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1、 压力检测 压力计 石化事故(大连，2011) 目录 5.1 压力单位及压力检测方法 5.2 常用压力检测仪表 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统 5.1 压力单位及压力测量 l压力:在工程上，垂直均匀地作用于单位面积 上的力。 5.1.1 压力的单位 1“帕斯卡” ：1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积 上所形成的压力。符号为Pa。 千帕(kPa), 兆帕(MPa) 标准大气压：1.01325*105 Pa 毫米水柱(mmH2O) 毫米汞柱(mmHg) 5.1.2 压力的几种表示方法 l1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力 l2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力。 l
2、3）表压力：绝对压力和大气压力之差。 l4）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值。 l5）差压：设备中两处的 压力之差。 l5.1.3.1 重力平衡方法 1）液柱式压力计：基于液体静力学原理。 5.1.3 压力检测的主要方法及分类 优点：结构简单，读数直观。 缺点：就地测量，测量上限 不超过0.1MPa-0.2MPa。 p=p1-p2=g h 2）负荷式压力计 l基于重力平衡原理(活塞式压力计) 压力转换成砝码重量来测量。 优点：性能稳定，测量范围大。 用作压力校验仪表。 5.1.3.2 机械力平衡方法 被测压力经变换元件转换成集中力外力与集中力平 衡测外力大小 5.1.3.3 弹性
3、力平衡方法 被测压力使弹性元件变形 弹性力与被测压力平衡 测量元件变形程度 5.1.3.4 物性测量方法 压力作用下，测压元件某些物理特性变化。 1）电测式压力计 (电阻、电容) 2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤 压力计等 5.2 常用压力检测仪表 5.2.1 弹性压力计 弹性压力计的组成框图 核心：弹性元件。 v原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外 力成比例。 用指针或刻用指针或刻 度尺给出压度尺给出压 力示值力示值 感受压力，产生感受压力，产生 变形变形( (核心部分核心部分) ) 调整仪表的零点调整仪表的零点 和量程和量程 将将弹性元件的变形弹性元件的变形 进行变换
4、和放大进行变换和放大 5.2.1 弹性压力计 l5.2.1.1 测压弹性元件 l1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状。弹性特性由中心 位移与压力的关系表示，线性关系良好。 2）波纹管 壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移 和压力在一定范围内呈线性关系。 3）弹簧管 横截面呈非园形（椭圆形或扁形），弯成园弧形的空 心金属管。 对于单圈弹簧管, 中心角变 化量比较小, 要提， 可采用多圈弹簧管。 开口端通入被测压力 非圆横截 面在压力p作用下将趋向圆形使弹 簧管有伸直的趋势而产生力矩使弹 簧管的自由端产生位移, 同时改变中 心角。 5.2.1.2 弹簧管压力计 1弹簧管；2连杆；3扇形齿轮
5、；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 工作原理 测压范围：-105109Pa 5.2.1.3 波纹管差压计 双波纹管差压计结构示意 1高压波纹管；2补偿波纹管；3连杆；4挡板；5摆杆； 6扭力管；7芯轴；8保护阀；9填充液；10低压波纹管； 11量程弹簧；12阻尼阀；13阻尼环；14轴承 改变量程弹簧的弹性力可 调整仪表量程。 5.2.1.4 弹性测压计信号的远传方式 弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实 现远距离信号传送。 1）电位器式 应用：滑线电位器。 特点：简单，有良好 线性输出，结构可靠 性差。 2）霍尔元件式 l霍尔效应
6、磁场磁力线与薄片垂直 1-2通电流i 3-4感生电动势 5.2.2 力平衡式压力计 l原理：反馈力平衡 力平衡式压力计的基本框图 5.2.3 压力传感器 压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置 常见形式：应变片式、压阻式(电阻传感器) 电容式(电容传感器)、压电式、振频式 等 主要思路：工作原理、测量电路、应用(压力) 电阻式传感器 基本原理：将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过 转换电路变成电信号输出。 特点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高 和测量速度快等诸多优点，被广泛应用于航空、机械、电力 、化工、建筑、医学等许多领域 测量对象：力、压力、位移、应变、扭矩、加速
7、度等，是 目前使用最广泛的传感器之一。 分类：电位式、应变片式、压阻式 电阻应变片式传感器 一、工作原理 应变效应：当应变元件（导体或半导体）在外力作用下发 生机械变形时其电阻值将发生变化的现象。 F l、S 、 R 轴向应变： 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 径向应变： ：应力值； E：材料的弹性模量； 对于弹性元件： 又因为 ：压阻系数，与材质有关； 其中， K为应变片的灵敏系数：单位应变所引起的电阻 相对变化量 一般金属材料：K以前者为主，则K1+2=26 半 导 体：K值主要是由电阻率相对变化所决定。 最终有 l电阻应变片的灵敏度K=2.0，沿纵向粘贴于直 径为0.05
8、m的圆形钢柱表面，钢材的 E=2.01011N/m2，u=0.3。求钢柱受10吨拉力作 用时，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿 钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片 电阻的相对变化量为多少？ 应变元件种类 1丝式应变片 1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线 敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.015 0.05 mm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上， 并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可 保护敏感栅的盖片。电阻应变片的电阻值有60 、120 、200 等 几种规格，其中120 最为常用。 2箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为0.
