《压力检测仪表》PPT课件.ppt

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1、3.3 压力检测仪表 黄平捷 2010年 12月 1日 自动化专业课程 过程检测系统 浙江大学控制科学与工程学系 ZJU 2010年 12月 1日 2 主要内容 3.3.1 概述 压力表示方法 压力检测方法及仪表的分类 3.3.2 液体压力计 3.3.3 弹性压力检测仪表 3.3.4 电远传式压力检测仪表 3.3.5 物性型压力传感器 3.3.6 压力检测仪表的使用 问题与思考 现场指示 也是基于弹性元件的 应变、压阻、压电式 要点 各种压力检测仪表的特点 选用和使用时需注意的事项 准确度等级 量程迁移 ZJU 2010年 12月 1日 3 3.3.1 概述 （ 1）压力的定义 （ 2）压力的

2、表示方法 （ 3）压力检测的主要方法及压力检测仪表的分类 ZJU 2010年 12月 1日 4 压力检测与控制的重要性 保证化学反应过程的正常进行 压力影响物料平衡 压力影响化学反应速度 保证安全生产 防止生产设备因过压而引起 破坏或爆炸 安全生产 ZJU 2010年 12月 1日 5 ZJU 2010年 12月 1日 6 一些工程问题 压力单位 帕斯卡 - 1N/m3 巴 1*105 Pa 1kgf/cm2 公斤压力 - 1kgf/cm2 0.1MPa=100kPa 标准大气压 -1.01325 105 Pa 工程大气压 0.98 105Pa 1kgf/cm2 压力检测仪表选用？ 类型？量程

3、、准确度等级？ 压力检测系统？注意事项？ 量程迁移？ 1公斤压力大约是多少？ 如何测量压力？ ZJU 2010年 12月 1日 7 （ 1）压力的定义 压力的定义（物理学中的压强） p 压力单位 帕斯卡（ Pa） -1Pa=1N/m3（ 法定 ） 工程大气压 1工程大气压 =1kgf/cm2=1公斤压 力 ” 0.1MPa=100kPa 物理大气压 1atm=1.01325 105Pa=1.033 104mmH2O 巴 1bar=105Pa= 1kgf/cm2 毫米汞柱 毫米水柱 均匀而垂直 作用于单位 面积上的力 1N 1m2 atmosphere 压力单位换算表详见课本 P466 附录 4

4、 ZJU 2010年 12月 1日 8 序 号 分类 名称 符号 换算关系 备注 1 应力压强压力 帕（斯卡） Pa， N/m2 基本导出 单位 2 应力压强压力 兆帕 MPa 1MPa=106Pa =N/mm2 3 应力压强压力 吉帕 GPa 1GPa=1000 MPa=109Pa 4 应力压强压力 千帕 kPa 1kPa=1000Pa 5 应力压强压力 达因每平方厘 米 dyn/cm2 1dyn/cm2=0.1Pa 6 应力压强压力 皮兹 pz 1pz=1000Pa 7 应力压强压力 巴 bar 1bar=0.1MPa=106dyn/cm2 8 应力压强压力 千克力每平方 厘米 lat,k

5、gf/cm2 1kgf/cm2=98066.5Pa 9 应力压强压力 千克力每平方 米 kgf/m2 1kgf/m2=9.80665Pa 10 应力压强压力 吨力每平方米 tf/m2 1tf/m2=9806.65Pa ZJU 2010年 12月 1日 9 1巴（ bar） =1标准大气压（ atm） =1公斤 /平方厘米 =100千帕（ kPa)=0.1兆帕（ MPa） 压力单位近似换算公式 国家统一规定的仪表准确度等级： ， 0.05， 0.1， 0.25， 0.35， 0.5， 1.0， 1.5， 2.5， 4.0， （ P11） 仪表的最大允许误差 = （ （测量范围的上限值 -下限值）

6、 准确度等级 100 ） 目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表的统一量程系列（ P178) 1kPa、 1.6kPa、 2.5kPa、 4.0kPa、 6.0kPa以及它们的 10n 倍数（ n为整数）。 ZJU 2010年 12月 1日 10 压力表示方法 绝对压力 pa 表压力 p=pa-p0 真空度或负压 ph=p0-pa 差压 p=p2-p1 大气压 p0 p=0 p0 工程上，一般用 表压 和 真空度 来表示压力 （ 2）压力的表示方法 ph ZJU 2010年 12月 1日 11 （ 3）压力检测方法及仪表的分类 根据 敏感元件 和 转换原理 的不同 ， 一般分为四类： (1)液

