自动检测与仪表-5.压力检测.ppt

第二篇 过程参数检测技术,5.1 压力单位及压力检测方法 5.2 常用压力检测仪表 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5 压力检测,5 压力检测,5.1 压力单位及压力检测方法 5.1.1 压力的单位 5.1.2 压力的几种表示方法 5.1.3 压力检测的主要方法及分类,5.2 常用压力检测仪表 5.2.1 弹性压力计 5.2.2 力平衡式压力计 5.2.3 压力传感器,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统 5.3.1 测压仪表的使用 5.3.2 压力检测系统,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.1 压力的单位,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,下面给出几种单位之间的换算关系表，以便了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系。,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.1 压力的单位,各种压力单位换算表,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.2 压力的几种表示方法,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,绝对压力是指物体实际所承受的全部压力。表压力是一个相对压力，在工程实际中，所说的压力通常是 指表压，即压力表上的读数。,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,液柱式压力表 液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来测量压力的。这类仪表包括 U 型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。弹性式压力表 弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。,测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,活塞式压力计 活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压力测量的。这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到 0.05 一 0.2%，所以普遍用作标准压力发生器或标准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。,测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,压力传感器和压力变送器 压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、霍尔片式等多种形式。,测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：,5.1 压力单位及压力检测方法,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,压力传感器和压力变送器,测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：,活塞式压力计,液柱式压力表,弹性式压力表,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,一、弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示。,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、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 调整螺丝；9 接头,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、弹簧管压力表,电远传弹性压力表的结构原理见P62,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、弹簧管压力表,电远传弹性压力表的结构原理见P62,霍尔元件,霍尔传感器,霍尔元件是将一种半导体四端薄片（霍尔片），做成正方形，在薄片上焊有两对电极引出线，然后采用非导磁金属或陶瓷或环氧树脂封装制成的。,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、弹簧管压力表,电远传弹性压力表的结构原理见P62,霍尔效应,霍尔传感器,在垂直于半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为B的磁场，在半导体薄片相对的两边通以控制电流I。,当N型半导体中的载流子（电子）沿着电流I相反地方向运动时，受到洛仑兹力FL的作用，使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积聚，产生了静电场，即霍尔电场。,图示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、弹簧管压力表,电远传弹性压力表的结构原理见P62,霍尔效应,霍尔传感器,霍尔电场对电子的作用力FE与洛仑兹力FL方向相反，将阻止电子继续偏转，最后形成动态平衡。此时在半导体薄片电荷积聚的两边将产生一个与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势。,图示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。,5.2 常用压力检测仪表,弹性压力计,二、弹簧管压力表,电远传弹性压力表的结构原理见P62,霍尔位移传感器,霍尔传感器,霍尔位移传感器如图示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。,当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数，则当霍尔元件沿x方向移动时，输出的霍尔电势为：UHKx,5.2 常用压力检测仪表,力平衡式压力计,DDZ-III型差压变送器,膜盒式差压变送器构成,检测元件：膜盒或膜片工作原理：力矩平衡杠杆系统：单杠杆、双杠杆 和矢量机构,5.2 常用压力检测仪表,压力传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器 5.2.3.2 压阻式压力传感器 5.2.3.3 电容式压力传感器 5.2.3.4 振频式压力传感器 5.2.3.5 压电式压力传感器 5.2.3.6 集成式压力传感器,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,电阻应变效应电阻应变片的测量电路应变式传感器的应用 应变式力传感器 应变式压力传感器 应变式液体重量(或液位)传感器 应变式加速度传感器,1-电阻丝；2-基片；3-引出线；4-覆盖层,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,电阻应变效应,金属箔式应变片,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”。,应变片的工作过程：,电阻应变效应,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”。,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r。又由材料力学可知，在弹性范围内，,电阻R；电阻率长度l；截面积A,电阻应变效应,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,电阻的灵敏度系数,金属材料：K以前者为主，则K1+21.73.6半 导 体：K值主要是由电阻率相对变化所决定,电阻应变效应,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,应变式压力传感器,传感筒1-应变筒2-外壳3-密封膜片,应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，静态性能相同的应变片 r1 和 r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁。r1 沿轴向贴放，为测量片；r2 沿径向贴放，为温度补偿片。,当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片 r1 产生轴向应变，阻值变小；而应变片 r2 受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。r2 的变化量比 r1 的变化量要小，r2 的主要作用是温度补偿。,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻,不受压时r1=r2=r0 R3=R4=r,若应变片受压，则：r1=r0+r1；r2=r0+r2(r1r2),可见，有压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压U进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。,应变式压力传感器,5.2 常用压力检测仪表,应变式传感器,5.2.3.1 应变式压力传感器,应变式压力传感器,当测量电桥时为等臂电桥。通常,半桥,全桥,单臂电桥,（测量结构见P63）,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.2 压阻式压力传感器,压阻式传感器,压阻效应及压阻系数,当在半导体材料上施加一作用力时，其电阻率将发生显著的变化，这种现象称为压阻效应。,纵向压阻系数和横向压阻系数，大小由所扩散电阻的晶向来决定；,纵向应力和横向应力（切向应力），其状态由扩散电阻所处位置决定。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.2 压阻式压力传感器,压阻式传感器,压阻元件,压阻元件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。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等，也是依附于弹性元件而工作。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.2 压阻式压力传感器,压阻式传感器,压阻式压力传感器,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.2 压阻式压力传感器,压阻式传感器,压阻式压力传感器,感压元件为扩散硅应变片硅杯内腔承受被测压力p，杯的外侧为大气压力如用来测量差压，则分别接p1及p2,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.3 电容式压力传感器,电容式传感器,电容式传感器的基本原理,电容量C的大小与S、d和有关，若保持这三个参数中的两个不变而改变另一个，则C就会发生变化。,S 极板相对覆盖面积d 极板间距离r相对介电常数0真空介电常数 电容极板间介质的介电常数,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.3 电容式压力传感器,电容式传感器,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.3 电容式压力传感器,电容式传感器,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)，能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力，需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器,压电式传感器是一种典型的有源传感器（属于发电型传感器）。