压力检测技术及仪表.ppt

1,过程检测技术及仪表,3 压力检测技术及仪表,2,3.1 概述,3.2 液柱式压力计,3.3 弹性式压力计,3.4 光纤压力计,3.5 差压变送器,3.6 电阻应变式压力计,3.7 振频式压力计,3.8 压力检测仪表的选用,内容安排：,3,3.1 概述 压力为均匀而垂直作用于单位面积上的力。表达式为：,式中，P压力；F作用力；A作用面积。,在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。,4,过去采用的压力单位有：“工程大气压”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、“物理大气压”（即atm）等，均应改为法定计量单位“帕”。,压力单位换算表,5,几种不同的压力表示方法：(1)绝对压力:作用于物体表面积上的全部压力,(2)大气压力:空气柱重量所产生的压力,(3)表压力:绝对压力与大气压力之差；当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,如测炉膛和烟道气体的压力均是负压。(4)差压:任意两个压力之差称为差压。,绝对压力、表压、负压(真空度)的关系,6,原理与应用：以流体静力学原理来测量压力。采用水银或水为工作 液,用U型管或单管进行测量,常用于低压、负压或压 力差的测量。,3.2 液柱式压力计,图示的U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力p1,另一侧通压力p2。当p1=p2时,左右两管的液体高度相等。当p1 p2时,两边管内液面便会产生高度差。根据液体静力学原理可知:p=p2-p1=gh 为U形管内液体的密度。,优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度。缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便。,7,如把压力p1一侧改为通大气P0,则上式可改写为单管或斜管，测压原理与U形管相同。,p2=gh,单管压力计,斜管式压力计,p=gh,8,9,以弹性元件受压后产生弹性变形作为测量基础。3.3.1 弹性元件 弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。,3.3 弹性式压力计,波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量,单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。,10,图为利用弹性形变测压原理图。当通入被测压力p时,弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡,弹簧被压缩后产生的弹性位移量x与被测压力p的关系符合胡克定律,表示为,测量压力就变为测量弹性元件的位移量x。,金属弹性元件都具有不完全弹性，即在所加作用力去除后，弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象，这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关。若要减小这方面的误差，则应注意选用合适的材料，加工成形后进行适当的热处理等。,11,当开口端通入被测压力后,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,结果使弹簧管的自由端产生位移,改变中心角。中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系:,3.3.2 弹簧管压力表,12,如果a=b，则=0，这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。,对于单圈弹簧管，中心角变化量比较小，要提高，可采用多圈弹簧管。,13,弹簧管压力表 被测压力由接头9通入,迫使弹簧管1的自由端产生位移,通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。,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-调节螺钉；,9-接头,14,电接点信号压力表,1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯,压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,15,3.3.3 膜盒压力计,普通型膜盒压力计原理图,1-膜盒；2-连杆；3-绞链块；4-拉杆；5-曲柄；6-转轴；7-平衡片；8-游丝；9-指针；10-刻度盘,其压力-位移转换元件是金属膜盒，常用来测量几百至几万帕以下的无腐蚀性气体的正压或负压。,被测压力p经导压管引入膜盒1中，使膜盒产生弹性变形位移，此位移经一系列传动后，使指针7作相应的偏转，进而在刻度盘上显示出被测压力的数值。游丝10用以消除传动间隙的影响。因为膜盒产生的弹性变形位移与被测压力成正比，所以该仪表具有线性刻度。,膜盒压力表,金属膜片,金属膜盒,16,3.3.4 波纹管压力计,可实现信号远传的波纹管压力计,波纹管,17,3.3.5 压阻式压力计,压阻式压力计的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件，实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。,优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变 化，动态响应好。缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数 的大小。,18,压阻式压力计的结构示意图,内部结构,硅膜片示意图,在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。,当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。