薄膜式弹性元件

第三章检测仪表与传感器第一节自动检测仪表的原理性组成第二节仪表的性能指标第三节压力检测及仪表第四节流量检测及仪表第五节物位检测及仪表第六节温度检测及仪表第一节自动检测仪表的原理性组成从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成，仪表大多由三个部分组成，即传感器、中间部件、显示器。中间部件显示器被测参数参数显示传感器它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号，有时也称为“感受件”，“一次仪表”，“敏感元件”。一、传感器第三章检测仪表与传感器在选择传感器时，一般有如下三个要求：（一）高准确性（二）高稳定性（三）高灵敏性二、显示器它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化，它的形式有：（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表（四）信号式仪表（五）调节式仪表中间部件按其作用的不同，分为如下三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递三、中间部件（三）信号形式的转换1.传感器2.中间件3.显示器管道介质压力测量系统压力表测压孔1、传感器2、中间件3、显示器60504030201003.显示器2.中间件1.传感器玻璃液体温度计第二节仪表的性能指标一、测量误差（一）读数误差仪表读数误差只能是读数与标准测量值之差，即:△=M-A（式中△为读数绝对误差，M为仪表读数,A为读数的标准值）。二、仪表的性能指标读数的相对误差100hA﹪（二）仪表误差在测量标尺范围内，各测点读数误差的最大值，定义为仪表的绝对误差。如例1，读数（℃）0100200300400500600误差值（℃）0±1-2.7±6+3+2-3.5﹪100mN%1%100Nmδ=±7.5﹪。仪表的相对误差或折合误差，即例2一只测量范围为0～600℃的温度计，其绝对误差为±6℃，则；另一只测量范围为20～100℃的温度计，其绝对误差为±6℃,显然，仪表绝对误差相同时，量程较大的仪表质量优于量程较小的仪表。例3有一只仪表参数如下，刻度范围为-50～450℃，测量读数为190℃，读数标准值200℃，则△=190℃-200℃=-10℃，h=δ可见h﹥δ。-5﹪,=-2﹪,（三）基本误差、允许误差和精度等级1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件下，仪表的相对误差。一般仪表量程的上限值应为被测工艺变量最大值的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，如泵的出口压力的测量，则取为3/2倍或2倍；为保证测量值的准确度，一般被测工艺变量最小值以不低于仪表全量程的1/3为宜。2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。注意：基本误差必须与允许误差相一致。3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。例4、某台测温仪表的测温范围为200～700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的精度等级。解：仪表相对误差为精度等级为1.0级。例5、某台测温仪表的测温范围为0～1000℃，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±7℃，试问如何选择其精度等级才能满足以上要求？解：根据工艺要求，仪表的允许误差为：100mN﹪4100700200﹪=±0.8％100mN允71001000﹪﹪=±0.7﹪选择0.5级仪表。可见，根据仪表校验数据和工艺要求来选择仪表精度等级情况不一样。（四）仪表的灵敏度与刻度分格标准仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即。S=x仪表的最小分格值应是仪表有意义的最小读数，即Ф=（0.5～1）△m（Ф为仪表最小分格值）则仪表面板上最多的分格数只能是：n=N/Ф或（n为最多分格数，q为仪表精度等级）qn100)2~1(（五）指示变差：100N正反maxx-x变差﹪仪表的变差不应超过仪表的允许误差。上行程被测变量仪表输出下行程最大绝对差值（六）线性度(非线性误差)（七）反应时间：它反应了仪表动态特性的好坏。被测变量仪表输出理论实际%100max仪表量程ffmaxf三、工业仪表的分类1、按仪表使用的能源来分：气动仪表、电动仪表、液动仪表。2、按信息的获取、传递、反映和处理的过程来分类。集中控制装置显示仪表生产过程检测仪表执行器控制仪表各类仪表在信息传播过程中的关系3、按仪表的组成形式来分：基地式仪表、单元组合式仪表。第一节自动检测仪表的原理性组成中间部件显示器被测参数参数显示传感器一、传感器它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号。在选择传感器时，一般有如下三个要求：（一）高准确性（二）高稳定性（三）高灵敏性二、显示器它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化。它的形式有：（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表（四）信号式仪表（五）调节式仪表它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。三、中间部件小结中间部件按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递（三）信号形式的转换第二节仪表的性能指标测量值与真实值之间总是存在着一定的差别，这个差别就是测量误差。测量仪表品质的好坏可用测量误差的大小来表示。一、测量误差（一）读数误差△=M-A（式中△为读数绝对误差，M为仪表读数,A为读数的标准值）。二、仪表的性能指标（二）仪表误差（h为读数的相对误差）100hA﹪在测量标尺范围内，各测点读数误差的最大值△m，定义为仪表的绝对误差。﹪100mN仪表相对误差（N为仪表的量程）（三）基本误差、允许误差和精度等级1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件下，仪表的相对误差。3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。仪表的精度等级在数值上为仪表的允许误差去掉“±”号及“％”号后的数值。2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。