3压力检测技术及仪表

3压力检测技术及仪表1《过程检测技术及仪表》3压力检测技术及仪表3压力检测技术及仪表23.1概述3.2液柱式压力计3.3弹性式压力计3.4光纤压力计3.5差压变送器3.6电阻应变式压力计3.7振频式压力计3.8压力检测仪表的选用内容安排：3压力检测技术及仪表33.1概述压力为均匀而垂直作用于单位面积上的力。表达式为：AFP式中，P——压力；F——作用力；A——作用面积。在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。211mNPaPaMPa610113压力检测技术及仪表4过去采用的压力单位有：“工程大气压”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、“物理大气压”（即atm）等，均应改为法定计量单位“帕”。压力单位换算表3压力检测技术及仪表5几种不同的压力表示方法：(1)绝对压力:作用于物体表面积上的全部压力,(2)大气压力:空气柱重量所产生的压力,(3)表压力:绝对压力与大气压力之差；当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,如测炉膛和烟道气体的压力均是负压。(4)差压:任意两个压力之差称为差压。绝对压力、表压、负压(真空度)的关系3压力检测技术及仪表6原理与应用：以流体静力学原理来测量压力。采用水银或水为工作液,用U型管或单管进行测量,常用于低压、负压或压力差的测量。3.2液柱式压力计图示的U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力p1,另一侧通压力p2。当p1=p2时,左右两管的液体高度相等。当p1p2时,两边管内液面便会产生高度差。根据液体静力学原理可知:Δp=p2-p1=ρghρ为U形管内液体的密度。hp1p2p1p2(a)(b)优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度。缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便。3压力检测技术及仪表7如把压力p1一侧改为通大气P0,则上式可改写为单管或斜管，测压原理与U形管相同。p2=ρgh单管压力计斜管式压力计p=ρgh3压力检测技术及仪表83压力检测技术及仪表9以弹性元件受压后产生弹性变形作为测量基础。3.3.1弹性元件弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。3.3弹性式压力计波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。pxpx平薄膜波纹膜xp波纹管px单圈弹簧管xp多圈弹簧管3压力检测技术及仪表10图为利用弹性形变测压原理图。当通入被测压力p时,弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡,弹簧被压缩后产生的弹性位移量Δx与被测压力Δp的关系符合胡克定律,表示为Axcp测量压力就变为测量弹性元件的位移量Δx。金属弹性元件都具有不完全弹性，即在所加作用力去除后，弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象，这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关。若要减小这方面的误差，则应注意选用合适的材料，加工成形后进行适当的热处理等。3压力检测技术及仪表11当开口端通入被测压力后,非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形,使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩,结果使弹簧管的自由端产生位移,改变中心角。中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系:3.3.2弹簧管压力表2a2brROBB′Ap2222)1(12kaabbhREP3压力检测技术及仪表12如果a=b，则Δθ=0，这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管，中心角变化量Δθ比较小，要提高Δθ，可采用多圈弹簧管。2222)1(12kaabbhREP3压力检测技术及仪表13弹簧管压力表被测压力由接头9通入,迫使弹簧管1的自由端产生位移,通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。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3压力检测技术及仪表14电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。3压力检测技术及仪表153.3.3膜盒压力计普通型膜盒压力计原理图1-膜盒；2-连杆；3-绞链块；4-拉杆；5-曲柄；6-转轴；7-平衡片；8-游丝；9-指针；10-刻度盘其压力-位移转换元件是金属膜盒，常用来测量几百至几万帕以下的无腐蚀性气体的正压或负压。被测压力p经导压管引入膜盒1中，使膜盒产生弹性变形位移，此位移经一系列传动后，使指针7作相应的偏转，进而在刻度盘上显示出被测压力的数值。游丝10用以消除传动间隙的影响。因为膜盒产生的弹性变形位移与被测压力成正比，所以该仪表具有线性刻度。膜盒压力表金属膜片金属膜盒3压力检测技术及仪表163.3.4波纹管压力计可实现信号远传的波纹管压力计波纹管3压力检测技术及仪表173.3.5压阻式压力计压阻式压力计的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件，实际上就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，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好。缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。3压力检测技术及仪表18压阻式压力计的结构示意图内部结构硅膜片示意图在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。3压力检测技术及仪表193.3.6变隙式差动电感压力计线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3压力检测技术及仪表203.3.7差动电容式压力计通过弹性膜片的位移引起电容量的变化,从而测出压力（或差压）.差动电容式压力计结构图3压力检测技术及仪表213.3.8压电式压力计压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体。特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与下方弹性膜片接触并接地，另一个侧面与上方弹性膜片接触，并通过金属箔和引线将电量引出。3压力检测技术及仪表22在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。压电元件输出的电荷量为pskqq—电荷量；k—压电系数；S—作用面积；P—被测压力测得电荷量即可求出被测压力值。压电式压力计不能用于静态测量，压电材料在交变力的作用下，电荷可以得到不断补充，以供给测量回路一定的电流，适用于动态测量。3压力检测技术及仪表233.3.9霍尔式压力计由压力-位移转换部分、位移-电势转换部分和直流稳压电源等组成。压力先转换成位移，再应用霍尔电势与位移的关系测量压力。IBRUHH霍尔电势UH的大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。3压力检测技术及仪表243.3.10弹性式压力计的选用选择依据是生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、允许误差、介质特性及生产安全等因素。最大压力值应不超过满量程的3/4,在被测压力波动较大的情况下,最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度,被测压力最小值应不低于全量程的1/3。在选择弹性式压力计时，除仪表类型的选择之外，重点需考虑的问题是仪表的量程。为了保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择量程时必须留有足够的余地。3压力检测技术及仪表253.4光纤压力计光纤传感器是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。3压力检测技术及仪表26光纤微弯曲压力传感器由两块具有空间周期性的波形板(变形器)构成，其中一块是活动板，另一块是固定板。一根光纤从一对波形板之间通过。当有压力F作用而使活动板产生位移时，光纤就会发生微小弯曲，这时，部分光线漏出包层，光纤芯的输出光强减小，光强受到调制。通过检测光纤芯透射光强度或泄漏出包层散射光强度，即可测出压力(或位移)的大小。光纤微弯对传播光的影响光纤微弯位移（压力）传感器3压力检测技术及仪表27作用：用来将压力、差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。应用：差压变送器显示、记录或控制配电器测压力：差压变送器配电器显示、记录控制开方器测流量：H＋－通大气测液位：3.5差压变送器类型：电容式、压阻式、压电式。3压力检测技术及仪表28电容式差压变送器方框图输入差压ΔPi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化。此电容变化量由电容-电流转换电路变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流I0。3.5.1电容式差压变送器3压力检测技术及仪表293压力检测技术及仪表303.5.1.1差动电容传感器1，2，3-电极引线；4-负压管导入口；5-硅油；6-负压侧隔离膜片；7-负压室基座；8-负压侧固定电极；9-可动电极；10-正侧固定电极；11-正压室基座；12-正压侧隔离膜片；13-正压管导入口3压力检测技术及仪表31当△pi＞0，将迫使硅油向右移动，进而使可动极板向右发生微小位移△S①差动电容容量的相对变化值与被测差压△pi成线性关系；②差动电容容量的相对变化值与介电常数无关，这可大大减小温度对变送器测量精度的影响；③差动电容容量的相对变化值与S0有关，S0越小，灵敏度越高。2100221000[1/()1/()][1/()1/()]iiiiCCASSSSSKSCCASSSSS1iSKP11110iAACSSS22220iAACSSS3压力检测技术及仪表32作用：将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号。此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分。3.5.1.2转换放大电路3压力检测技术及仪表33是一种变压器反馈型振荡电路，其振荡`频率由检测电容和变压器次级绕组的电感决定。振荡器的输出幅值由控制放大器IC1的输出电压决定。⑴高频振荡器作用是向差动电容提供高频电流3压力检测技术及仪表34⑵解调和振荡控制电路只要设法使I1+I2保持不变，即可实现电流信号Ii与电容相对变化值成线性关系。Ii=I2-I1=(I2+I1)Ci2-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci1①解调器由VD1～VD8构成②振荡控制放大器主要包括放大器IC1，其作用是保持I1+I2不变实现差动电容相对变化值与电流信号Ii之间的线性关系。3压力检测技术及仪表35⑶放大电路作用：将电流信号Ii放大，并输出4~20mA的直流电流。3压力检测技术及仪表363.5.2扩散硅式差压变送器采用硅杯压阻传感器作为敏感