7、柱式 充水或水银等的玻璃 U形管或单管 (2)弹性式 根据弹性元件受力变形的原理，将压力转换成位移 如：弹簧 管、膜片和波纹管等 (3)电远传式 将与被测压力成正比的敏感元件（弹性元件）的位移转换为 电信号输出，实现信号的远距离传输。如力平衡式、电容 式、霍尔式。 (4)物性型 在压力的作用下，敏感元件的某些物理特性发生变化。应变式、 压阻式、压电式等。均有电远传功能。 还有：活塞式 根据液压机液体传送压力的原理 ， 将被测压力转换成活塞 面积上所加平衡砝码的质量来进行测量 。 （ 测量精度较高 ， 0.05 0.02 ， 一般用作标准表 ） ZJU 2010年 12月 1日 12 液体压力计

8、 弹性式压力计 电远传式压力仪表 物性型压力传感器 压力检测 敏感元件和转换原理 U 形 管 单 管 式 弹 簧 管 波 纹 管 差 压 膜 盒 式 膜 片 式 力 平 衡 式 电 容 式 差 压 霍 尔 弹 簧 管 电 感 式 谐 振 式 应 变 式 压 阻 式 压 电 式 压力检测方法及仪表分类 绝压表、真空表、气压表、差压计 统一称为：压力表等术语 ZJU 2010年 12月 1日 13 3.3.2 液体压力计 （ 1）工作原理 （ 2）误差分析 温度：标尺长度、工作液密度 安装：安装不垂直 重力加速度 传压介质：密度（引压管高度差、温度、溶解和 化学反应） 读数：毛细现象 （ 3）使用

9、注意事项 重力加速度 垂直安装：否则修正 工作液选择：相溶或发生化学反应； P密度大的 瞬时工作压力不可超过量程 ZJU 2010年 12月 1日 14 p1 p2 p1 p2 h (a) (b) 21p p p g h 特点： 直观 、 可靠 、 准确度较高等 ， 只能测量较低的压力或差压 ， 易破损 ， 只能进行现场指示 。 误差来源主要有： 温度误差 由环境温度的变化引起工作液密度变化 。 如 水 温度 10 20 ， 密度从 999.8 - 998.3kg/m3(0.15 ) 安装误差 当 U形管安装不垂直时将会产生安装误差 。 传压介质误差 （ 对工作液产生压力；温度 ） 读数误差

10、（ 毛细现象 ） 液体压力计 p2=p1+gh ZJU 2010年 12月 1日 15 U形管 液体压力计 弹性式压力计 电远传式压力仪表 物性型压力传感器 压力检测 敏感元件和转换原理 U 形 管 单 管 式 弹 簧 管 波 纹 管 差 压 膜 盒 式 膜 片 式 力 平 衡 式 电 容 式 差 压 霍 尔 弹 簧 管 电 感 式 谐 振 式 应 变 式 压 阻 式 压 电 式 ZJU 2010年 12月 1日 16 类型 原理 测量范围 准确度 （等 级） 适用 场合 备注 液体压 力计 流体静力学 水 0 16kPa低 负差压；水银： 0250kPa 现场 指示 U形，单管；简便可靠；

11、常用于 低压、负压或差压的检测 注意事项： g h垂直 被测介质不反应，高压，低压 被测瞬时压力值不可超过测量范围 ZJU 2010年 12月 1日 17 3.3.3 弹性式压力检测仪表 （ 1）弹簧管压力表 （ 2）波纹管差压计 （ 3）其它弹性式压力表 膜片式 膜盒式 原理动画 用 弹性元件 作为压力敏感元件把压力转换成 弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放 大机构，通过指针指示被测压力大小的一种 压力表，统称 弹性式压力表 。 ZJU 2010年 12月 1日 18 弹簧管压力表 螺旋弹簧管、盘簧管 波纹管 双波纹管压力表 膜片式 膜盒式 金属膜片 液体压力计 弹性式压力计 电远传式压

12、力仪表 物性型压力传感器 压力检测 敏感元件和转换原理 U 形 管 单 管 式 弹 簧 管 波 纹 管 差 压 膜 盒 式 膜 片 式 力 平 衡 式 电 容 式 差 压 霍 尔 弹 簧 管 电 感 式 谐 振 式 应 变 式 压 阻 式 压 电 式 ZJU 2010年 12月 1日 19 弹性式压力检测 xp xp xp xp xp x x x x x 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管 弹簧管 简单 、 方便 、 便宜 ， 测量范围宽 ， 可以测量负 /微 /低 /中 /高压 ， 应用十分 广泛 。 根据制造的要求 ， 仪表精度最高可达 0.15级 。 膜 片 可直接带指示机构

