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1、自动检测技术与仪表控制系统 压力检测 一 压力的单位定义垂直均匀地作用于单位面积上的力 通常用p来表示 单位在国际单位制中为 帕斯卡 简称 帕 符号为Pa 定义为1Pa 1N m2 还有 千帕 兆帕 等 我国规定帕斯卡为压力的法定单位 目前仍在使用的压力单位还有工程大气压 物理大气压 巴 标准大气压 毫米汞柱 毫米水柱等 P67表5 1给出了各压力单位之间的换算关系 标准大气压 0 时 水银密度为13 5951g cm3 在标准重力加速度980 665cm s2下 高760mm水银柱对底面的压力 工程大气压 每平方厘米面积上垂直作用1公斤力的压力 5 1 压力单位及压力检测方法 为了不同场合使
2、用方便 有相应的测量仪表绝对压力被测介质作用在容器表面积上的全压力 用符号pi表示 用绝对压力表测量 大气压力由于地球表面空气重量形成的压力 随地理纬度 海拔高度及气象条件而变化 用气压计测定 用符号pd表示 表压力为绝对压力和大气压力之差 用符号pb表示 即 pb pi pd常用的压力测量仪表测得的压力值 一般都是此 真空度绝对压力小于大气压力表压力为负值时的其绝对值 用符号pz表示 即 pz pd pi用真空表测量 差压设备中两处的压力之差称为差压 二 压力的几种表示方法 根据工作原理的不同而进行分类 1 重力平衡法液柱式压力计原理是基于液体静力学原理 被测压力与一定高度的工作液体产生的重
3、力相平衡 将被测压力转换为液柱高度来测量 如U形管压力计 特点是测压范围小于0 1 0 2MPa的压力 差压和负压 精度高 有时用作标准仪器 结构简单 价格低 不易远传 填充液常为水银 有毒 且玻璃管易碎 负荷式压力计原理是基于重力平衡原理 活塞式压力计 将被测压力转换为平衡重物的重量来测量 特点是测量范围宽 0 04 2500MPa 精度高 性能稳定可靠 多用作校验仪表 三 压力检测的主要方法及分类 2 机械力平衡法原理 将被测压力经变换元件转换成一个集中力 用外力与之平衡 通过测量外力得到被测压力 特点 可达较高的精度 但是结构复杂 多用于电动和气动组合仪表中 3 弹性力平衡法原理 利用弹
4、性元件的弹性变形特性进行测量 弹性力与被测压力相平衡 测变形就可知压力 特点 类型多 可测压力 负压 绝对压力和压差 应用最广泛 4 物性测量法原理 在压力作用下 测压元件的某些物理特性会发生变化 分类 电测式压力计 利用压阻 压电或其它物理特性将压力转换为各种电量 和其它新型压力计 集成式压力计和光纤压力计 弹性压力计 弹簧管压力计 电位器式压力变送器 霍尔式压力变送器力平衡式压力计 后面介绍 压力传感器 应变式压力传感器 压阻式压力传感器 电容式压力传感器 振频式压力传感器 压电式压力传感器和集成压力传感器 5 2 常用压力检测仪表 感受压力 产生变形 核心部分 调整仪表的零点和量程 利用
5、弹性元件受压变形的原理 弹性压力计的组成一般包括几个主要环节 如图5 2所示 给出压力示值是指针或刻度尺 一 弹性压力计 1 测压弹性元件弹性膜片外缘固定的片状的弹性膜片 其弹性特性是中心位移与压力的关系 分为平膜片 波纹膜片和挠性膜片 各有其特点 波纹管壁面有多个同心环状波纹 一端封闭 开口端固定 封闭端位移与压力成正比 弹簧管圆弧状 轴截面为扁圆形或椭圆形 一端封闭且处于自由状态 自由端位移与压力有关 详见P71 表5 2 材料铜合金 弹性合金 不锈钢及半导体硅材料 2 弹簧管压力计是最常用的直读式测压仪表 还有波纹管差压计和膜盒式压力计 结构如图5 3所示 特点结构简单 使用方便 价格低
6、廉 测压范围宽 105 109Pa 精确度可高达到 0 1 应用广泛 3 波纹管差压计 4 弹性测压计信号的远传方式弹性测压计可以在现场指示 但是更多情况下要求信号远传至控制室 将测压点取出的压力信号 通过长距离导压信号管 将信号传到很远的压力表上去的远传方式实际上不可能应用 远传多采用电远传方式 即在测压点附近的压力敏感件上面 附带有将位移变换为输出电信号的装置 通过电信号的传输 将压力指示和记录下来 常用的转换方式有电位器式 霍尔元件式 电感式 差动变压器式 原理 将弹性元件的输出位移变为电位器滑动触点的位移 故被测压力的变化就转换成了电位器阻值的变化 将电位器与其它电阻组成一个电桥 当电
