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1、1,第二节 压力检测,一、 概述 二、 液柱式压力检测 三、 弹性式压力检测 四、 电气式压力检测 五、 活塞式压力计 六、 压力检测仪表的选用与安装,2,一、 概述,概念：这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要的热工参数之一，为了保证生产的正常运行，必须对压力进行监测和控制。 例如：在生产过程中各种冶炼炉、加热炉、化学反应炉的炉膛压力，烟道压力的测量和控制，不仅是生产过程必须的，而且对于节约能源、安全生产具有重要意义。,1.压力的单位 国际单位为帕斯卡，简称帕(Pa)，1Pa=1N/m2，帕所表示的压力较小，工程上常用兆帕(MPa)来表示压力
2、。 目前，工程技术部门仍在使用的压力单位还有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。,3,压力单位换算表（续）,4,压力单位换算表,5,2、压力的表示,p表压力 = p绝对压力 - p大气压力 p真空度 = p大气压力 - p绝对压力,各种工艺设备和测量仪表通常处于大气之中，本身就承受着大气压力，以后所提到压力，除特别说明外，均指表压力或真空度。 任意两个压力p1、p2之差称为差压。,6,3、压力检测的主要方法,压力检测通常按敏感元件和转换原理的不同分类。 液柱式压力计 弹性式压力计 电气式压力计 活塞式压力计,7,二、 液柱式压力检测,液柱式压力计利用一定高度的液柱对底面产生的静压
3、力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度来测量压力大小。,U型管压力计,常用的工作液体有：水、水银、酒精、四氯化碳等。,1、工作原理,单管压力计,斜管微压计,8,2、U型管压力计测压原理,A-A等压面平衡方程式为： p+1g(H+h1) =p0+0g(H-h2)+g(h1+h2) 若0=1 ， 则p=p0+(-0)g(h1+h2) 若0 ， 则p=p0+g(h1+h2) 如果 p0 为当地大气压，即U型管一端直通大气，则被测表压力为： p表=g(h1+h2)。,9,3、U型管压力计误差分析,主要来源如下（hp/g） 温度误差：标尺长度和工作液密度随环境温度的变化，如水从10C到20C，密度相对变
4、化0.15%。 安装误差：有倾斜时（如：5的倾斜，偏大0.38%） 重力加速度误差 传压介质误差： 读数误差：管内工作液的毛细作用,（如：管内径大于10mm时，单管读数的最大绝对误差一般为1mm）。,10,4、 U型管压力计的特点,特点如下： 直观、结构简单、数据可靠、准确度较高；可测表压、差压、负压。 量程受液柱高度的限制，一般只能测较低的压力；静压也不能较高（玻璃管易损坏）；只能现场指示，不能远传。,11,三、 弹性式压力检测,12,1 膜片,13,2 波纹管,波纹管是一种具有等间距同状环形波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件。 受压力作用位移相对较大，可在顶端直接安装传动机构带动指针直接读数
5、。 灵敏度高，常用于测低压（1.0-106Pa）； 迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。 位移与压力之间线性关系。,波纹管,14,3 弹簧管,15,2、弹簧管压力表-直读式弹性测压仪表,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。 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。,弹性压力计组成框图,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。近来半导体硅材料得到了更多的应用。各种弹性元件组成了多种型式的弹性压力计，它们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、
6、波纹管差压计、膜盒式压力计等。,16,弹簧管压力表,被测压力由接头通入 弹簧管形变 自由端向右上方扩张 自由端的位移通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转 指针通过同轴中心齿轮顺时针偏转 面板刻度尺上显示出被测压力大小。 游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。 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。,弹簧管压力计结构图 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,17,弹性式压力计实物图,弹簧管压力表 膜片压力表 膜盒压力表,18,电接点信号压力表,图3-7 电接点信号
7、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。,19,四、 电气式压力计,电气式压力计是将压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置组成，当传感器输出的电信号被进一步转换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。 标准电信号：15VDC，420mADC 或 010mADC 标准气压信号：0.02MPa0.1M
8、Pa,主要讲解： 霍尔片式压力传感器， 应变片式压力传感器， 压阻式压力传感器 ，力矩平衡式压力变送器， 电容式压力变送器。,20,1、霍尔片式压力传感器,21,1、霍尔片式压力传感器（续）,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（差动磁场）。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。产生的霍尔电势，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。,霍尔电势与被测压力线性关系。,UH= RHBI = K P,22,2、电容式压力传感器,平行板电容器的电容量表达
