第五章工艺参数压力检测4

第5节压力检测技术5.1压力的基本概念5.2常用压力检测仪表5.1压力的基本概念压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。1.压力的定义压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。(5-1)式中p—压力；F—垂直作用力；S—受力面积。SFp2.压力的表示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号pi表示。(2)大气压力由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号p0表示。(3)表压力绝对压力与当地大气压之差称为表压力，用符号表示，。(4)真空度(负压)当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用符号表示，。(5)差压(压差)任意两个压力p1、p2之差称为差压，。gp0pppigVpgVppp21ppp各种压力之间的关系4.压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)重力平衡方法这种方法利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。例如液柱式压力计和活塞式压力计。(2)弹性力平衡方法利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件位移变形的大小测出被测压力。此类压力计有多种类型，可以测量压力、负压、绝对压力和压差，应用最为广泛。(3)机械力平衡方法这种方法是将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式仪表可以达到较高精度，但是结构复杂。(4)物性测量方法利用敏感元件在压力的作用下，其某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力直接转换为各种电量来测量。如应变式、压电式、电容式压力传感器等等。3.2常用压力检测仪表1.液柱式压力计应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图3-2所示。图3-2液柱式压力计(1)U形管压力计图3-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形管两端接入不同压力和时，根据流体静力平衡原理可知，U形管两边管内液柱差h与被测压力和的关系为:(3-2)式中A—U形管内孔截面积；—U形管内工作液的密度；g—重力加速度。ghAApAp21由上式可求得两压力的差值或在己知一个压力的情况下（例如压力），求出另一压力值:(3-3)可见U形管内的液柱差h与被测差压或压力成正比，因此被测压差或压力可以用工作液高度h的大小来表示。ghppghppp2121(2)单管压力计U形管压力计的读数误差较大。为了减小读数误差，可以采用单管压力计。单管压力计如图3-2(b)所示，它相当于将U形管的一端换成一个大直径的容器，测压原理与U形管相同。当大容器一侧通入被测压力，管一侧通入大气压时，满足下列关系:(3-4)式中h—两液面的高度差；d—玻璃管直径；D—大容器直径。ghDdDdghDdpp)1(22222221由于Dd，故d2/D2可以忽略不计，则式(3-4)可写成:(3-5)管内工作液面上升的高度h即可表示被测压力的大小。ghp1(3)斜管压力计用U形管或单管压力计来测量微小的压力时，因为液柱高度变化很小，读数困难，为了提高灵敏度，减小误差，可将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图3-2(c)所示。大容器通入被测压力p1，斜管通大气压力p2，则p1与液柱之间的关系仍然与式(3-5)相同:(3-6)式中L—斜管内液柱的长度；—斜管倾斜角。由于Lh，所以斜管压力计比单管压力计更灵敏，可以提高测量精度。sin1gLghp2.弹性压力计当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-3所示:弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量程。图3-3弹性压力计组成框图(1)弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-2所示。其中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、低压或真空度的测量。表3-2弹性元件的结构和特性类别名称示意图压力测量范围kPa输出特性动态性质最小最大时间常数/s自振频率/Hz薄膜式平薄膜0～100～10510-5～10-210～104波纹膜0～10-30～10310-2～10-110～102挠性膜0～10-50～10210-2～11～102波纹管式波纹管0～10-30～10310-2～10-110～102弹簧管式单圈弹簧管0～10-10～106－102～103多圈弹簧管0～10-20～105－10～102弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。(2)弹簧管压力计弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图3-4所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。图3-4弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105～109Pa；精确度最高可达±0.1％。(3)弹性压力计信号远传方式弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，图3-5给出两种电远传弹性压力计结构原理。(a)电位器式(b)霍尔元件式图3-5弹性压力计信号电远传方式原理图3-5(a)为电位器式，在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。这种远传方法比较简单，可以有很好的线性输出，但是滑线电位器的结构可靠性较差。图3-5(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。由半导体材料制成的片状霍尔元件固定在弹性元件的自由端，并处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中。霍尔元件被自由端带动在不均匀磁场中移动时，将感受不同的磁场强度。若在霍尔元件的两端通以恒定电流，则在垂直于磁场和电流方向的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势即对应于自由端位移，从而给出被测压力值。这种仪表结构简单，灵敏度高，寿命长，但对外部磁场敏感，耐振性差。3.力平衡式压力计图3-6力平衡式压力计的基本框图力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。力平衡式压力计的基本构成如图3-6所示，被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流(或电压)信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。图3-7弹性力平衡式压力测量系统的原理4.压力传感器能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便于满足自动化系统集中检测与控制的要求，因而在工业生产中得到广泛应用。(1)应变式压力传感器应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。电阻值的相对变化与应变有以下关系：(3-7)KRR应变式压力传感器所用弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用各种型式，常见有圆膜片、弹性梁、应变筒等。图3-9给出几种弹性元件和应变式压力传感器的结构及电桥式测量电路示意图。图3-9应变式压力传感器(2)压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。图3-10为一种压阻式压力传感器的结构示意图，硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，分别输入被测差压或被测压力与参考压力。髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。图3-10压阻式压力传感器压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm的压阻式压力传感器。(3)压电式压力传感器某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：(3-8)式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。kSpQ图3-11为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。图3-11压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。(4)电容式压