7、位器阻值变化时 电桥输出电压就变化 特点 简单 线性输出但滑线电位器易磨损腐蚀 电位器式 霍尔元件式原理 基于半导体材料的霍尔效应 将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出 霍尔效应 在霍尔元件 一种特殊的半导体元件 的纵向端面上通以一定的控制电流I 在与I垂直的方向上加一磁场其强度为B 则在与电流和磁场垂直的霍尔元件的横向端面上产生电位差VH的现象 VH叫霍尔电势 与I B成正比 与沿磁场方向的厚度d成反比 电荷受罗沦兹力和电场力的作用 结构原理如图5 5 三 压力传感器能够检测压力值并能提供远传信号的装置统称为压力传感器 压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分 它的结构形式有 应变式
8、压阻式 电容式 压电式 光电式 光纤式等许多种 1 应变式压力传感器组成应变元件和弹性元件配用应变元件的工作原理导体和半导体的 应变效应 即导体和半导体材料发生机械变形时 其电阻值将发生变化 实际的电阻应变片是一根电阻丝被弯曲而并行地排成栅形 贴在基板上成为电阻栅 可以写成 应变元件的结构丝状 片状或体状 应变丝或应变片与弹性元件的装配可以采用粘贴式或非粘贴式 在弹性元件受力变形时 应变元件也发生形变 其电阻值将有相应的改变 测量方法采用4个特性相同的应变元件 粘贴在弹性元件的适当位置上 两个受拉 两个受压 并分别接入电桥的4个臂 则电桥的输出信号可以反映被测压力的大小 弹性元件的选择根据被测
9、介质和测量范围的不同而采用不同的型式 圆膜片 柱式压力传感器 弹性梁和应变筒 筒式 如图 2 压阻式压力传感器原理基于半导体的 压阻效应 当半导体的某一轴向受外力作用时 原子点阵排列规律发生变化导致载流子迁移率及浓度的变化 从而引起电阻率的变化 结构用集成工艺直接在硅平膜片上按照一定晶向制成扩散压敏电阻 工作原理硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性 当硅片受压后 它的变形使扩散电阻的阻值发生变化 其相对电阻变化可表示为 式中 e为压阻系数 为应力 测量电路 电桥简单的压阻式压力传感器结构如图 杯状硅膜片上用扩散工艺设有4个阻值相等的电阻 其配置位置按膜片上径向应力和切向应力分布情况确定 与晶体
10、有关 还可以在电桥上接入一温度补偿电阻 特点灵敏度高 频率响应高 结构比较简单 可以小型化 可用于静态 动态压力测量 应用广泛 测量范围在0 0 0005MPa 0 0 002MPa 至0 210MPa 其精确度为 0 2 0 02 3 电容式压力传感器测量原理 将弹性元件的位移转换为电容量的变化 图5 9为一种两室结构感压元件示意图 对于差动平板电容器 其电容与板间距变化的关系可表示为 特点此电容量的变化经过适当的转换电路 可以输出标准信号 4 20mA 这种传感器结构坚实 灵敏度高 过载能力大 精度高 其精确度可达 0 25 0 05 可以测量压力和差压 仪表测量范围0 0 00001MP
11、a至0 70MPa 4 振频式压力传感器工作原理利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系 通过测量频率信号的变化来检测压力型式振筒 振弦 振膜和石英晶体谐振 振筒式压力传感器由振筒组件和谐振电路组成 如图5 10 其感压元件是薄壁金属圆筒 本身具有一定的固有频率 当筒壁受压张紧后 其刚度发生变化 固有频率相应改变 特点体积小 输出频率信号 重复性好 耐振 精确度高 为 0 1 和 0 01 测量范围0 0 014MPa至0 50MPa 适于气体测量 5 压电式压力传感器工作原理压电材料 石英 压电陶瓷 钛酸钡 的压电效应将被测压力转换为电信号的 它是动态压力检测中常用的传感器 不适宜测量缓变化的