9、0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光 刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。优点： 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状 以适应不同的测量要求。 敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。 敏感栅弯头横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 3薄膜应变片 薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方 法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏 感栅，敏感栅的厚度在0.1 m以下。薄膜应变 片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点， 是一种很有前途的新型应变片。 弹性元件的形式 几种应变式测量的结构示
10、意 t r 膜 片 P P r r t t R1 R2 R3 R4 rr tt 膜片式 等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷 b0 R1R1 R2R2 l l 0 0 l l F F b b h 等截面悬臂梁 弹性梁 b0 R1R1 R2R2 X X l l F F b b h 等强度悬臂梁 弹性梁 双端固定梁 弹性梁 薄壁圆筒式薄壁圆筒式 二：电阻应变片测量电路 直流电桥：R 交流电桥: R、L、C 电源 双臂应变电桥 单臂应变电桥 全臂应变电桥 工作臂 应变片测量电桥(直流电桥) 初始平衡条件： 或 此时 R1 R2 R3 R4 Us IL RL 当RL时，电
11、桥输出电压为： （1）应变片单臂工作直流电桥 设桥臂比n=R2/R1，由于R1(1+)， 故(1+)项可以忽略 一般材料: 压阻式传感器 桥式测量电路，桥臂 电阻对称布置，电阻变化 时，电桥输出电压与膜片 所受压力成对应关系。 压阻式压力传感器结构示意图 1硅平膜片；2低压腔；3高压腔； 4硅杯；5引线 测量桥路及温度补偿 l为了减少温度影响，压 阻器件一般采用恒流源供 电. 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度 系数不一致造成的。 R2 R4 R1 R3 USC Rp B C D A RS E Di 零点温度补偿 Rs:调零作用 Rp:补偿作用 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化
12、而引起的 。温度升高时，压阻系数变小；灵敏度降低。 灵敏度温度补偿 串联二极管的方法。 温度变化时改变电桥的 电源电压。 R2 R4 R1 R3 USC Rp B C D A RS E Di 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成 电容变化量的一种传感器。利用电容器的原理将被测非电量 转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。 根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙 式、变面积式和变介电常数式。 应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械 量的精密测量,而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分 含量等方面的测量。 电容式传感器 一、工作原理及类型 d S
13、 当被测参数变化使得S、 d或发生变化时，电容量C也随之 变化。电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变面积型和变 介电常数（介质）型三种。 r 介质的相对介电常数； 0 真空中的介电常数，0=8.8510-12 F/m； S 两极板正对面积，m2； d 两极板之间的距离，m。 1. 变面积型电容传感器 S d a x b x 线位移型电容传感器原理图 (1)线位移型 动极板沿定极板移动x，则电容量变化为： 式中；C0=0r b a /d 为初始电容，电容相对变化量为： 显然，C与动极板位移x呈线性关系 S d a x b x (1)线位移型 (2)角位移型 动极板 定极板 电容式角位移传感器原
14、理图 当动极板产生角位移时, 与定极板间的 有效覆盖面积改变, 两极板间的电容量改 变。当=0 时, 当0时, 则: 可见，电容的变化C=-C0(/)与角位移成线性关系。 动极板 定极板 (2)角位移型 (3)圆柱位移型 d D H h 圆柱位移型电容传感器原理结构示意图 当h = 0 时, 于是： 可见，电容量的变化C与高度的变化 h 呈线性关系 D H h (3)圆柱位移型 变极距型电容式传感器 d0 2.变极距型电容传感器 初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C 2.变极距型电容传感器 若d/d01时，则展成级数： 2.变极距型电容传感器 所以变极距型电
15、容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似 的线性关系。 另外，电容式传感器的灵敏度为： 可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器 击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板 间加云母、塑料膜等介质。 相对非线性误差： 上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，若保留二 次项，则有： 可得其相对非线性误差为： 可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性 误差增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构，即使其 中一个电容器的电容C1随位移d增加，而另一个电容器的电容 C2则减小。 差动式电容传感器 若电极位移d，d2d0 电容值总的变化量为： 电容值相
16、对变化量为： 在d /d 0 1时，按级数展开： 差动式电容传感器 若只保留上式中的线性项和三次项, 电容式传感器的相对非 线性误差为： 差动式电容传感器灵敏度是原来的2倍 零点附近的非线性误差大大降低。 差动式电容传感器 相当于两电容并联： 其中： 取x=0时电容为C0，有 3.变介质型电容传感器 电容与x的关系推导如下： 结论：电容与位移x之间呈线性关系。 运算放大器式电路 Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号 u C -A Cx u0 测量电路 l 变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路， 如图所示。C0=200pF，传感器的起始电容量Cx0=20pF,定 动极板距离d0=1.5mm,运算放大器为理想放大器(即
