过程检测技术及仪表2章-压力测量

3压力、压差测量三种压力表示方法绝对压力pa表压力p负压或真空度ph3.1压力的表示方法pa1绝对压力零线pphpa2大气压p01.01325×105Pa绝对压力是指物体所受的实际压力。表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差。0appp真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压。0happp•由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。•除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。3.2压力检测方法的分类目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。•(3)电气式压力检测它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。•(4)负荷式压力检测它是根据静力平衡原理进行测量，典型仪表有活塞式、浮球式和钟罩式三种。3.2压力检测方法的分类3.3液柱式压力检测液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。p1p2p1p2h(a)(b)21pppgh特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。•用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：•1、温度误差——由使用环境温度的变化引起的测量误差。•它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10℃变到20℃时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15％。•2、安装误差——当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如若倾斜5°，读数误差约0.38％。液体压力计的误差3、重力加速度变化误差；4、传压介质误差:传压介质是指工作液上方的介质（一般是气体），当U形管两个引压管的高度差相差较大，而气体的密度又较大时，引压管内传压介质对工作液的压力作用会引起测量误差。5、读数误差；其他液柱式压力计测量原理：P=h所以h=P/单管压力计：P=P0+ρghP0P斜管压力计：P=P0+ρghPPP0PP0P•液体压力计的使用液体压力计在使用时，须注意以下问题：–压力计工作时，如实际工作温度和当地重力加速度偏离仪表设计值；应对仪表读数进行修正;–压力计应垂直安装使用;–应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液;–在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围。特点：应用范围广、结构简单、稳定可靠、准确度高、重复性好、用途：1、用作检验、检定压力表和压力传感器的标准仪器2、标准压力发生器3.4负荷式压力检测•活塞式压力计•测量原理：P=G/S所以G=P•S•精确度高，允许误差可以小到0.05％～0.02。•常用作标准仪表，检验其它压力计•参见下图活塞式压力计活塞式压力计1、手轮2、手摇泵3、活塞4、被校压力表5、7、切断阀8、标准压力表9、贮油杯、10、测量活塞、11、砝码托盘、12、砝码压力表的示值：P=(m1+m2)g/AP-被测压力；m1-活塞及托盘的质量；m2-砝码质量；A-活塞承受压力的有效面积；g-重力加速度101211活塞式压力计活塞式压力计误差分析1、重力加速度的影响：重力加速度与所在的海拔、纬度有关；2、空气浮力的影响：空气对砝码会产生浮力；3、温度变化的影响：当环境温度不是20度时，要引入温度修正因子；活塞式压力计浮球式压力计•浮球式压力计的用途：•在气体压力仪器仪表的生产、科研和各级计量检定、校准机构使用。可用于测量各种气体压力，大多用来检验各种气体压力测量仪器仪表。•特点：传压介质是压缩空气，克服了活塞式压力计因油的表面张力、粘度等产生的摩擦力，也没有活塞式压力计的漏油问题，特别适用于禁油类压力计和传感器的检定。•组成：浮球、喷嘴、砝码支架、专用砝码、流量调节器、气体过滤器、底座、水平调节器等。•工作原理：•浮球式压力计是以气体作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计。•精密浮球置于气流喷嘴内部，专用砝码通过砝码架作用在浮球体的顶端，当喷嘴内的气体压力作用在浮球体下部时，会使浮球在喷嘴内飘浮起来。在浮球处于飘浮状态下时，专用砝码质量所产生的重力与气压的作用力相平衡，浮球式压力计便输出一个稳定而精确的压力值。•浮球式压力计的精度•等级分为一等、二等。一等的精度为0.02%，目前国内产量很少。二等的精度为0.05%，国内生产厂家较多。这种压力计的精度等级取决于浮球和喷嘴的制造精度和专用砝码的质量精度。•浮球式压力计的测压范围•最高测量上限一般只能达到0.6MPa3.5弹性式压力检测弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。xpxpxpxpxpxxxxx平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。——弹簧管和弹簧管压力表弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270°）的空心管子。管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。•被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。——弹簧管和弹簧管压力表位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：0P式中θ0为弹簧管中心角的初始角；Δθ为受压后中心角的改变量；1－弹簧管2－拉杆3－扇形齿轮4－中心齿轮5－指针6－－面板7－游丝8－调节螺钉9－接头图3-18弹簧管压力表弹簧管自由端的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压。一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）。电源下限上限指针——电接点压力表在普通弹簧管压力表的基础上改进而成，除能就地显示外，还能进行上限值与下限值的报警。波纹管差压计•波纹管差压计–波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压），但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为0～0.4MPa，仪表的准确度等级为1.5～2.5级。其它弹性式压力表•膜盒压力表膜片和膜盒也常常被用作压力测量的弹性元件，从而构成膜片压力表和膜盒压力表。膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为－20～40kPa，仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级。膜片压力表•工作原理与膜盒压力表相近，测量准确度也差不多，但膜片压力表的可测压力范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表.其它弹性式压力表3.6电气式压力检测应变效应：当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。如左图，r1和r2为应变片。r1r2123P(a)传感器1－外壳2－弹性筒3－膜片3.6.1应变片式压力计•应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。•r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。•图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。3.6.1应变片式压力计左图是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)测量电桥不受压时r1=r2=r0R3=R4=r313412()U0RrUERRrr，不受压时若应变片受压，则：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)0122011212010201201()24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.5～1.0％左右。3.6.1应变片式压力计3.6.2霍尔压力变送器（YSH型）压力变化——位移变化——霍尔电势VH变化。Z方向，有恒定的非均匀的磁场BY方向，有恒定的电流I通过由于受电磁力的作用，电子运动的轨迹发生偏移，造成霍尔片的一个端面电子积累，另一端面正电荷过剩，这样在X方向上形成一个电位差（VH），这一电位差称为霍尔电势。这一物理现象称为“霍尔效应”。ZYX霍尔电势：VH=RH×B×IVH:霍尔电势，大小约几十mV；RH：霍尔常数，单位：mV/mA(千高斯)I：控制电流（通过霍尔片的电流），大小约3-20mAB:垂直作用于霍尔片的磁感应强度，一般为几千高斯导体的霍尔效应比半导体小得多，因而霍尔片用半导体做比较多。霍尔片与弹簧管自由端连在一起，压力变化，弹簧管自由端产生位移，霍尔片在非均匀磁场中的位置改变（相当于B会改变），进而VH改变。这样就实现了把压力转变成位移再转变成VH的变化。3.6.3压阻式（扩散硅）压力/差压变送器因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。与应变片一样，扩散电阻正常工作需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。构成框图：扩散硅压阻传感器前置放大器调零电路V－I转换△PUSU01UZIO检测部分电磁放大部分整机电路图－+供参考p2p1硅杯图3-30压阻式传感器示意图正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油测量部分——扩散硅压阻传感器——把被测差压ΔP成比例地转换为不平衡电压US1.负压室2.正压室3.硅杯4.引线5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4测量部分——惠斯顿电桥Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R测量部分——电压转换＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时：△Ri1＝△Ri4＝r1△Ri2＝△Ri3＝r224()2iiSSRRI