,压电式传感器元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。,它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器,正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为“正压电效应”。,逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器,X轴-电轴；Y轴-机械轴；Z轴-光轴,“纵向压电效应”：沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷,压电材料分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器,压电式传感器的等效电路,5.2 常用压力检测仪表,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器,压电式压力传感器,用于流体压力的测量拉紧的薄壁管对晶片提供预载力，而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度条件下，避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,测压仪表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析。,一、仪表类型的选用,三、仪表精度级的选取,二、仪表测量范围的确定,一般考虑以下几个问题：,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,一、仪表类型的选用,1.仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触。因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,一、仪表类型的选用,2.输出信号类型,只需观察压力变化的可选用 如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；,如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表可选用 电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；,如果要检测快速变化的压力信号可选用 电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；,如果控制系统要求能进行数字量通信可选用 智能式压力检测仪表。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,一、仪表类型的选用,3.使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,二、仪表测量范围的确定,仪表的量程 是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围。,关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,二、仪表测量范围的确定,测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3（或3/4）测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1/2（或2/3）测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5一般测量压力：最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜,仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,三、仪表精度级的选取,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的 最大绝对误差应小于仪表的基本误差。,在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,被测压力比较稳定，设仪表量程为0AMPa，则根据工作压力的要求：按量程系列，选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max0.44%0.016 MPa 这就要求所选仪表的相对百分误差为：0.016/(10)100%1.6%按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。,5.3.1 测压仪表的使用,解：,由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解：,根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解：,根据测量误差的要求，可算得允许误差为 所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。,至此确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为0.02MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。,解：,对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为 1.61.5%0.024(MPa)因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值，所以是不合格的。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1 测压仪表的使用,对于测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为 1.01.5%0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差，故符合对测量准确度的要求，可以采用。,解：,该例说明了：选一台量程很大的仪表 来测量很小的参数值是不适宜的。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,压力检测系统包括：测压点、导压管、测压仪表,一、测压点（取压口）的选择二、导压管的铺设三、测压仪表的安装,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,一、测压点（取压口）的选择,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。参考：教材P68 图5-15,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。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,一、测压点（取压口）的选择,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消；,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,问：能否从底部引出？为什么？,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,二、导压管的铺设,导压管一般内径为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，以利于积存于其中的液体(或气体)排出。必要时要加装 气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。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切断阀，以备检修压力计时用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,三、测压仪表的安装,安装原则：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。,分三种情况：1.一般压力检测仪表的安装 2.特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）3.压力变送器的安装,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,三、测压仪表的安装,1.一般压力检测仪表的安装,压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏。压力仪表尽可能安装在室温、相对湿度小于80、振动小、灰尘少、无腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰。压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部。测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,三、测压仪表的安装,2.特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）,测量高温（60以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b)。,测量高压流体介质的压力时，压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防意外。,测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d)。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,三、测压仪表的安装,测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),(e),(g),2.特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）,测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，在取压装置后安装除尘器，如图(g),5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管路中应有 排气装置，如图(a)，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装 如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。测量蒸汽时，引压管管路则如图(c)所示。,三、测压仪表的安装,3.压力变送器的安装,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.2 压力检测系统,差压变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。,在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切断阀1、2，最后再关闭平衡阀3。需要停用检修差压变送器时，应先打开平衡阀，然后再关闭切断阀1、2。对仪表进行零点校验时，应关闭切断阀1、2，打开平衡阀3。,三、测压仪表的安装,3.压力变送器的安装,