第三章第二节压力检测及仪表.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 压力检测及仪表,一、,压力单位及测压仪表,1.,压力,:,指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,2.,几种压力表示法,在压力测量中,常有表压,.,绝对压力,.,负压或真空度。,绝对零压线,绝对压力,P,绝,大气压,P,0,表压,P,表,真空度,P,真,绝对,压力,P,绝,单位,(SI):,帕斯卡,简称帕,(Pa),。,1Pa=1N/m,2,1MPa=1X10,6,Pa,真空度,(,负压,):,当被测压力低,于大气压力时,大气压力和,绝对压力之差,即,P,真空度,=P,大气压力,-P,绝对压力,表压,:,是绝对压力和大气压力之差,即,P,表压,=P,绝对压力,-P,大气压力,液柱式压力计,:,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。结构简单,使用方便,但精度低,测量,范围窄。,弹性式压力计,:,将被测压力转换成弹性元件变形的位移,进行测量的。弹簧管压力计。,电气式压力计,:,通过机械和电气元件将被测压力转换成,电量来测量的仪表。压力变送器。,活塞式压力计,:,根据水压机液体传送压力原理,将被测压力,转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,3.,压力计的分类（按信号转换原理不同）,1.,定义,:,在被测压力的作用下,利用各种形式的弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,2.,特点,:,结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、,价格低廉、测量范围宽、有足够的精度、应用广泛。,3.,测量范围,:,几百帕到数千兆帕。,二、弹性式压力计,是截面呈,椭圆形,或,扁圆形,的中空,金属管,当通入压力,p,后,它的自由,端就会产生位移。,4.,弹性元件,（根据测压范围的不同）,(1).,弹簧管式弹性元件,(,单圈和多圈的,),适合测高、中、低压。,(2).,薄膜式弹性元件,4.,弹性元件,（根据测压范围的不同）,适合测中、低压。,由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产,生变形。,膜片,膜,盒,硅油,(3).,波纹管式弹性元件,:,外部存在波纹的弹性金属片构成,金属筒体。易于变形,且位移很大。,4.,弹性元件,（根据测压范围的不同）,适合测微压和低压,(,不超过,1MPa),。,5.,弹簧管压力表,(1).,结构,1,弹簧管,;,2,拉杆,;,3,扇形齿轮,;,5-,指针,;,4,中心齿轮,;,6,面板,;,7,游丝,;,8,调节螺钉,;,9,接头。,应用广范,品种繁多。可分单圈和多圈,;,按用途分普通压力,表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表。它们外,形和结构相同,只是所用材料不同。,5.,弹簧管压力表,(2).,工作原理,(,单圈弹簧管,),弹簧管,1,是测量元件,是一根弯成,270,的椭圆截面的空心,金属管。管子的自由端,B,封闭,另一端固定在接头,9,上。,工作原理,:,当通入压力,p,后,椭圆,形,截面在,p,作用下将趋于,圆形,使自由端,B,产生位移,且与,p,的,大小成正比,(,具有线性刻度,),。,所以只要测得,B,点的位移量,就,能反映压力,p,的大小。,p,5.,弹簧管压力表,(2).,工作原理,放大过程,:,自由端,B,的位移通过拉杆,2,使扇形齿轮,3,作逆时,针偏转,指针,5,通过同轴的中心齿轮,4,的带动作顺时针偏转,在面板,6,的刻度标尺上显示出被测压,力,p,的数值。由于,B,的位移与,p,的大,小成正比,则刻度标尺是线性的。,p,游丝,7,用来克服因扇形齿轮与,中心齿轮间的传动间隙而产生,的仪表变差。,改变调节螺钉,8,的位置,可调整,仪表的量程。,(1).,定义,:,把压力转换为电信号进行传输及显示的仪表。