13、 ， 更多是和其他转换元件结合把压力转换成电信号 。 波纹管 位移相对较大 ， 特点是灵敏高 （ 特别是在低压区 ） ， 常用于检测较低的 压力 （ 1.0 106Pa） ， 迟滞误差较大 ， 精度一般只能达到 1.5级 。 用弹性元件把压力转换成位移 膜 片 波 纹 管 弹簧管 ZJU 2010年 12月 1日 20 ZJU 2010年 12月 1日 21 弹簧管和弹簧管压力表 横截面呈非圆形 （ 椭圆形或扁圆形 ） 圆弧状 (中心角常为 270 ) 空心管子 一端封闭 (自由端 )， 一端开口 (固定端 ) 介质从开口端进入弹簧管内腔 非圆截面使它变圆并伴伸直的趋势 自由端产生位移 . 中

14、心角改变量和压力有关： 22 222 0 )1(1 abbhREP 式中 0为弹簧管中心初始角； 为受压后中心角改变量； R为弹簧管弯曲圆弧的外半径； h为管壁厚度； a、 b为弹簧管 椭圆形截面的长 、 短半轴 。 0 P ZJU 2010年 12月 1日 22 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 单圈弹簧管自由端位移量一般很小 ， 需要 放大机构 ， 也可采用多圈弹簧管 （ 原理与 单圈管相似 ） 单圈弹簧管压力表是最普遍的就地指示式 压力检测仪表 （ 也有电接点输出 ） 简单 、 方便 、 便宜 、 测量范围宽 一般工业用弹簧管压力表的精

15、度多为 1.5 或 2.5 级 ， 最高可达 0.15级 ZJU 2010年 12月 1日 23 类型 原理 测量范围 准确度 （等 级） 适用 场合 备注 弹簧管式 压力表 弹性元件 0 1000MPa负 微低中高 0.1 现场 指示 广 p20MPa不锈 钢或合金；腐蚀：隔离膜和隔离 液、耐腐蚀，氨（不锈钢）、氧 （无油脂）。简、便、廉 波纹管差 压计 弹性变形 0 0.4MPa 1.52.5 现场 指示 补偿波纹管（ T V ） 膜盒式压 力表 膜盒位移 -20 40kPa 1.52.5 气体 膜片式压 力表 膜片变形 -20 2.5MPa 1.52.5 常用于电远传 高 压 低 压 补

16、 偿 ZJU 2010年 12月 1日 24 3.3.4 电远传式压力检测仪表 一般弹性式压力仪表的不足 现场安装 就地指示 电远传式压力检测仪表 将弹性元件的位移转换为电 信号输出，实现信号的远传 压力传感器 压力变送器 弹性 元件 转换 元件 转换 电路 位移信号 电信号 压力 ZJU 2010年 12月 1日 36 电容式差压变送器 电容式 差压变送器采用差动 电容作为检测元件 主要包括测量部件和转换放大电路两部分： 差压电 容膜盒 电容 -电流转 换电路 调零、零 迁电路 电流放大器 反馈电路 p C Ii If Iz Io 测量部分 转换放大部分 ZJU 2010年 12月 1日 3

17、7 P=0 Ci1=Ci2=15pF P 0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大 差动 电容测量原理 ZJU 2010年 12月 1日 38 P=0 S1=S2=S0 P0 S1=S0 S2=S0 22 2 2 i AC S 21 11 1 1 i AC S 0 A S 0 A S P+ P ZJU 2010年 12月 1日 39 21 2 1 0 ii ii CC C C S 1KP 由于： 21 1 2 1 0 ii ii CC K P K P C C S 1 0 i AC S 2 0i AC S 21 00 11() iiC C A SS 22 0 2A S 21 00 11() i

18、iC C A SS 0 22 0 2 SA S 相对变化值 与被测差压 P成线性关系， 12 12 ii ii CC CC 且与灌充液的介电常数无关 ZJU 2010年 12月 1日 40 供参考 ZJU 2010年 12月 1日 41 振荡器 解调器 线性调整 IC1 基准电压 稳压源 IC3 功放 限流 负反馈 调零 零迁 RL Io E If Id Iz ()） Vc Vr 差动电容 框图 供参考 ZJU 2010年 12月 1日 42 电容式压力 （ 差压 ） 变送器 在工业现场应用非常广泛 ， 其输出 信号也是标准 4 20mADC电流信号 。 传感器有左右固定极板 ， 在两个固定极