12、压力和静态压力 压电效应 压电材料 具有压电效应的材料 受到外力作用时 不仅几何尺寸发生变化 而且内部极化 表面上还会有电荷出现 形成电场 当外力去除后 材料回复到原来的状态的现象 在弹性范围内 压电元件产生的电荷量与作用力之间呈现线性关系 电荷输出为 q kSp式中 q为电荷量 k为压电常数 S为作用面积 p为压力 通过测电荷量可知被测压力大小 结构如图 电荷量经放大可转为电压或电流输出测量一般配有电荷放大器 以增加输出可通过更改压电元件改变测量范围可以通过叠加压电元件以提高灵敏度 特点可作动态测量 不适合于静压力和慢变化的压力的测量 如果施加在压电元件上的外力不变 电荷无内部泄漏 外电路负
13、载无限大 那么 在外力作用期间 电荷量将始终保持不变 如果负载不是无限大 电路将会按指数规律放电 压电效应产生的电荷无法保持不变 从而造成测量误差 而在动态测量时 漏电量相对比较小 体积小 结构简单 工作可靠 频率响应高 不需外加电源 测量范围0 0 0007MPa至0 70MPa 测量精确度为 1 0 2 0 06 但是其输出阻抗高 需要特殊信号传输导线 6 集成式压力传感器是集成化传感器 如以压阻式压力传感器为基础的集成传感器可同时检测差压 静压和温度 通过多路转换开关和模 数转换后由微处理器进行相应的处理和显示 5 3 测压仪表的使用及压力检测系统 一 测压仪表的使用测量仪表的使用 包括
14、选择合适的测压仪表及仪表的校验等方面 测压仪表的选择选择合适的仪表主要根据生产过程提出的要求 结合各类压力表的特点综合考虑 一般涉及类型 测量范围和测量精度等方面 类型的选择应满足生产过程的要求 需要了解被测介质情况 现场环境及生产过程对仪表的要求 如信号是否需要远传 控制 记录或报警等 测量范围 量程 根据被测压力的大小及在测量过程中被测压力变化的情况来选取 选取仪表量程要留有余地 在测量稳定压力时 最大被测压力不能超过测量上限值的2 3 在测量脉动压力时 最大被测压力不能超过测量上限值的1 2 而在测量高压时 最大被测压力不能超过测量上限值的3 5 一般压力的最小值 应不低于测量上限值的1
15、 3 根据被测压力的最大值和最小值计算出仪表的上下限后 要按压力仪表的标准系列选定量程 目前我国压力仪表测量范围的标准系列是 0 1 0 06 0 15kPa和0 1 1 6 2 5 4 6 10 10nkPa n为整数 测量精度生产过程允许的被测压力的最大绝对误差应小于仪表的基本误差 可在规定的精度等级中确定仪表的精度 同时要注意经济性 不必追求高精度 工业用测压仪表的精度通常在0 5级以下 测压仪表的校验测压仪表在出厂前均需进行检定 使之符合精度等级要求 使用中的仪表则应定期进行校验 以保证测量结果有足够的准确度 常用的压力校验仪器有液柱式压力计 活塞式压力计或配有高精度标准表的压力校验泵
16、 标准仪表的选择原则是 其允许绝对误差要小于仪表允许绝对误差的1 3 1 5 如果被校仪表的读数误差小于规定误差 则认为它是合格的 工业校验不用砝码而用标准压力表 压力检测系统包括直接测取压力的取压口 传递压力的引压管路和测量仪表 是准确测量的保证 取压点位置和取压口形式为真实反映被测压力的大小 要合理选取测压点 注意取压口形式 设置取压点的原则 取压点要避开各种局部阻力如管路弯曲 分叉 死角或流动形成涡流的区域 应在突出物体的 温度计 前方 在阀门前后远距离处 3D以上 取压孔径要小 使流体受到的扰动小 不至于在孔内形成涡流 取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面 其内端面与设备内壁平齐 否则相当于孔径增大 扰动增大 要防止积灰和堵塞 测量液体介质的压力时 取压口应在管道下部 以避免气体进入引压管 测量气体介质的压力时 取压口应在管道上部 以避免液体进入引压管 引压管路的敷设其长度和直径原则上对压力信号的传递无影响 但实际上影响测压系统的动态特性 需要注意的原则有 a 引压管的内径一般为6 10mm 长度不得超过50 60m 更长距离时要使用远传式仪表 b 引压管路水平敷设时 要保持一定的
