《测 控 基 础(2)-2压力》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测 控 基 础(2)-2压力（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、流量、温度、液位等），变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关单元控制和显示或记录。 变送单元根据被测参数的不同，可分为压力变送器、差压变送器、液位变送器和温度变送器等。 根据能源来分，有气动变送器和电动变送器，下面我们先介绍气动变送器。,第五节 压力、差压变送器,（一）气动仪表基本元部件 气动仪表中常遇到的元件及组件：1气阻：在气动单元组合仪表中，如同电子线路中“电阻”的作用一样，气阻在气动管路中起着压力降和改变气体流量的作用。 气阻按其结构，可分为恒气阻与可调气阻两类。恒气阻：在气动单元组
2、合仪表中称为恒节流孔。即流通截面积不能调整的节流元件，在气路中恒气阻用下列符号表示。,压力、差压变送器（续）,气动仪表基本元部件（续）,恒气阻的结构一般有三种形式，如下图所示。可调气阻：即流通截面积可以调整、气体通过时压力降可以改变的节流元件。 在气路中可调气阻用下列符号表示。 在气动单元组合仪表中是个关键元件。通过它可以整定微分时间、积分时间、比例度和配比值。,可调气阻的结构形式很多，常见的结构形式如图所示,气动仪表基本元部件（续）,气阻对空气流动的阻碍程度，一般用气阻R来定量的表示。气阻值的大小等于每增加单位质量流量的气体所需要增加的压力差，即： 式中： P 气阻前后的压降； M 流过气阻
3、的质量流量； R 气阻值。,气动仪表基本元部件（续）,2气容 凡是气体流过时，能储存或放出气体的气室称为气容。气容在气动仪表中起缓冲、防止振荡的作用。 气容在数值上定义：使气室内压力增加或减少单位数值，所需要增加（或减少）的空气量。可表示为 在气动仪表中很少单独使用气容，往往与气阻组成阻容藕荷组件,气动仪表基本元部件（续）,3、节流通室 由一个变气阻、一个气容和一个恒气阻串联而成的组件叫节流通室。如图所示。在稳定的状态下，单位时间内流过气阻R1的流量M1，应等于单位时间流过气阻R2的流量M2。由于 所以 节流通室示意图,气动仪表基本元部件（续）,当P3通大气，即P3（表压）= 0 上式整理可得
4、式中 可见，当可调气阻R1一定时，即K为定值时，P2随P1成比例变化。改变R1的阻值，就可以改变P1与P2的比例关系。,气动仪表基本元部件（续）,4喷嘴挡板机构 喷嘴挡板机构是气动仪表中的气动控制元件，也是最基本的元件之一，一般用下面符号表示。 喷嘴挡板机构是由恒气阻、气容和喷嘴挡板构成的变气阻串联而成的节流通室，其机结构如右图所示 喷嘴后的气容称为喷嘴背压室，室内压力称为喷嘴背压P背，此压力即为喷嘴挡板机构的输出压力。压缩空气（约0.14MPa）作为气源，经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴挡板间隙排出（一般排入大气）。,气动仪表基本元部件（续）,气动仪表基本元部件（续）,气流经过恒气阻时，由于恒
5、节流孔孔径很小（一般为0.150.3mm），它将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只是很少流量的气流通过恒节流孔进入背压室。而背压室中的压力是随喷嘴挡板间的相对位移而变化的。当挡板靠近喷嘴时，气阻增大，背压室内的气体不易排出，则P背上升；反之，挡板离开喷嘴时，气阻减小，由于喷嘴内径（一般为0.81.2mm）比恒节流孔径大，所以压缩空气很自由地跑到大气中，则P背下降。因此喷嘴挡板间的距离h不同，就有不同的P背，从而完成了挡板的微小位移转换成气压信号的任务。,喷嘴挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系一般由实验求得。特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，曲线不够陡，也不直，即喷嘴挡板机构的灵敏度
6、与线性均不好。常常只用中间ab段。在此段，挡板位移h与P背的变化比较符合线性规律，并且斜率也较陡。在此段内各点均有较稳定的放大倍数，机构工作既灵敏又稳定. 与曲线a至b这一段相应的位移hbha， 一般只有百分只几毫米。 压力变化范围PaPb只有0.008MPa， 但经放大器放大10倍后， 输出压力在0.020.1MPa范围内变化。,气动仪表基本元部件（续）,5功率放大器 利用喷嘴挡板机构，可以将挡板微小的位移量转换成相当大的喷嘴背压P背，而且在一定的工作范围内，两者近似成线性关系。 在输出气压之前，要先把背压进行功率放大（压力和流量都放大），使它变为标准统一信号并有足够的功率将信号远传。因此，
7、功率放大器是气动仪表的主要部件之一，功率放大器一般用符号表示。,气动仪表基本元部件（续）,耗气型功率放大器原理图,1一阀杆； 2一膜片：3一弹簧片：4一球阀,耗气型功率放大器： 主要由金属膜片2、阀杆1、弹簧片3和球阀4组成。阀杆的上下端各构成一个变气阻。一个是圆球圆柱形，一个是圆锥圆柱型组成的节流通室。功率放大器的输入是喷嘴背压室的压力。而通室B中的压力就是功率放大器输出的压力。,气动仪表基本元部件（续）,通室压力的变化取决于两个变节流阀的开度比。 当挡板靠近喷嘴时，背压增大，作用于金属膜片2上的压力就增大。因此，通过金属膜片2对阀杆产生的推力就增大，阀杆向下位移。使球阀开大，锥阀关小，改变
