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1、传感器及应用 第5章,要点： 1.压力的概念、测量方法、传感器的类别，压力计的选择与使用 2.流量的概念，流量传感器的类型，差压式流量计的投运，电磁流量计的特点与使用注意问题 3.物位的概念、测量方法、零点迁移，超声波物位计的应用,第5章 压力、流量和物位传感器及应用,压力、流量、物位、成分和温度五种物理量统称为过程量或热工量，在化工、印染、冶金等工业生产领域全都是依靠传感器和自动化仪表进行自动检测和控制的。其中，流量和物位也都可以用压力传感器来测量。,主要内容, 5.1 压力传感器及应用 压力的概念，压力传感器类别及其选择和安装 5.2 流量传感器及应用 流量的概念、测量方法，差压式流量计及
2、其投 运，电磁流量计及其使用注意问题，其他流量传感器 5.3 物位传感器及应用 物位的概念及测量方法，静压式液位计、超声波物位传感器等,5.1 压力传感器及应用,5.1.1 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。它由受力面积和垂直作用力的大小两个因素所决定， 用数学式表示为,图5-1 液柱压力示意图,压力也可以用相当的液柱高度来表示，如图5-1所示。根据压力的概念有,2.压力的单位 在国际单位制中，压力单位是帕斯卡，简称帕，代号为Pa，它的定义是在每平方米面积上，垂直作用了1牛顿的力 1Pa=1Nm2,3.大气压力、绝对压力、表压力与真空度 P表 =
3、 P绝 P气,压力传感器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710-55lO8Pa；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，通过计算机实现工业过程的现场控制。 几种常见的压力传感器性能比较见表5-2。,5.1.2 压力传感器及其类别,1.压力传感器类别,2.常用压力传感器,目前我国出厂的弹簧管压力表量
4、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。 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YCD150型压力传感器，它结构简单，价格便宜。在利用变频控制进行恒压供水方面有广泛应用。,（1）单圈弹簧管压力表,图5-2 弹簧管压力表 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,板式压力传感器：板式压力传感器包括薄板式、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5-3a所示。,图5-3 板式压力传感
5、器 a）结构图 b）应变片粘贴位置示意图 1弹性薄板 2应变片 3壳体 4引线,（2）应变式压力传感器,应变式压力传感器用于液体、气体压力的测量，其测量压力范围104107Pa。应变式压力传感器采用筒式、薄板式、膜片式和组合式弹性元件。,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5-6a所示。其中，1脚接地，3脚加电源电压，2脚和4脚输出。,图5-6 X形硅压力传感器 a）工作原理图 b）外形图 c）电路符号,电感式压力传感器是用变换压力的弹性敏感元件将压力变换成位移，再由电感式位移传感器转换成电信号。
6、在压力测量中，差动变压器式传感器应用的比较广泛。 如图5-7所示为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。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。,图5-7 微压力变送器结构示意图 1接头 2膜盒 3底座 4线路板 5差动变压器 6衔铁 7罩壳 8插头 9通孔,（3）电感式压力传感器,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。 电容式差压传感器： 如图5-8所示。,图5-8 电容式差压传感器 1弹性膜片 2凹玻璃圆片
7、 3金属涂层 4输出端子 5空腔 6过滤器 7壳体,（4）电容式压力传感器,如图5-9a所示，这种传感器的测量范围是固定的，不能随意迁移，采用两线制连接方式，由直流1236V供电，精度为0.250.5级；允许在-10+150环境中工作。,图5-9 变面积电容式压力传感器 a）结构图 b）悬挂在介质中 c）安装在容器壁上 1金属膜片 2、6中心柱 3支撑簧片 4可动电极 5固定电极 7绝缘支架 8挡块,变面积式电容压力传感器：,除用于一般压力测量之外，这种传感器还常用于开口容器的液位测量，即使介质有腐蚀性或粘稠不易流动，也可使用。,（5）压电式压力传感器 目前较常用的膜片式压电压力传感器如图5-
8、10所示。这种压力传感器可测量102108Pa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。,图5-10 膜片式 压电压力传感器 1壳体 2压电元件 3膜片 4绝缘圈 5空管 6引线 7绝缘材料 8电极,（6）振弦式压力传感器 如图5-11所示，由混频器输出上、下两根振弦振动频率的差频信号，其频率随外力增大而升高。 图中两根振弦互相垂直安置，可补偿作用力不垂直时由侧向作用力引起的测量误差。同时，也具有温度补偿作用。,图5-11 振弦式压力传感器 1压力膜 2支座 3、4振弦 5、6拾振器
9、 7、8激振器 9柱体 10、11放大、振荡电路 12混频器 13滤波整形电路,霍尔式压力计：霍尔式压力计是由霍尔元件和压力弹性元件组成的。如图5-12所示是霍尔式微压力传感器的原理图。,图5-12 霍尔式微压力传感器原理示意图 a）结构 b）磁场与压力的关系曲线 1磁铁 2霍尔器件 3波纹膜盒 4杠杆 5外壳,（7）霍尔压力传感器,霍尔压力传感器也可由弹簧管与霍尔式位移传感器构成。,5.1.4 压力计的选择和使用,1.压力计的选择 压力计的选择应根据具体情况作具体分析，在符合工艺过程、热工过程所提出的技术要求，适应被测介质的性质和现场环境条件下，本着节约的原则，合理地选择压力计的种类、仪表型
