压力、流量、物位检测技术分析.

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1、第8章 压力、流量和物位检测技术 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术 8.2 流量测量技术 8.3 物位检测与控制 思考与练习 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术 8.1.1 压力的基本概念及单位 1. 压力的基本概念 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。 它的大小由 两个因素所决定， 即受力面积和垂直作用力的大小， 用数学式 表示为 (8-1) 式中，P为压力；F为垂直作用力；S为受力面积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 压力也可以用相当的液柱高度来表示，如图8-1所示。根 据压力的概念， 有 （8-2） 式中，为压力计中液体的重度；h为液柱的

2、高度。可见压力等 于液柱高度与液体重度的乘积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-1 液柱压力示意图 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 压力的单位 在国际单位制中， 压力的单位是帕斯卡， 简称帕， 代号 为Pa。 它的定义是在每平方米面积上垂直作用1牛顿的力， 即 帕斯卡与其它压力单位的换算关系见表8-1。 （8-3） 第8章 压力、流量和物位检测技术 表8-1 常用压力单位的换算表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 大气压力、绝对压力、表压力与真空度 （1） 大气压力：指由于空气的重量垂直作用在单位面 积上所产生的压力。 （2） 绝对压力：它是指流体的实际压力，它以绝对真

3、空为零压力。 （3） 相对压力： 它是指流体的绝对压力与当时当地的 大气压力之差。 当绝对压力大于大气压力时， 其相对压力称 为表压力； 当绝对压力小于大气压力时， 其相对压力称为真 空度或负压力。 因此， 有 式中，P表为表压力；P绝为绝对压力；P气为大气压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.2 压力传感器及其类别 1. 压力传感器类别 压力传感器的主要类别有电位器式、应变式、霍尔式、电感 式、压电式、压阻式、电容式及振弦式等，测量范围为710-5 5108 Pa；信号输出有电阻、电流、电压、频率等形式。 压力 测量系统一般由传感器、测量线路和测量装置以及辅助电源所组 成。常见的

4、信号测量装置有电流表、 电压表、 应变仪以及计算 机等。 目前，利用压阻效应、压电效应或其他固体物理特性的压力 传感器已实现小型化、数字化、集成化和智能化，直接把压力转 换为数字信号输出，并可与计算机连接，从而实现工业过程的现 场控制。 第8章 压力、流量和物位检测技术 表8-2 几种常见的压力传感器性能比较表 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 常用压力传感器 1） 单圈弹簧管压力表 （1） 结构： 弹簧管压力表的结构如图8-2所示。它主要 由弹簧管和一组传动放大机构（简称机芯， 其中包括拉杆、 扇形齿轮、 中心齿轮）及指示机构(包括指针、面板上的分度 标尺)所组成。 第8章 压力、流量

5、和物位检测技术 图8-2 弹簧管压力表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端B向右上方 扩张。自由端B的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时 针偏转，进而带动中心齿轮4作顺时针偏转，使与中心齿轮同 轴的指针5也作顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出 被测压力P的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比 例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。 游丝7用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的间隙而产生的 仪表变差。 改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大系数 )， 可以实现压力表量程的调整。 第8章 压力、流量和物位检测技术 （2） 材料：弹

6、簧管的材料因被测介质的性质和被测压力 的高低而不同，一般当P20 MPa(约200 kgf/cm2)时，采用磷 铜；当P20 MPa时， 则采用不锈钢或合金钢。但是，在选用 压力表时，必须注意被测介质的化学性质。例如，测量氨气压 力必须采用不锈钢弹簧管，而不能采用易被腐蚀的铜质材料； 测量氧气压力时，则严禁沾有油脂，以免着火甚至爆炸。 目前， 我国出厂的弹簧管压力表量程有0.1， 0.16， 0.25 ， 0.4， 0.6， 1， 1.6， 2.5， 4， 6， 10， 16， 25， 40， 60(MPa)等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 （3） 信号远传式压力表： 利用变频控制进行恒

7、压供水已 经广泛应用。 在弹簧管压力表中装入电触点， 可构成具有上 、 下限指示与控制的电接点信号压力表； 与电位器配合， 可 构成电位器式远传压力表， 如YCD-150型压力传感器， 它结 构简单， 价格便宜。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2） 应变式压力传感器 （1） 板式压力传感器： 该类传感器分为薄板式、 膜片式和 组合式。 测量气体或液体压力的薄板式压力传感器如图8-3（a） 所示。 圆薄板直径为10 mm， 厚度为1 mm，和壳体连接在一起 ，引线自上端引出。工作时将传感器的下端旋入引压管， 压力 均匀地作用在薄板的下表面。薄板受压变形后表面上应变分布如 图8-3（b）所示。

8、 在薄板周边上， 其切向应变为零， 径向应变 为负应变， 且绝对值最大， 而在中心处其切向应变与径向应变 相等且最大。因此，在贴片时，一般在薄板中心处沿切向贴两片 R2和R3，在边缘处沿径向贴两片R1和R4。将应变片按R1、R2、R4 、R3的顺序接成闭合回路，便构成差动电桥， 可以提高灵敏度和 进行温度补偿。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-3 板式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 （2） 筒式压力传感器：当被测压力较大时，多采用筒式 压力传感器，如图8-4所示。图中工作应变片R1贴在空芯的筒 臂外感受应变，补偿应变片R2贴在不发生变形的实芯部位作为 温度补偿用。 这种传