19、板之间是由弹性材料制成 的测量膜片 ， 作为电容的中央动极板 ， 在 空腔中充满硅油 。 电容式差压变送器没有机械结构 ， 因而尺寸紧凑 ， 密封性与抗振 性好 ， 测量精度相应提高 ， 可达 0.2级 。 ZJU 2010年 12月 1日 43 类型 原理 测量范围 准确度 （等 级） 适用 场合 备注 力平衡式压力 变送器 膜片变形，力矩 平衡 气动 （ 140kPa气 源， 20100kPa） 广泛 DDZ-II（ AC220V,0 10MA） ;DDZ- III（ DC24V， 420MA）。气动、电 动 电容式差压变 送器 膜片变形（差动 电容器） 广泛 电容器封闭室中有硅油或氟油。

20、电容 -电流转换电路。 霍尔压力传感 器 弹簧管位移，霍 尔元件 霍尔元件输出： mV，电压放大，显 示时需二次仪表 电感式压力传 感器 弹性元件位移， 线圈自感或互感 系数变化 谐振式压力传 感器 谐振频率变化 弹性元件或与其相连的振动元件，振 弦、振膜、振筒 ZJU 2010年 12月 1日 44 3.3.5 物性型压力传感器 测量原理 基于物质定律基础上，敏感元件感受被测压力，并 将压力的大小转换成敏感元件的某个物理量输出 分类 应变式 压阻式 压电式 敏感 元件 物理量 压力 ZJU 2010年 12月 1日 45 物性型压力检测 应变片 压力 (差压 )变送器 利用金属或半导体材料制

21、成的电阻体的阻值可表示为： S lR 当电阻体受外力作用时 ， 电阻体的长度 l、 截面积 S或电阻率 会发生 变化 ， 即其阻值也会发生变化 。 这种 因尺寸变化 （ l、 S ） 引起阻值变化 称为 应变效应 。 此时的电阻体称为 应变片 应变片多以金属材料为主 ， 一般和弹性元件一起使用 。 因电阻率变化 （ ） 引起阻值变化 称为 压阻效应 。 ZJU 2010年 12月 1日 46 物性型压力检测 应变片 压力 /差压变送器 r1 r2 1 2 3 P 1外壳 2弹性筒 3膜片 应变片 r1和 r2用贴在应变筒的外壁 r1沿应变筒轴向贴放 ， 作为测量片 r2沿径向贴放 ， 作为温度

22、补偿片 。 r1、 r2的静态性能完全相同 。 当膜片受压时 ， r1产生轴向应变 ， 阻值变小 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 ） ZJU 2010年 12月 1日 47 R3和 R4是两个阻值相等的精密固定电阻 。 Ui E r1 r2 R3 R4 A B 测量电桥 不受压时 r1= r2=r0 R3=R4=r iU 0 不受压时 若应变片受压 ， 则： r1= r0+r1； r2= r0+r2 (r1r2) 01 0 1 0 2 1( ) 2 rr E r r r r 3 1 3 4 1 2 ()i R

23、 rUER R r r 12 0 1 2 4 2 2rr Er r r 0 1 2 2 r r r 12 0 4rr EPr 12 r P r P 1 12 1( ) 2i rUE rr ZJU 2010年 12月 1日 48 Ui E r1 r2 R3 R4 A B (b)测量电桥 12 0 4i rrU E Pr 受压时 ， r1 和 r2 一减一增 ， 使电桥有较大的输出 环境温度变化时 ， r1、 r2同时增减 ， 不影响电桥平衡 如果仪表能把 Ui进一步转换为标准输出 ， 则该仪表即 可称为应变式压力变送器 应变片式压检测仪表 （ 多属于中低档产品 ） 具有较大的测量范围 ， 被测压

24、力可达几百 MPa 具有良好的动态性能 ， 适用于快速变化的压力测量 虽有温度补偿 ， 仍有比较明显的温漂和时漂 ， 测量精度一般在 0.5 1.0 左右 。 ZJU 2010年 12月 1日 49 压阻式 （ 扩散硅 ） 压力 /差压变送器 因 电阻率变化引起阻值变化 称为 压阻效应 半导体材料的压阻效应比较明显 传感器基片材料主要为 硅片 和 锗片 扩散硅压力检测仪表应用广泛 p2 p1 硅杯 图 3-30 压阻式传感器示意图 正压侧隔 离膜片 引出线 负压侧隔 离膜片 硅油 ZJU 2010年 12月 1日 50 构成框图 ： 扩散硅压 阻传感器 前置 放大器 调零电路 V I转换 P