9、式：,:介电常数；A:两平行板相对面积；d:两平行板间距。改变A、d、 其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A或d一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。,差动电容法：改变电容两平行板间距d的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。 对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系可表示为：,C0 :初始电容值；d0 :极板间初始距离；d :距离变化量。,23,2、电容式压力传感器（续）,差压感压膜片变形 差动电容测量电路.,结构坚实，灵敏度
10、高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.250.05；可以测量压力和差压。 。,采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性。,此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反映被测差压的标准电信号输出。 （ 420mADC）,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,24,3、应变片式压力传感器,原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。 （主要是金属） 原因：金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其的电阻的变化。（主要
11、是几何尺寸）,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。,式中 ：材料的应变；K：材料的电阻应变系数，即单位应变引起的电阻相对变化量。,25,金属电阻应变片的结构,主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构。,丝式应变片由金属丝栅(亦称敏感栅)、基底、引线、保护膜等组成。敏感栅直径：0.0150.05mm，用粘合剂固定在厚0.020.04mm的纸或胶膜基底上。引线是由直径0.10.2mm低阻镀锡铜线制成，用于将敏感栅与测量电路相连。 箔式应变片的敏感栅是用厚度为0.0030.0lmm的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成的。优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流
12、和较高电压，因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，便于大批量生产。它已逐渐取代丝式应变片。,26,应变片与弹性元件的装配,应变片与弹性元件的装配：粘贴式或非粘贴式。在弹性元件受压变形的同时应变片亦发生应变，其电阻值将有相应的改变。可采用1、2或4个特性相同的应变元件，粘贴在弹性元件的适当位置上，并分别接入电桥的桥臂。为了提高测量灵敏度，通常使相对桥臂的应变片分别处于接受拉应力和压应力的位置。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。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。,27,4、压阻式压力传感器,固体受
13、力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。材料：半导体 (单晶硅）。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。通常采用桥式测量电路，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： 压阻式压力传感器,28,压阻式压力传感器（续）,特点：灵敏度高，频率响应快；测量范围宽，10Pa到60Mpa；工作可靠，精度高：0.20.02；易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。,硅平膜片在圆形硅杯的底部，其两边有两个压力腔，髙压腔接被测压力，低压腔与大气连通或接参考压力。膜片上的两
14、对电阻中，一对位于受压应力区，另一对位于受拉应力区，当压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻阻值发变化，使电桥输出相应压力变化的信号。 为了补偿温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度变化，可接入桥路作为温度补偿电阻，以提高测量精度。,29,5、力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度(一般为0.5级)、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。 下面以DDZ-型电动力矩平衡压力变送器为例 DDZ-型系列为直流24V供电，输出4-20m
15、A(DC)，两线制，本质安全防爆。,30,5、力矩平衡式压力变送器,1测量膜片；2轴封膜片；3主杠杆；4矢量机构 5量程调整螺钉；6连杆；7副杠杆；8检测片（衔铁）；9差动变压器；10反馈动圈；11放大器；12调零弹簧；13永久磁钢,31,6、压电式压力传感器-补充,压电效应：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。 常用的压电材料：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
16、晶体好。它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。,压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：,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。,32,压电式压力传感器（续）,如下图所示：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。,除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。,图：压电式压力传感器结
