；13-压盖原理：压力P使膜片凸起，应变筒轴向变形，变粗、变短。R1压缩变小；R4拉伸变大。但当P=0时，R1=R2=R3=R4=R，电桥平衡，输出电压V=0。当被测压力P0时，R1=R-ΔR1，R4=R+ΔR4，电桥失去平衡，输出电压：414122RRRRREVs考虑到2R-ΔR1+ΔR4，则εKμERRΔRΔEVss)(14441压力传感器敏感元件--“硅杯”底部形成膜片，制成四个扩散电阻构成桥式测量电路。图2.19压阻式压力传感器（a）扩散电阻布置（b）硅膜片上应力分布图2.20硅膜片电阻及应力分布使R1和R3布置在压应力区，压力作用下电阻减小；R2和R4布置在拉应力区，压力作用下电阻增加。2.5.5压阻式压力传感器1．工作原理与结构2．扩散硅压阻式压力变送器组成：半导体硅杯、电桥检测电路、信号放大电路和标准电流输出电路。图2.22扩散硅差压变送器测量电路图检测原理：P=0时，R1=R2=R3=R4，Ia=Ib=0.5mA。I2为3mA，Ubc=Uac，Uba=0,电桥平衡FFabRIRRIRRI2152)()(P0时，Uac减小，Ubc增大。Uba=Ubc-Uac0。经运算放大器A、VT放大，I2增大。RF上反馈电压UF增加，导致