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1、第二节 压力检测及仪表,电动压力（差压）变送器,弹簧管压力表,乙炔表,电接点压力表,数字压力表,在工业生产过程中，特别是在化工、炼油等生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。,如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。 此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位、流量等往往是通过测量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便可确定物位或流量。,压力检测仪表的内容,一、压力单位及测压仪表,二、弹性式压力表,三、电气式压力表,四、压力变送
2、器,五、压力表的选择与安装,一、压力单位及测压仪表,压力是指垂直作用在单位面积上的力,P 表示压力,F 表示垂直作用力,S 表示受力面积,1MPa= 103 KPa,1KPa= 103 Pa,1、大气压力、表压力和绝对压力,大气压力是大气作用在地球表面的压力。,压力的测量方法及压力表的分类,1、用已知压力去平衡未知压力的方法（平衡法 ）,2、用弹性元件的弹性力与被测介质的作用力相平衡的测 量方法 （平衡法）,液柱式压力计,U 型管式压力计,单管式压力计,斜管式压力计,弹性式压力计,弹簧管式,单圈式,多圈式,膜盒式,波纹管式,活塞式压力计 平衡介质是砝码,平衡介质是工作液,3、用通过机械和电气元
3、件把压力信号转换成电量的测量 方法 （偏差法）,电气式压力计,霍尔式,应变片式,扩散硅式,力平衡式,电容式,智能式,另外还可用测量范围分类 压力表、微压计、真空表。,用精度等级分类 精密表、标准表、工业用表,用安装及指示特点分类 基地式（现场）压力表、远传 压力表、 指示型压力表、记录 型压力表等。,根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。 结构形式：U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。 特点：结构简单、使用方便。 缺点：精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量校低压力、真空度或压力差。,1、液柱式压力计,（1）U型管式压力计,U型管式压力
4、计是由带有刻度的 U型玻璃管和工作液组成。,当,为常数时,因此可以用工作液的液位高度H表示压力P的大小。,PA0（大气压）,由于U型管压力计存在二次读数问题，我们可以用单管式压力计。,U型管压力计可以用来侧压力P 也可以用来测差压 PPPA,（2）单管式压力计,PA0,（3）斜管式压力计,因为Lh,因此提高了仪表的灵敏度。,一般我们可以用斜管式压力计测微压。,液柱式压力计在读数时应当注意：,对于侵润型工作液（水、酒精等）应在最低点读数（切线）,对于非侵润型工作液（水银）应在最高点读数（切线）,二、弹性式压力计,弹性式压力计是以弹性元件受压后所产生的弹性形变为测量基础的。 特点：结构简单，使用可
5、靠，读数清晰，价格低廉，测量范围广有足够精度之优点。另外增加附加装置，可实现压力的记录，远传、信号报警、自动控制等。在工业上应用最广。,1、弹性元件,弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件，其作用是将压力信号转换成位移信号。,当测量范围不同所用的测量元件也不一样。,常见的弹性元件有；弹簧管、膜片、膜合和波纹管。,2、弹簧管式压力计,（1）弹簧管压力表的组成,P,（2）弹簧管压力表的工作原理,弹簧管的作用：将压力信号P转换成位移信号X 扇形齿轮、中心齿轮组成二次放大系统，其作用是：将位移信号X放大成角位移 指针、面板是指示部分，其作用是指示压力P,一端为密封端（自由端），另一端为敞开端（固定端）。
6、当压力作用于弹簧管内部时由于弹簧管的特殊结构，在自由端就会产生位移，且位移量与压力成比例，如能测出位移量，就能测出压力的大小。,截面为扁圆或椭圆的空心管子，将其弯成2700，,（1）弹簧管,弹簧管产生位移的条件：,a、截面为椭圆或扁圆的空心管子。,b、要弯成一定弯度，一端密封（自由端）一端敞开（固定端）,c、管内压力不为零。,（2）二次放大原理,二次放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。,i、弧放大, X为弹簧管产生的位移量,L为放大后的位移量,ii 角放大,角放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。,显然： 为中心齿轮产生的角位移, 为扇形齿轮的圆心角,c 为中心齿轮的半径,= ,将 = X 代入
7、= ,则,调整a 即可调整放大系统的放大倍数。,三、电接点压力表,电接点压力表就是在普通弹簧管压力表的基础上，增加了一个动触点，两个静触点。常用于压力测量、压力报警和压力控制。,应用电接点压力表，可以将压力控制在一定范围内。,可以调整压力下限和压力上限两个静触点。指针连接动触点。,当压力 时，上限报警电路接通，上限报警灯亮,当压力 时，下限报警电路接通，下限报警灯亮,这样就实现了压力的测量与报警。,例如 压力测量与报警系统,三、电气式压力表,把压力信号转换成电信号输出，然后测量电信号的压力表叫电气式压力表。,测量范围,允许误差0.2%,主要是介绍 压力传感器：霍尔式、应变片式、压阻式、,压力变
8、送器：力平衡式、电容式、扩散硅式,1、霍尔片式压力传感器,（1）霍尔效应,将通有电流的半导体片放入磁场中，当磁力线穿过半导体片时，在半导体片的两端会产生电动势。称此电动势为霍尔电势，半导体片叫霍尔片，此物理现象叫霍尔效应。,Y方向加电场,Z方向加磁场,X方向产生电动势,UH 霍尔电势,RH 霍尔常数,B 磁感应强度,I 电流强度,若 RH、I 均为常数 则 UHf (B),当确定了霍尔片的材料、几何形状后，RH 就是常数,当采用恒流源供电 I 也为常数。,那么霍尔式压力传感器如何将压力的变化转换成磁感强度B的变化呢？,霍尔效应，是由美国地质学家，古生物学家。 科学家爱德文霍尔在1879年发现的