,19,3.3.6 变隙式差动电感压力计,当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,20,3.3.7 差动电容式压力计,通过弹性膜片的位移引起电容量的变化,从而测出压力（或差压）.,差动电容式压力计结构图,21,3.3.8 压电式压力计,压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量 与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体。特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，频率 响应高，量程范围广。,压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与下方弹性膜片接触并接地，另一个侧面与上方弹性膜片接触，并通过金属箔和引线将电量引出。,22,在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。压电元件输出的电荷量为,q电荷量；k压电系数；S作用面积；P被测压力,测得电荷量即可求出被测压力值。压电式压力计不能用于静态测量，压电材料在交变力的作用下，电荷可以得到不断补充，以供给测量回路一定的电流，适用于动态测量。,23,3.3.9 霍尔式压力计,由压力-位移转换部分、位移-电势转换部分和直流稳压电源等组成。,压力先转换成位移，再应用霍尔电势与位移的关系测量压力。,霍尔电势UH的大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。,24,3.3.10 弹性式压力计的选用 选择依据是生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、允许误差、介质特性及生产安全等因素。,最大压力值应不超过满量程的3/4,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2/3。为了保证测量精度,被测压力最小值应不低于全量程 的1/3。,在选择弹性式压力计时，除仪表类型的选择之外，重点需考虑的问题是仪表的量程。为了保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择量程时必须留有足够的余地。,25,3.4 光纤压力计,光纤传感器是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。,外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。,26,光纤微弯曲压力传感器由两块具有空间周期性的波形板(变形器)构成，其中一块是活动板，另一块是固定板。一根光纤从一对波形板之间通过。,当有压力F作用而使活动板产生位移时，光纤就会发生微小弯曲，这时，部分光线漏出包层，光纤芯的输出光强减小，光强受到调制。通过检测光纤芯透射光强度或泄漏出包层散射光强度，即可测出压力(或位移)的大小。,光纤微弯对传播光的影响,光纤微弯位移（压力）传感器,27,作用：用来将压力、差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。,应用：,3.5 差压变送器,类型：电容式、压阻式、压电式。,28,电容式差压变送器方框图,输入差压Pi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化。此电容变化量由电容-电流转换电路变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流I0。,3.5.1 电容式差压变送器,29,30,3.5.1.1 差动电容传感器,1，2，3-电极引线；4-负压管导入口；5-硅油；6-负压侧隔离膜片；7-负压室基座；8-负压侧固定电极；9-可动电极；10-正侧固定电极；11-正压室基座；12-正压侧隔离膜片；13-正压管导入口,31,当pi0，将迫使硅油向右移动，进而使可动极板向右发生微小位移S,差动电容容量的相对变化值与被测差压pi成线性关系；差动电容容量的相对变化值与介电常数无关，这可大大减小温度对变送器测量精度的影响；差动电容容量的相对变化值与S0 有关，S0 越小，灵敏度越高。,32,作用：将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号。此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。,电路包括电容电流转换电路及放大电路两部分。,3.5.1.2 转换放大电路,33,是一种变压器反馈型振荡电路，其振荡频率由检测电容和变压器次级绕组的电感决定。,振荡器的输出幅值由控制放大器 IC1 的输出电压决定。,高频振荡器,作用是向差动电容提供高频电流,34,解调和振荡控制电路,振荡控制放大器 主要包括放大器 IC1，其作用是保持I1+I2不变,实现差动电容相对变化值与电流信号Ii之间的线性关系。,35,放大电路,作用：将电流信号 Ii 放大，并输出4 20mA的直流电流。,36,3.5.2 扩散硅式差压变送器,采用硅杯压阻传感器作为敏感元件。,硅杯是由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成,它既是弹性元件,又是检测元件。,当硅杯受压时,压阻效应使其上的扩散电阻（应变电阻）阻值发生变化,通过测量电路把电阻变化转换成电压变化。,硅杯,37,扩散硅差压变送器电路原理：,硅杯的应变电阻通过不平衡电桥转换为电压变化。,当变送器输入差压信号时，使硅杯受压，电桥就有不平衡电压输出，运算放大器A将此电压放大，并控制晶体管V使输出电流Io增加。在差压变化的量程范围内，晶体管V的发射极电流Ie为319 mA,故输出电流Io便是420 mA。,38,补充内容：智能式变送器,智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,一、智能变送器的特点,性能稳定,可靠性好,测量精度高,基本误差仅为0.1%。量程范围可达1001,时间常数可在036s内调整,有较宽的零点迁移范围。,具有温度、静压的自动补偿功能,在检测温度时,可对非线性进行自 动校正。具有数字、模拟两种输出方式,能够实现双向数据通讯,可以与现场总线网络和上位计算机相连。可以进行远程通讯,通过现场通讯器,使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能,简化了调整、校准与维护过程,使维护和使用都十分方便。