《过程控制第2章检测仪表3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制第2章检测仪表3（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、小结 温度测量 热电阻 集成温度传感器 温度变送器 动圈仪表 自动平衡记录仪 测量方法 非接触式接触式 检测仪表的基本技术指标 热电偶 2.3 压力检测及仪表 压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在 化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括 高压、超高压和真空度（负压）的测量。 2.3.1压力检测的方法 工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的 力称为 “压力”。即 P = F/S S F 压力的单位是“帕斯卡”1Pa =1N/m2 1MPa =106Pa 1工程大气压 = 1kg /cm2 = 9.80665104Pa 0.1MPa 工程中压力的表示方式有： 表压、负压（真空度）、 差压
2、、绝对压力。 工业中所用仪表的压力指 示值，大多数为表压和差压。 p差压 = p被测压力1 - p被测压力2 表压 、绝对压力、负压（真空度）、差压之间 的关系： p被测压力 p被测压力 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 压力测量仪表品种很多，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 利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当 被测压力P大于大气压力B时，液柱会产生高度差。 在U型管h2处等压面上有： P +1g( H+h1+h2 ) =B + 2g H + g( h1+h2 ) 则则： p = P - B= (2 -1 )
3、g H + ( 2 ) g (h1+h2) 只要读读出(h1+h2)便可知p P 0 h1 h2 B H 1 2 U型管压力计在读（h1h2）时，产生两次读 数误差。为了减少读数误差，可将其改进为单管压 力计和斜管压力计，测量原理相似。 目前，液柱式压力计使用较少。 2、弹性式压力计 它是将被 测压力转换成 弹性元件的变 形位移进行测 量的。 3电气式压力计 是通过各种敏感元件将被测压力转换成电量（ 电压、电流、频率等）进行测量的。例如力平衡式 压力变送器、电容式压力变送器等。 4活塞式压力计 是根据液体传送压力的原理，将被测压力与活 塞上所加的砝码质量进行平衡来测量的。它的测量 精度很高。
4、2.3.2 弹性式压力计 利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于 其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格 便宜，测压范围宽，被广泛使用。 常用的弹性元件有5种： （1）单圈弹簧管 将截面为椭圆形的金属空心管弯 成270圆弧形，顶端封口，当通入压 力 p 后，它的自由端就会产生位移。 q测压范围较宽，可高达1000MPa。 （2）多圈弹簧管 为了在测低压时增加位移， 可以将弹簧管制成多圈状。 （3） 膜片 用金属或非金属材料做成的具 有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜 片）。在压力作用下，其中心产生 变形位移。可测低压。 （4） 膜盒 将两张金属膜片沿周口对焊， 内充硅油。使膜片增加强度
5、。 ( 5 ) 波纹管 位移最大，可测微 压（1MPa)。 弹簧管压力表的品种规格繁多。按 其用途不同，有普通弹簧管压力表、耐 腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表 等。但它们的外形与结构基本相同，只 是所用的弹簧管材料有所不同。 2.3.2.2弹簧管压力表 弹簧管压力表的结构原理 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 调整螺钉 9 接头 弹簧管是一 根弯成270圆弧 的椭圆截面的空 心金属管，管子 的自由端B封闭 ，并连接拉杆及 扇形齿轮，带动 中心齿轮及指针 。 在被测压力 p 的作用 下，弹簧管的椭圆形截面 趋于圆形，圆弧状的弹簧
6、管随之向外扩张变形。 自由端B的位移与输 入压力p成正比。通过拉 杆、齿轮的传递、放大， 带动指针偏转。 基本测量原理 p 传递及放大过程 游丝7用来压紧扇形齿轮和中 心齿轮间的接触面。 自由端B的位移拉杆2扇形齿轮3中心齿轮4 同轴的指针5转动 在面板6的刻度标尺上 指示出被测压力p的数值 调整螺钉8的位置，即改变了机械 传动系数，调整了仪表量程。 测压关系： 自由端的相对角位移 / o 与被测压力P成正比 。 / o = KP 0 P K常数 生产中，常需要把压力控制在某一范围内。要 求当压力超出给定范围时，测量仪表能发出信号， 以提醒操作人员，或启动继电器实现压力的自动控 制。这就要求压
7、力表带有报警或控制输出。 q电接点压力表 在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件，便可 成为电接点信号压力表。 增加两个报警针，上 面分别装静触点1和4，指 示针上装动触点2。分别用 软导线引至输出接线柱。 使用时可后接两个信 号灯或继电器3、5。 后部接线柱 报警原理： 若压力降到下限 值时，动触点2与静 触点1接触，接通了 信号灯3的电路。当 压力超过上限值时， 动触点2和静触点4接 触，信号灯5的电路 被接通。 后部接线柱 2.3.3电气式压力计 电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显 示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标 准电信号输出的仪表。 电气式压力计一般由压力传感元件、测量
8、电路 和信号处理电路所组成。 信号输出 电量被测压力 传感元件测量线路显示器 2.3.3.1电容式差压（压力）变送器 当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压 时，就成为压力变送器。 电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公 司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度 高、体积小。 电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容 量的变化，然后用电路测电容。 其输出信号是标准 的420mA（DC）电流信号。 C1C2 d0d0 P1=P2时： C1=C2=K2 /d0 K2 =S/4 差压传感部件 P1P2时： 测量膜片中心位移： d = K 1P K 1弹力系数 P1-P2 =P 中心膜片变