10、号、量程和精确度等级等，以及是否要带报警、远传、变送等附加装置。对于弹性式压力计，为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠的工作，在选择量程时必须留有足够的余地，一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的34，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的23。为保证测量精确度，被测压力最小值应不低于全量程的13。,例如要测量高压油喷嘴雾化剂(蒸汽)的压力，已知蒸汽压力为(24)105Pa，要求最大测量误差小于104Pa，如何选择压力表呢? 根据已知条件及弹性式压力计的性质决定选Y-100型单圈管弹簧压力计其测量范围为06105Pa(当压力从2lO4Pa变化到4105
11、Pa时，正好处于量程的l323)。要求最大测量误差小于104Pa，即要求仪表的相对误差,所以应选1.5级表。,（1）测量点的选择 测量点的选择应能代表被测压力的真实情况。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，应选在管道的直线部分，也就是离局部阻力较远的地方。为避免导压管堵塞，取压点一般要求在水平管道上。在测量液体压力时，,2.压力计的使用,图5-15 导压管与管道的连接,导压管与管道的连接如图5-15所示。,取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上部，使导压管内不积存液体。,（2）导压管的铺设(包括各种阀) 铺设导压管时，应保持对水平有1:101:20的倾斜度，
12、以利于导压管内流体的排出。导压管中的介质为气体时，在导压管最低处需装排水阀；为液体时，则在导压管最高处需装排气阀；若被测液体易冷凝或冻结，必须加装管道保温设备。在靠近取压口的地方应装切断阀，以备检修压力计时使用。在需要进行现场校验和经常冲洗导压管的情况下，应装三通开关。导压管内径一般为61Omm，长度50m(以减少滞后)，否则要装变送器。,（3）压力计的安装 测量蒸汽压力或压差时，应装冷凝管或冷凝器。冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器工作空间的最大容积变化的三倍。 当被测流体有腐蚀性，易冻结、易析出固体或是高粘度时，应采用隔离器和隔离液。隔离液应选择沸点高，凝固点低，化学与物理性能稳
13、定的液体，如甘油、乙醇等。 被测压力波动频繁和剧烈时(如压缩机出口)可用阻尼装置。 安装压力计时应避免温度的影响，如远离高温热源，特别是弹性式压力计一般应在低于50的环境下工作。 安装时还应避免振动的影响。,压力计安装示例如图5-16所示。在图c所示情况下，压力计上的指示值比管道内的实际压力高。这时，应减去从压力计到管道取压口之间一段液柱的压力，即,图5-16 压力计安装示例图 a)测量蒸汽 b)测量腐蚀性介质 c)压力计安装在管道下方 1-压力计 2-切断阀门 3-隔离器 4-生产设备 5-冷凝管 1、2-被测介质和中性隔离液的重度,P=P表-h,1.流量的概念 单位时间内流过管道某一截面的
14、流体数量，称为瞬时流量。而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量，如用户的水表、气表等。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。,5.2 流量传感器及应用,5.2.1 流量及其测量方法,（1）体积流量qv 单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为,（2）质量流量qm 单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可表示为,2.流量的测量方法 生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态（如介质的温度、压力等）及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体
15、的流量。尤其工业生产过程的情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为速度式、容积式和质量式三大类。,（1）差压式流量传感器及其原理 差压式流量传感器又称节流式流量传感器，主要由节流装置和差压传感器,图5-17 1节流元件（孔板） 2引压管 3差压传感器 4平衡阀 5正压室切断阀 6负压室切断阀,5.2.2 几种速度式流量传感器,1.差压式流量传感器,(或差压变送器)组成，如图5-17所示。它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差，然后
16、用差压传感器将压差信号转换成电信号，或直接用差压变送器把差压信号转换为与流量对应的标准电流信号或电压信号，以供测量、显示、记录或控制。,（2）差压式流量传感器的投运 差压式流量计投运时要特别注意： 其弹性元件不能突受压力冲击，更不要处于单向受压状态。 开表前，必须使引压管内充满液体或隔离液，引压管中的空气要通过排气阀和仪表的放气排除干净。 开表过程中，先打开平衡阀4，并逐渐打开正压侧切断阀5，使正负压室承受同样压力，然后打开负压侧切断阀6，并逐渐关闭平衡阀4，便可投入运行。 仪表在停运时与开表过程相反，先打开平衡阀，然后关闭正、负侧切断阀，最后再关闭平衡阀。,（1）电磁流量传感器的工作原理如图5-18所示，电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体的流量的。感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关，