,39,二、智能变送器的结构原理,40,手持通信器,功能：（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断,41,3.6 电阻应变式压力计,基于电阻应变效应工作。,利用电阻应变片将被测试件的应变量转换为电阻变化，然后再利用桥式电路将电阻变化转换为相应的电压信号，进而完成对压力的测量。,可测量压力、荷重、位移、速度、加速度、扭矩等。,42,各种电子秤,广泛的应用,43,44,平行双孔梁,45,应变片粘贴于被测材料上，被测材料受到外力的作用产生的应变传到应变片上，使应变片的电阻值发生变化，通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。,电阻应变效应,设一金属丝导体的初始长度为L，截面半径为r，面积为S，电阻率为，则,46,电阻值当导体两端受外施轴向力作用时，几何尺寸、电阻率都将发生变化，引起电阻值的变化。用数学式来表述其变化，将上式微分并整理后得：,电阻应变片的电阻变化率是几何应变效应（1+2）x项和压电电阻效应项 综合作用的结果。对于金属材料来说，由于压电电阻效应极小，因此，电阻变化主要是由几何应变效应引起的；而对于半导体材料来说，则其压电电阻效应很大，即（1+2）x，此时的几何应变效应可以忽略不计，可认为。,47,3.6.2 金属应变片结构 网状敏感栅高阻金属丝、金属箔 基 片绝缘材料 盖 片保护层,48,电阻应变式压力计,49,电阻应变计测量电路-桥式测量电路,50,直流电桥,51,电桥电路的温度补偿：,环境温度变化时会引起应变片的电阻变化，对测量造成误差。进行温度补偿消除这种误差。两种常用的温度补偿方法：,1.差动电路法 利用双臂或四臂的工作方式，不仅可消除非线性误差，提高灵敏度，而且可进行温度补偿，温度引起的电阻变化量不影响桥路的输出电压值，可消除由温度变化引起的零点漂移。,2.热敏电阻法 在电路中串入或并入热敏电阻。在应变片的灵敏系数随温度升高而下降的情况下,可采用热敏电阻Rt进行补偿的方法,52,3.7 振频式压力计,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。,有振筒、振弦、振膜、石英谐振等多种型式。,感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆柱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。,在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为：,fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；为结构系数；p为被测压力。,53,压力计由振筒组件和激振电路组成。,1-激振线圈；2-支柱；3-底座,4-引线；5-外壳；6-振动筒,7-检测线圈；8-压力入口,激振线圈使振筒按固有的频率振动，受压前后的频率变化可由检测线圈检出。,测量范围宽（00.014 MPa至050MPa）。,适用于气体压力测量。,54,3.8 压力检测仪表的选用,3.8.1 压力检测仪表的选型,合理地进行种类、型号、量程、精度等级等的选择。,量程,被测压力值在压力计全量程的3070之间为宜,精度,根据实际使用的需要合理选择压力计精度，以寻求性能价格比的最佳选择。,用途,压力检测信号是作为指示用还是要作为控制用，是否要求与计算机或其它智能型仪表进行信息通讯等。,决定了所选用的压力计是无输出的还是标准电流(电压)信号输出，或者是带有计算机通讯接口输出的仪表。,55,使用环境,是正常干燥环境，还是高温、高湿、易燃易爆或振动环境，这些都牵涉到压力计种类、型号的选择。,被测介质性质,被测介质是液体还是气体，对于液体，其粘度大小、脏污情况等要考虑，对于气体也要考虑温度高低及是否为腐蚀性气体等因素。,56,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐 弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不 应有凸出物或毛刺。测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。,3.8.2 压力检测仪表的安装,（1）测压点的选择：应能反映被测压力的真实大小。,57,测量蒸汽压力时，应加装 凝液管，以防止高温蒸汽 直接与测压元件接触图2-11（a）；对于有腐蚀性 介质的压力测量，应加装 有中性介质的隔离罐，右 图（b）表示了被测介质密 度2大于和小于隔离液密 度1的两种情况。,（2）压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动 和高温影响。,58,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度 时，对由此高度而引起的测量误差应按pHg进 行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g 为重力加速度。为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,59,（3）导压管铺设,导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可 能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如 超过50m，应选用能远距离传送的压力计。导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利 于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时 使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,60,3.8.3 压力检测仪表的校验,校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同的压力，并比较它们的示值，如果被校压力表相对与标准压力表的读数误差不大于被校压力表的最大允许误差，则认为被校压力表合格；反之则认为其不合格。,1-活塞；2-砝码；3-活塞缸,4-承重盘；5-变压器油；6-表接头,7-油杯；8-被校压力计；9-加压泵,