9、形位移 电容量变化 当P2是大气压时，为压力传感部件。 有： K3=K1 / d0 P d K d d CC CC 3 0 1 012 12 = = D = + - P K C1C2 d0+d d0 -d 两个电容的电容量变为： 由测量电路将电容变化量转换为电压。 如图是一种测电容充放电电流的原理电路。 正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1R4 的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2 的半周期电流近似为： V1 V2 V4 取R1=R2=R4，得： 因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4， 则： PK V VV C C CC 3 4 12 21 12 = - =
10、 + - 4214 )(RCC C1 R1 V V2 + - = -C2 R2V1 V1 V2 V4 令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降 在实际电路中， 当差动电容Cl、C2变 化时，用负反馈自动 调节供电电压E的幅 度，使流过它们的电 流之和Io保持恒定。 由上式可知，当V4 =IoR4不变时，测出V2V1 ，则可知P V1 V2 V4 PK V VV C C CC 3 4 12 21 12 = - = + - 如图为电容式压力变送器的原理线路。 A1供给振 荡器电源 通过负反馈保证R4 两端的电压恒定 A2将Rl，R2两 端的电压相减 RP1调整电流负反 馈，实现量程迁移 V2
11、V1 V2V1 I 特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传 动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精 度高，可达0.2级。 电容差压变送器 法兰式电容差压变送器 2.3.3.2 应变式压力传感器 应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的 。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和 半导体应变片两类。如金属丝应变片的结构： 纵向 R=L/S q 电阻应变原理： 当应变片产生纵向拉伸 变形时，L变大、S变小，其 阻值增加；当应变片产生纵 向压缩变形时，S 变大、 L 变小，其阻值减小。 应变筒1的上端与外壳2固定 在一起，下端与膜片3紧密接触。 应变片r1沿应变筒轴向贴放；r2沿
12、径向贴放。当被测压力p作用于膜 片、使应变筒作轴向受压变形时 ，r1纵向压缩应变、阻值变小；r2 纵向拉伸应变、阻值变大。 金属应变片的应用 金属应变片要紧贴在应变物上使用。如测梁的 受力。如果没有应变物，只测气体的压力，则要借 助于应变筒。 P 应变片电阻的变化可用电桥测出。 r1和r2的变 化，使桥路失去平衡，有不平衡电压U输出。 r1、r2设置在相邻桥臂，既可以提高灵敏度， 又有温度补偿作用。温度升高时，r1、r2阻值都升 高，各自得到的电源压降不变。 应变片r2 应变片r1 利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信 号。 压阻效应受压时电阻率发生变化。 如图是一种半导体测压传感部件。
13、在杯状单晶硅膜片 的表面上，沿一定的晶 轴方向和位置扩散着四 个长条形电阻。 2.3.3.3压阻式压力传感器 当硅膜片上下 两侧出现压差时， 膜片内部产生应力 ，使扩散电阻的阻 值发生变化。 半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格 之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和 迁移率改变，导致半导体材料电阻率发生强烈的变化 ，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。 实验表明，圆形硅膜 片在受压力变形时，其圆 心区域和边缘区域受力性 质不一样。以半径 63.2% 为界，圆心区域受拉应力 ，边缘区域受压应力。受 拉时，扩散电阻阻值增大 ；受压时，扩散电阻阻值 减小。四个电阻可以构成 全桥电
14、路。 在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式 输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温 度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。 扩散硅压力变送器 2.3.3.4 压电式压力传感器 利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种 效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。 压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产 生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生 电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。 这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。 F 压电材料上电荷量的大小与外力的大小成正比。 如图所示，压电陶瓷的极化方向为z轴方向。如果 在z轴方向上受外力作用，则垂直于z轴的x
15、、y轴平面 上面和下面出现正负电荷。 z y x F F 压电材料作为力敏感元件，从其输出特性可以 看作是一个电荷源（静电发生器）；从其材料特性 可以等效为一个电容。其等效电路为： Ca等效电容 Ra等效漏电阻 后接电压放大器或电荷放大器即可。 Ca RaUa 电压源 Q Ca Ra Ua 电荷源 喷嘴挡板机构？ 结构？ 输入？输出？ D=（4-6）d？ 工作原理？ 挡板 恒节流孔背压室p喷嘴 h dD 输入 输出 气源 静特性：稳定工况下，背压室压力pD与挡板开度h之 间对应的关系 a b h 0 p1 全关 h=0 全开 全关全开（h=（1/4）D） 比例 改进：负压喷嘴挡板 结构特点？
16、静特性？ 气动功率放大器 A D C B 输入 气 源 气动功率放大器 ？ 有什么结构组成 ？ 工作原理？ 放大倍数K2受什么因素影响？，如何调整起步压力？ III S II I p0ApaA 起步压力27-33kPa 阶段1：膜片有位移，阀杆无位移 阶段2：都无位移 阶段3：膜片和阀杆同时位移 s0 气动差压变送器的结构和工作原理 结构 （1）测量 部分 把 被测的差压 信号转换成 挡板的微小 位移 （2）气动转换部分 把测量 部分输出的挡板微小位移转换 成0.02MPa0.1MPa的气压 信号作为差压变送器的输出 图3-20 （3）力矩平衡原理 工作原理 气动差压变送器的特性分析 P2 P1 V 气源 p出 l1 l3 l2 F反 图3-21 F反、E和l3都是固