9、。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器,（2）霍尔压力表的组成,P,UH 传感器,P I 变送器,P P 压力表,（3）磁靴系统,B,X,1/2X0,-1/2X0,X0,0,KX 0X1/2X0,0 X=0,-KX -1/2X0 X0,B=,当B大于1/2X0和小于 -1/2X0 时均为常数,在X0范围内,Bf (x),如图所示 为霍尔片式压力传感器,当压力P0（霍尔片在中间位置）,当压力P0 霍尔片右移,当压力P0 霍尔片左移,测正压,测真空,思考题： 某压力容器压力的工作范围是0160KPa，当压力为83KPa时，若用霍尔片式传感器测量（020mV)电压表的指示值
10、为 毫伏 ，若用霍尔片式压力变送器测量 （420mA)电流表的指示值为 毫安。,解：根据公式,当P 160KPa时 UH 20mV K0.125,当P=83时 UHKP10.375（mV ）,2、应变片式压力传感器,（1）、应变效应,导体或半导体材料受外力的作用压缩或拉伸后，会影响其电阻值的变化。这种物理现象叫应变效应。,当受压时 L SR,当拉伸时 LSR ,这样就把力的变化转换成电阻的变化了。,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,（2）、应变式压力计的组成,应变式压力传感器,（3）、应变片式压力传感器的工作原理,1、应变筒 2、外壳 3、密封膜片（不锈钢）,r1、r2 用康铜丝绕
11、成的应变片阻值 r10r20 320,r1 用缩醛胶沿应变筒轴向贴放。(0.015-0.05mm),r2 用缩醛胶沿应变筒经向贴放。,粘结时注意： （1）应变片与应变筒无相对滑动现象。 （2）应变片与应变筒保证电气绝缘。,当压力P时,r1受拉伸阻值增大,r2受压缩阻值减小,r1= r10+r1,r2= r20r2,这样通过压力传感器将压力的变化，转换成r1、r2电阻的变化。,应变片的粘贴,应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂
12、一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,电桥,电桥的作用就是将r1、r2的变化转换成桥路的不平衡电压的输出Uab,电源电压为 U10V DC r3、r4 为桥路固定电阻（金属膜电阻）,当压力 p在PminPmax 变化时 UAB输出05mv,C、E、r10、r20均为常数,当压力作用时：,r2的温度补偿作用
13、,因为应变片是用铜材料双向无感绕制的，当应变片所处的温度发生变化时，会影响应变片的电阻值的变化。从而产生测量误差。,根据测量原理，只有应变片r1就可以满足测量要求，为什么在相邻的桥臂上还要粘贴r2呢？,r2的作用是用来对r1进行温度补偿。,rt1 环境温度为t时的电阻值,r10环境温度t=t0时的电阻值,铜电阻的温度系数,因为r10、t0、 均为常数，所以应变片电阻r1是环境温度t的函数。,根据应变效应，r1还是被测压力P的函数。,因而,这样不管是被测压力变化还是环境温度变化，均可以使r1变化，必然要产生测量误差。要想保持应变片电阻与被测压力的单值对应关系，必须要消除环境温度对应变片电阻的影响
14、，因此要对r1进行温度补偿。,将r2接在与r1相邻的桥臂上。由于r2与r1的材料、几何形状相同，,当环境温度t变化时，由温度变化产生的电阻变化相等，因而会相互抵消。,当压力p=0时，电桥平衡,由于 r3= r4,可以相互抵消，使之与环境温度变化无关。,压阻式（扩散硅）压力传感器,压阻式压力传感器是利用半导体的应变效应，采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅片上采用集成电路的工艺在单晶面的特定方向扩散一组等值电阻。并将电阻接成桥路。 当压力发生变化时单晶硅片变形，半导体因受压引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。 用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、
15、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。,构成框图：,扩散硅,电桥,VI转换,P,RABCD,US,IO,传感器,放大转换部分,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1.负压室 2.正压室 3.硅杯 4.引线 5.硅片,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：RARBRCRDR,测量部分电压转换,受压时：RARDr1 RBRCr2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,整机电路图,RETURN,供参考,RA、RB、RC、RD为应变电阻,US桥路输出电压。50-100mV 通过集成运放IC和三极管BG在RL上输出420mA的电流信号。,当压力最小时Pmin,桥路输出电压US最小，此时,电流I0= 4mA,当压力最大时Pmax,桥路输出电压US最大，此时电流I0=20mA。,R0、R1为调零电阻，使I1=I2=0.5 mA。I=1 mA。 BG电流Ie=319 mA。I0= I+Ie(mA),特点：精度高，工作可靠、频率响应高，迟后小、尺寸小、重量轻、结构简单。,以下是电阻式远传称重仪： 3个方案中你认为那一个更合理？为什么？,（A）,（C）,思考题,山师大精品课程,简述压力传感器的测量原理,思考题,山师大精品课程,山师