注意：基本误差必须与允许误差相一致。（四）仪表的灵敏度与刻度分格标准仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即。S=x（五）指示变差100N正反maxx-x变差﹪仪表的变差不应超过仪表的允许误差。（六）线性度(非线性误差)%100max仪表量程ff（即用实际测得的输入－输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示）（七）反应时间它反应了仪表动态特性的好坏。三、工业仪表的分类（用在同一被测参数值下，正、反行程时仪表指示值的绝对误差的最大值与仪表量程之比的百分数表示）第三节压力检测及仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，可用下式表示：P=F/S一、压力单位及测压仪表在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分，其关系见下图P绝大气压力线绝对压力的零线P表P真P绝p表压=p绝对压力-p大气压力p真空度=p大气压力-p绝对压力单管压力计U型管压力计斜管压力计测量压力或真空度的仪表很多，按照其转换原理的不同，大致可分为四大类。1、液柱式压力计它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的。一般用来测量较低压力、真空度或压力差。2、弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。3、电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表，例如各种压力传感器和压力变送器。4、活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。二、弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。1.弹性元件弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。常用的几种弹性元件的结构如下图所示。（1）弹簧管式弹性元件可测量高达1000MPa的压力。p(b)p(a)自由端（2）薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。p(c)p(d)p(e)（3）波纹管式弹性元件这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa）。2.弹簧管压力表P421－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3-6弹簧管压力表P三、电气式压力计电气式压力计是一种能将被测压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，实现压力测量。UH=RHBI式中UH——霍尔电势；RH——霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；NS霍尔效应霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压即霍尔电势：(b)测量桥路r1r2r3r4输出信号电源恒压直流ab＋－Cdr1r2123P(a)传感筒外壳膜片弹性筒2.应变片式压力传感器应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成的。Ri1Ri2Ri3Ri4基座单晶硅片导环螺母密封垫圈负压室正压室(a)单晶硅片(b)结构4.力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器是根据力矩平衡原理工作的，有电动和气动两种。它们都由测量部分和转换部分组成。黄铜或不锈钢制成的波纹管，如右图。3.推杆P1.测量波纹管2.测量室4.螺帽5.主杠杆6.出轴膜片②测量中、高压（2.5～10MPA，10～60MPA）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管。如右图。P１.弹簧管２.推杆３.主杠杆A测量部分其作用是将被测压力信号转换成测量力的形成。①测量低压（0～2.5MPA）的敏感元件一般采用③绝对压力变送器测量部分的结构原理如下图，主要由两个不锈钢波纹管组成，波纹管2轴成真空,两个波纹管的有效面积相等即A1=A2。A13.推杆P12．补偿波纹管4.主杠杆1．测量波纹管A2波纹管1底部产生一个推力F1=P1A1-P2A1；波纹管2底部产生的压缩力F2=P2A2，则作用在主杆上的合力为：F=F1+F2=P1A1-P2A1+P2A2=P1A1。AP1P2正压室负压室0B如右图，我们可以模仿天平称重物的方法，通过所加砝码的质量测得F的大小。5.电容式压力变送器电容式压力变送器是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。如图1.中心感应膜片2.固定电极3.隔离膜片4.填充液（硅油）32214电容式传感器原理图四、压力计的选用及安装１.压力计的选用（1）仪表类型的选用；仪表类型的选用必须满足工艺生产要求。（2）仪表测量范围的确定；仪表量程的上限值应为被测工艺变量最大值的3/2倍；若工艺变量波动较大，则取为2倍；为保证测量值的准确度，一般被测工艺变量最小值以不低于仪表全量程的1/3为宜。（3）仪表精度等级的选取在满足工艺要求的前提下，应尽量选用精度较低、价廉耐用的仪表。2.压力计的安装P50小结第三节压力检测及仪表P=F/S,压力的单位帕（Pa）,1Pa=1N/m2,1MPa=1×Pa一、压力单位及测压仪表610p表压=p绝对压力-p大气压力,p真空度=p大气压力-p绝对压力按照其转换原理的不同，测压仪表大致可分为四大类。1、液柱式压力计它是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的。一般用来测量较低压力、真空度或压力差。2、弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。3、电气式压力计4、活塞式压力计二、弹性式压力计弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。（2）薄膜式弹性元件可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。（3）波纹管式弹性元件这种弹性元件易于变形，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa）。1.弹性元件（1）弹簧管式弹性元件可测量高达1000MPa的压力。2.弹簧管