8、了两个变节流阀之间的开度比，即决定了放大器的输出。因为锥阀的变小，C气室的排气量减少。球阀的打开使气源由A室大量进入B室，由于排气量减少，进气量增加，所以B气室的输出气压增加。 反之，如背压减少，阀杆上移，关小进气球阀开大排气锥阀，故B室的输出气压降低。 气源A室与输出B室之间仅有一个球阀控制，只要球阀一微小的位移，就可保证有足够的气量从A室进入B室，输出由B室引出。这个气流输出量大大地超过了进入D室的气流量，实现了气流量的放大，同时把背压也放大了约610倍。,气动仪表基本元部件（续）,（二）气动压力变送器 压力变送器的作用是，连续测量生产过程中各种液体、蒸汽和气体压力，并把这一压力成比例地转
9、换成统一的气压信号（0.020.1MPa），送至有关的气动单元仪表，以实现压力的显示和调节。 压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。 1基本原理：气动压力变送器，是根据力矩平衡原理工作的。它是由测量部分和气动转换部分组成。前者接受被测压力，并将其转换成力；后者将此力再转换成0.020.1MPa的气压信号。 压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。常用的有下列几种：,气动仪表基本元部件（续）,（1）波纹管式 波纹管式用来测量低压力（02.5MPa）的敏感元件一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管，其结构原理如图所示。当被测压力通入测量室时，波纹管产
10、生一轴向推力，经测量波纹管转换成测量力，通过推杠作用在主杠杆上，传递到气动转换部分。,波纹管式 1-测量波纹管；2测量室 3推杆；4螺帽；5主杠杆 6出轴膜片,气动压力变送器（续）,（2）弹簧管式 测量中、高压（2.510MPa、1060MPa）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管，其测量部分的结构原理如图所示。当被测压力P进入弹簧管内时，弹簧管末端便产生一径向力，这个力经过拉杆传递到气动转换部分的主杠杆上。,弹簧管式1弹簧管；2推杆；3主杠杆 4-出轴膜片；5支架；6-螺帽 7壳体,气动压力变送器（续）,（3）双波纹管真空补偿式 双波纹管真空补偿式，用来测量绝对压力，测量部分结构原理如图所示
11、。它是由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管1为测量波纹管，波纹管2为补偿波纹管，预先抽成真空，然后密封。其工作原理如下。,双波纹管式 1测量波纹管；2补偿波纹管 3推杆；4主杠杆,气动压力变送器（续）,由于两个波纹管的有效面积相同，即A1 = A2，当被测的绝对压力P1进入测量波纹管1时，在被测压力P1与大气压力P2的差压作用下，测量波纹管底部产生一个推力F1，其值为： F1P 1 A 1P 2 A 2 由于补偿波纹管内部已抽成真空，所以它仅仅受到周围大气压力P2的作用，在它的底部所产生的轴向压缩力: F 2 = P2A2 因此，作用在主杠杆4上的合力（即测量力）为：
12、FF.1F.2P1A1P 2 A 2P 2 A 2P 1 A 1 从上式可以看出，测量力F与被测绝对压力P1成正比，而与大气压力无关，故测得的压力为绝对压力。补偿了由于大气压力变化而引起的测量误差。,气动压力变送器（续）,气动压力变送器（续）,2单杠杆压力变送器单杠杆压力变送器是根据力矩平衡原理工作的。被测压力P通过弹性元件转换为测量力F1，作用在主杠杆的下端，对支点（即密封膜片）产生一个顺时针方向的力矩M1，使主杠杆作顺时针方向偏转。主杠杆上端的挡板靠近喷嘴，引起喷嘴背压增加，此压力经过功率放大器放大后作为P出输出。变送器输出也进入反馈波纹管内，并产生一个反馈力F2，由于反馈力的作用使主杠杆
13、对支点产生一个逆时针方向力矩M2，这样，主杠杆上作用着两个力矩.,单杠杆压力变送器（续）,主杠杆上作用着两个力矩，即由测量部分产生的顺时针方向力矩M1和由反馈波纹管产生的逆时针方向力矩M2，这两个力矩决定着主杠杆的运动状况。当两者相等时，主杠杆就处于平衡状态，喷嘴挡板间的距离就不再改变。这时，就有一个与压力P相对应的气压信号P出输出。,根据力矩平衡原理推导出P出与P的关系。假定反馈波纹管的有效面积为A2，波纹管内的压力为P出，则有反馈力F2为： F2P出A2 (1) 同理测量力F1可以写成 F1PA1 (2) 式中 P被测压力 A1-决定于弹性元件特性的一个系数。 假定测量力F1离支点的距离为l1，反馈力F2离支点的距离l2，则作用在主杠杆上的两个力矩分别为 M1F1 l1 =PA1 l1 (3) M2F2 l2=P出A2l2 (4),单杠杆压力变送器（续）,当M1M2时，则有 PA1l1P出A2l2 （5） (6) 由此可见，根据上述力矩平衡关系，A1、A2近似常数，l1是恒定不变的，而l2调整到某一固定值，主杠杆平衡时，变送器输出信号P出与输入压力P之间具有固定的一一对应的比例关系。 若令 (7) 则（6）式可写成 P出K1P (8)式中K1称为单杠杆压力变送器的放大系数，改变K1就可改变变送器的测量范围。,