,(2).,组成,:,压力传感器、测量电路和信号处理装置。,(3).,测量范围,:,710,-5,Pa-510,2,MPa,测量范围广。,(4).,压力传感器作用,:,检测压力信号,并转换成电信号输出。输出信号为,标准信号,时,为,压力变送器。,标准信号,:,是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如,4-20mADC(0-10mA),0.02-0.1MPa,。,(5).,压力传感器分类,:,霍尔片式、应变片式,、压阻式压力传感器和电容式压力变送器。,三、电气式压力计,Y,1.,霍尔片式压力传感器,依据,:,根据霍尔效应,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。,霍尔电势,:,U,H,=R,H,BI,R,H,-,霍尔常数,与霍尔片材料、,几何形状有关。,霍尔片由半导体材料制成的薄片。,恒定磁场,B,外电场,(,直流稳压电源,),霍尔效应,:,电子逆,Y,轴运动时,由于受电磁力的作用,使电子,运动发生偏移,则一个端面有电子,另一个端面上正电荷过,剩,在,X,轴上出现电位差,称为霍尔电势。,这物理现象称为霍尔效应。,应用,:,所测压力不高、,压力波动小、信号需要远,传的场合。,霍尔电势与位移关系,:,U,H,=,R,H,BI,I,为定值,B,为非均匀,霍尔片位置不同,B,就不同,位移与霍尔电势成正比例。,实现位移电势的线性转换。,结构,:,霍尔元件,.,磁钢与弹簧管。,工作原理,:,压力弹性位移,霍尔片移动霍尔电势。,引入压力,产生位移,1.,霍尔片式压力传感器,材料的电阻变化取决于,“应变效应”,和,“压阻效应”,。,应变片是基于,应变效应,工作的一种压力敏感元件。,金属导体或半导体,的电阻值为：,为应变材料的泊松比,;,=,dl,/,l,为应变。,(1).,理论基础,2.,应变片式压力传感器,由,几何尺寸变化引起的。,电阻丝在外,力作用时,发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象,叫,应变效应。,由,电阻率,变化引起的。受,压,力后,其晶格间距发生,变化,电阻率,随,压,力变化的现象,叫,压阻效应。,(1),理论基础,导体阻值的变化,只取决于,电阻率和,材料,几何尺寸的变化。,金属,材料,以,应变效应,为主,称为金属,电阻,应变片,制成,应变式压力传感器,。,半导体,材料,以,压阻效应,为主,称为半导体应变片,制成,压阻式压力传感器,。,2.,应变片式压力传感器,电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比,即：,K,为,电阻,应变灵敏系数。,(1),理论基础,2.,应变片式压力传感器,压力,p,应变片产生应变,电阻发生变化,毫伏电势,(2).,应变片式压力传感器,工作原理,:,利用电阻应变原理构成。,变小,变,大,5,4,6,p,测量片,r,1,沿应变筒轴向贴放,;,温度补偿片,r,2,沿径向贴放。,特点,:,速度快,.,动态性能好,.,非线性误差小,.,滞后小,.,适合测高,(25MPa),且脉动较大的压力。,应变电阻片,将一根电阻丝弯曲且并行地排列成栅形,贴附在基板上成为电阻栅,;,金属丝两端有引出线,;,线栅上盖绝缘的保护片。,电阻丝一般为高阻金属细丝如康铜丝。直径,=0.020.04mm,长,L=25150mm,宽,D=330mm,电阻值,R,0,为,60,120,200,300,500,1000,。,(a),丝式应变片,(b),箔式应变片,图,6,2,应变电阻片的结构,应变计,金属应变片,应变片测量电路,V,E,R,1,R,2,R,3,R,4,金属应变片：,V,与应变成线形关系,可以用电桥测量电压测量应变。,案例：,桥梁固有频率测量,结构,:,1.,基座,;2.,单晶硅片,;3.,导环,;4.,螺母,;5.,密封垫圈,;,6.,等效电阻。,2,为弹性元件,用集成电路工艺,在单晶硅的,特定方向上扩散一组等值电阻,并接成桥路。,3.,压阻式压力传感器,特点,:,精度高,.,工作可靠,.,频率响,应高,.,迟滞小,.,尺寸小,.,重量轻,.,结构简单。适于恶劣环境下,使用,便于实现显示数字化。