25、US U01 UZ IO 检测部分 电磁放大部分 ZJU 2010年 12月 1日 51 整机电路图 + RETURN 供参考 ZJU 2010年 12月 1日 52 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 Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 ZJU 2010年 12月 1日 53 测量部分 惠斯顿电桥 Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 U S Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 IS 不受压时： Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 R ZJU 2010年 12月 1日 54 测量部分 电压转换 US Ri1 Ri2 R

26、i3 Ri4 IS 受压时： Ri1 Ri4 r1 Ri2 Ri3 r2 24() 2 i i S S R R IU 21() 2 Sr r I 受压时，流经 2桥臂的电流始终相等 P 1KP ZJU 2010年 12月 1日 55 结论： 体积小，结构简单，精度一般比应变片式仪表高 灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。 良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。 也 存在温度效应， 容易受环境温度的影响，但比应变片式仪表好 ZJU 2010年 12月 1日 56 类型 原理 测量范围 准确度 （等 级） 适用场合 备注 应变式 压力传 感器 弹性元件

27、 + 应变片 要求一般 的动态压 力检测 膜片、膜盒、弹簧管、其它。 温漂、时漂 压阻式 压力传 感器 弹性元件 + 压阻元件 灵敏系 数 50 100倍 微压；脉 动压力 半导体压阻元件带有扩散电 阻的硅膜片（弹性元件和压 敏元件）。体积小 固态压 力传感 器（集 成压力 传感器） 压阻式单晶 硅膜片 带温度 补偿 将温度补偿电路、放大电路、 电源变换电路等集成在同一 块单晶硅膜片上 压电式 压力传 感器 弹性元件 + 压电元件 不能用于 稳态测量 简单紧凑小巧可靠线性好频 率响应高量程范围宽。准确 度？电荷运算放大器。晶体 边界漏电。 物性型压力传感器小结 ZJU 2010年 12月 1日

28、 57 3.3.6 压力检测仪表的使用 两个注意事项 压力仪表的选用 取压点及引压管路的设计 取压口 引压管路 常用附件 特殊介质的取压方式 量程 准确度等级 类型 生产工艺对压力检测的要求 被测介质的特性 现场使用环境 ZJU 2010年 12月 1日 58 压力仪表的选用 仪表量程的选择 被测压力较稳定： P工作 maxP量程 max 3/4 被测压力波动大： P工作 maxP量程 max 2/3 P工作 min P量程 max 1/3 若 P工作 max和 P工作 min难同时满足，先 P工作 max条件 仪表准确度等级的选择 仪表的基本误差实际被测压力允许的最大绝对误差 MAX 节约原

29、则，满足要求即可 所选仪表的相对百分误差： MAX MAX /1 100% 仪表类型的选择 量程系列 (p178)： 1kPa， 1.6kPa， 2.5kPa， 4.0kPa， 6.0kPa，以及它们 10n倍数 准确度等级 (p11)： ,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5, 3/4 2/3 1/3 ZJU 2010年 12月 1日 59 仪表类型的选择 被测介质的性质 对仪表输出信号的要求 使用的环境 静压大小 腐蚀性较强的介质 不锈钢之类的弹性元件或敏感元件 氧气、乙炔 专用压力仪表 氨 不能用铜质仪表 观察压力变化 直接指示型 远传到控制室或其他电动仪表 电远

30、传或具有电信号输出型 快速变化的压力 电气式， 如压阻式 爆炸性强 防爆型 T特高或低 温度系数小的 差压 高、低压侧实 际工作压力 （静压） 压力仪表额定静压 =（ 1.52.0） P实际静 ZJU 2010年 12月 1日 60 仪表精度 只要能满足生产要求 ， 不必追求过高的精度 例：有一压力容器在正常工作时压力范围为 0.4 0.6MPa， 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 。 解： 被测压力比较稳定 ， 设仪表量程为 0 A MPa， 则 30 . 6 0 . 84A M P a 10 . 4 1 . 23A M

31、P a 根据仪表的量程系列 ， 可选 0 1.0MPa的弹簧管压力表 。 由题意 ， 被测压力的允许最大绝对误差为： max= 0.4*4%= 0.016 MPa 0.016/（ 1-0） *100%=1.6% 按照仪表的精度等级 ， 可选择 1 5级的压力表 。 3/4 2/3 1/3 设满量程 =A Pmin1/3*A PmaxT=967D (P452) ZJU 2010年 12月 1日 86 用分度号为 K的镍铬 -镍硅热电偶测量温度，在没有 采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为 500 ，而这时冷端温度为 60 。试问：实际温度 应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保 持在 20 ，此时显示仪表的指示值应为多少？ ZJU 2010年 12月 1日 87 ZJU 2010年 12月 1日 88 热电阻三线制接法可减少引线电阻的影响 ZJU 2010年 12月 1日 89