9、感器可用来测量机床液压系统的压力(几 十公斤/厘米2几百公斤/厘米2)和枪、 炮筒腔内的压力(几 千公斤/厘米2)(1 kgf/cm2 =0.098 MPa)。 （3） 扩散硅固体压力传感器： 如图8-5所示， 扩散硅固体 压力传感器是在一块圆形膜片上集成四个等值电阻并串接成电 桥， 膜片四周用硅杯固定， 高压腔与被测压力相接， 低压腔 与大气相通， 通过应变测量压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-4 筒式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-5 扩散硅压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 （4） 硅X型压力传感器： 利用半导体材料的压阻效应， 在硅膜片表面用

10、离子注入制作一个X形的四端元件， 一只X形 压敏电阻器被置于硅膜边缘， 其原理如图8-6（a）所示。 其中 ， 1脚接地， 3脚加电源电压， 激励电流流过3脚和1脚。 加在 硅膜上的压力与电流垂直， 该压力在电阻器上建立了一个横向 电场， 该电场穿过中点，所产生的电压差由2脚和4脚引出。 图8-6中（b）为MPZ10、 MPX12系列器件外封装形式， 其量 程为010 kPa，线性度为1.0%。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-6 硅压力传感器 （a） 工作原理图； （b） 外形图 第8章 压力、流量和物位检测技术 3） 电感式压力传感器 电感式压力传感器是用变换压力的弹性敏感元件将压

11、力变 换成位移，再由电感式位移传感器转换成电信号。在压力测量 中，差动变压器式传感器应用的比较广泛。 （1） CPC型差压计： 图8-7是CPC型差压计的结构与电路 图。 当所测的P1与P2之间的差压变化时， 差压计内的膜片产生 位移， 从而带动固定在膜片上的差动变压器的衔铁移位， 使差 动变压器二次侧输出电压发生变化， 输出电压的大小与衔铁位 移成正比， 从而也与所测差压成正比。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-7 CPC型差压计 第8章 压力、流量和物位检测技术 （2） 微压力变送器： 图8-8是微压力变送器的结构示意 图。 由膜盒将压力变换成位移， 再由差动变压器转换成输出 电压

12、。 内装电路， 可输出标准信号， 故称变送器。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-8 微压力变送器结构示意图 第8章 压力、流量和物位检测技术 4） 电容式压力传感器 电容式压力传感器是将压力的变化转换成电容量变化的一 种传感器。目前，从工业生产过程自动化应用来说， 有压力、 差压、 绝对压力、带开方的差压(用于测流量)等品种及高差压 、 微差压、 高静压等规格。 第8章 压力、流量和物位检测技术 （1） 电容式差压传感器： 电容式差压传感器的核心部分如 图8-9所示。 它主要由测量膜片（金属弹性膜片）、镀金属的凹 形玻璃球面及基座组成。测量膜片左右空间被分隔成两个室。 在两室中充满硅油

13、，当左右两室分别承受高压PH和低压PL时，硅 油的不可压缩性和流动性，便能将差压PPHPL传递到测量 膜片的左右面上。 因为测量膜片在焊接前加有预张力， 所以当 P =0时处于中间平衡位置并十分平整， 此时定极板左右两电容 的电容值完全相等， 即CH=CL，电容量的差值C=0。 当有差压 作用时， 测量膜片发生变形， 也就是动极板向低压侧定极板靠 近， 同时远离高压侧定极板， 使得电容CHCL。通过引出线将 这个电容变化输送到电子转换电路，可实现对压力或差压的测量 。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-9 电容式差压传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 （2） 变面积式电容压力传感器

14、： 这种传感器的结构原理 图如图8-10（a）所示。 被测压力作用在金属膜片1上， 通过中 心柱2、 支撑簧片3使可动电极4随膜片中心位移而动作。 可动电极4与固定电极5都是由金属材质切削成的同心环形 槽构成的， 有套筒状突起， 断面呈梳齿形， 在两电极交错 重叠部分的面积决定电容量。 固定电极的中心柱6与外壳间有 绝缘支架7， 可动电极则与外壳连通。 压力引起的极间电容 变化由中心柱引至电子线路， 变为直流信号420 mA输出。 电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中， 整体小巧紧凑 。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-10 变面积电容式压力传感器 （a） 结构图； （b） 悬挂在介

15、质中； （c） 安装在容器壁上 第8章 压力、流量和物位检测技术 5） 压电式压力传感器 压电式压力传感器可以测量各种压力， 如车轮通过枕木时 的强压力， 继电器接点压力和人体脉搏的微小压力等。用得最 多的是在汽车上测量气压、 发动机内部燃烧压力和真空度。 如图8-11所示的膜片式压电压力传感器目前较常用。 图中 ， 膜片起密封、 预压和传递压力的作用。 由于膜片的质量很 小， 而压电晶体的刚度很大， 所以传感器具有很高的固有频率 (高达100 kHz以上)， 尤其适用于动态压力测量。 常用的压电元 件是石英晶体。 为了提高灵敏度， 可采用多片压电元件层叠结 构。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-11 膜片式压电压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 这种压力传感器可测量102108 Pa的压力， 且外型尺寸可 做得很小， 其下限频率由电荷放大器决定。 传感器中， 常设 置的一个附加质量块和一组极性相反的补偿压电晶体， 以补 偿测量时因振动造成的测量误差。 第8章 压力、流量和物位检测技术 6） 振弦式压力传感器 如图8-12所示是振弦式压力传感器的原理结构图。 在圆形 压力膜片1的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦3、4