,可测差压,.,速度,.,高度,.,加速度,等参数。,当,p,变化时,单晶硅产生应变,使,应变电阻产生与被测压力,成比例的变化,由桥路获得相应的电压输出信号。,工作原理,:,利用单晶硅的压阻效应而构成。,结构,:,1.,隔离膜片,;2,7,固定电极,;,3.,硅油,;,4.,测量膜片,5.,玻璃层,;,6.,底座,;,8.,引线。,P,1,P,2,4.,电容式压力变送器,工作原理,:,将,压力变化转换为电容量的,变化,进行测量的。,P,由硅油,测量膜片,弯曲变形,电容变化,测量电路检测和放,大,转换成,420mA,的直流标准电,信号进行输出。,仪表特点,:,结构简单,.,过载能力强,.,精度高可达,0.2,级。,P=P,1,-P,2,四、智能型的压力变送器,结构,:,普通的压力或差压传感器上增加,微处理器电路。,特点,:,具有远程通讯的功能,依靠手操通信器,可在现场或控制室设定各种参数,使用维护方便,精度高,实现自修正,.,自补偿,.,自诊断及错误方式报警功能,便于实现人机对话。,长期稳定工作,每,5,年才需校检一次。,以,3051C,为例,组成,:,传感膜头,:,被测压力,-A/D,转换,-,数字信号,电子线路板,:,对信号进行修正,线性化处理,-D/A,转换,-4,20mA,信号,3051C,型智能差压变送器原理图,A/D,转换器,温度,传感器,电容,传感器,传感膜头内存,修正系数,膜头信号,微处理器,传感器线性化,重设量程,诊断,工程单位,通信,电子板内存,量程值,变送器组态信息,D/A,转换,数字通信,本机量程和,零点调整,手操器,传感膜头,电子线路板,4,20mA,压力,压力,手持通信器功能,:,组态,设定工作参数和输入信息性数据；,测量范围变更；变送器的校准；,自诊断。,1.,压力表的选用,:,根据工艺生产过程的要求,结合各方面的情况,加以全面考虑和具体的分析。,(1).,仪表类型的选用,:,必须满足工艺生产。考虑被测介质、现场条件和工艺要求。,(2).,确定仪表测量范围及量程：,测稳定压力,时,P,max,P,上限,2/3;,测脉动压力,时,P,max,P,上限,/2;,测高压,时,P,max,P,上限,3/5;,最小值,P,min,N/3,。,(3).,选取仪表的精度,在满足生产要求的情况下尽可能选用精度较低、价廉耐,用的压力表。,K%|,允,现,|,五、压力计的选用及安装,解：由于是往复式压缩机,则仪表的上限值为：,P,max,P,上限,/2,P,上限,2,P,max,228,56MPa,根据就地观察及能高低报警,查表选电接点压力表,测量范围为,0,60MPa,。,例,:,某台往复式压缩机的出口压力范围为,25,28MPa,测量误差不得大于,1MPa,。工艺上要求就地观察,并能高低报警,试正确选用一台压力表,指出型号、精度与测量范围。,下限值,:,因,P,min,N/3,=60/3=20,则,P,min,=2520MPa,满足要求。,精度等级,:,选,1.5,级,0,60MPa,YX-150A,型电接点压力表。,压力计的安装正确与否,直接影响到测量的准确性和压力,计的使用寿命,应注意,测压点的选择、导压管的铺设,及,压,力表的安装,。,(1).,测压点的选择：能反映被测压力的真实大小。,(a).,要选在被测介质,直线流动的管道部分,不要选在管路,拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。,(b).,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齐平,.,不应,有凸出物或毛刺。,(c).,测量液体压力时,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,取压点应在管道上方,使管道内不积存,液体。,2.,压力计的安装,(2).,导压管的铺设,(a).,导压管的粗细要合适,一般内径为,610mm,长度尽可能,短,一般为,350m,超过,50m,选用电远传压力表。,(b).,导压管水平安装时,应保证有倾斜度,(1:101:20),以利,于积存于其中的液体或气体排出。,(c).,当被测介质易冷凝或冻结时,必须加保温装置。,(d).,取压口到压力表之间应有切断阀,以备检修压力计。,应装设在靠近取压口的地方。,(3).,压力表的安装,(a).,安装在易观察和检修的地方。,(b).,避免振动和高温。,(c).,被测压力较小,而压力计与取压口又不在同一高度时,对由高度引起的测量误差应按,p=,H,g,进行修正。,2.,压力计的安装,(d).,压力表的连接处,应选适当的材料,作为密封垫片,以防,泄漏。,(e).,为了安全,测高压的压力表的外壳应有通气孔,安装时,外壳应向墙壁或无人处。,(f).,针对被测介质的不同性质,要采取相应的防热、防腐、,防冻、防堵等措施。,如测蒸汽压力时,应加装,凝液管,以防止高温蒸汽直接与,测压元件接触。,如测有腐蚀性介质压力时,应加装有中性介质的,隔离罐,其中,2,为被测介质的密度,1,为隔离液的密度。,(3).,压力表的安装,压力计安装的特殊问题,凝液管,隔离罐,有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为,13.5,16 MPa,，工艺要求最大测量误差为,0.8 MPa,，并可就地观察及高低限报警。试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等级）。,例题,解,空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力,根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用,YX-150,型电接点压力表，测量范围为,0,40MPa,。,检验量程下限,被测压力的最小值不低于满量程的,1/3,，符合要求。,仪表量程选择,最大引用误差,所以选择测量范围为,0,40 Mpa,，精度等级为,1.5,级的,YX-150,型电接点压力表。,(4).,力矩平衡式压力变送器,工作原理,:,是一种典型的自平衡检测仪表,利用力矩平衡和负反馈的工作原理。,结构,:,测量部分、杠杆系统、位移检测放大器、波纹管反馈机构（气动压力变送器）或电磁反馈机构（电动压力变送器）。,特点,:,测量精度高、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等。,DDZ-,型电动力矩平衡压力变送器,直流电源,24V,输出,4-20mA,(DC),两线制,安全防暴。,1.,测量膜片,;,2.,轴封膜片,;,3.,主杠杆,;,4.,矢量机构,;,5.,量程调整螺钉,;,6.,连杆,;,7.,副杠杆,;,8.,检测片,;,9.,差动变压器,;,10.,反馈线圈,11.,放大器,;,12.,调零弹簧,;,13.,永久磁钢,;,被测压力,p,作用在测量膜片,1,上,则,F,i,=,f p,式中,f,为膜片的有效面积,当主杠杆,3,平衡时,则,F,i,l,1,=,F,1,l,2,F,1,=,F,i,l,1,/,l,2,式中,l,1,.,l,2,分别为,F,i,.,F,1,离支点,O,1,的距离。,则,F,1,=,f,p,l,1,/,l,2,=K,1,p,K,1,=,f,l,1,/,l,2,为比例系数。,矢量机构将,F,1,分解为,F,2,与,F,3,则,F,2,=,F,1,tg,=,K,1,p,tg,电磁反馈力矩,F,f,应与,F,2,对副杠杆的驱动力矩相平衡,则,F,2,l,3,=,F,f,l,4,F,2,=,F,f,l,4,/,l,3,l,3,.,l,4,分别为,F,2,.,F,f,离支点,O,2,距离。,F,f,的大小与通过,10,的电流成正比,F,f,=K,2,I,0,K,2,为,比例系数。,F,2,=,F,f,l,4,/,l,3,=K,2,I,0,l,4,/,l,3,=K,3,I,0,K,3,=K,2,l,4,/,l,3,I,0,=K,1,p,tg,/,K,3,=K,p,tg,，,K=K,1,/,K,3,为转换,比例系数。,当变送器的结构和电磁特性确定后,K,为常数。,tg,确定后,I,0,与,p,成对应关系。,2.,要测往复泵出口的压力，其压力变化范围为,1.02.0MPa,工艺要求其测量误差不超过,0.05MPa,就地指示。请选择压力计的类型、测压范围、精度等级。,解：,测脉动压力,时,P,max,P,上限,/2,即,P,上限,2,P,max,22,4MPa,