信息与通信压力检测仪表.pptx

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,2010,年,12,月,1,日,#,ZJU,2010,年,12,月,1,日,1,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,2010,年,12,月,1,日,2,3.3.1,概述,（,1,）压力的定义,2,）压力的表示方法,（,3,）压力检测的主要方法及压力检测仪表的分类,2010,年,12,月,1,日,3,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,化学反应,安全生产,2010,年,12,月,1,日,4,2010,年,12,月,1,日,5,一些工程问题,压力单位,帕斯卡,-1N/m,3,巴,1*10,5,Pa 1kgf/cm,2,公斤压力,-1kgf/cm,2,0.1MPa=100kPa,标准大气压,-1.0132510,5,Pa,工程大气压,0.9810,5,Pa 1kgf/cm,2,压力检测仪表选用？,类型？量程、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？,2010,年,12,月,1,日,6,（,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/m,3,（,法定,）,工程大气压,1,工程大气压,=1kgf/cm,2,=“,1,公斤压力,”,0.1MPa=100kPa,物理大气压,1atm=1.01325,10,5,Pa=1.03310,4,mmH,2,O,巴,1bar=,10,5,Pa=,1kgf/cm,2,毫米汞柱,毫米水柱,均匀而垂直作用于单位面积上的力,1N,1m,2,atmosphere,压力单位换算表详见课本,P466,附录,4,2010,年,12,月,1,日,7,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/m,2,基本导出单位,2,应力压强压力,兆帕,MPa,1MPa=10,6,Pa,=N/mm,2,3,应力压强压力,吉帕,GPa,1GPa=1000 MPa=10,9,Pa,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/cm,2,1dyn/cm,2,=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=10,6,dyn/cm,2,8,应力压强压力,千克力每平方厘米,lat,kgf/cm,2,1kgf/cm,2,=98066.5Pa,9,应力压强压力,千克力每平方米,kgf/m,2,1kgf/m,2,=9.80665Pa,10,应力压强压力,吨力每平方米,tf/m,2,1tf/m,2,=9806.65Pa,2010,年,12,月,1,日,8,1,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）,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,),1,kPa,、,1.6,kPa,、,2.5,kPa,、,4.0,kPa,、,6.0kPa,以及它们的,10,n,倍数（,n,为整数）。,2010,年,12,月,1,日,9,压力表示方法,绝对压力,p,a,表压力,p=p,a,-p,0,真空度或负压,p,h,=p,0,-p,a,差压,p=p,2,-p,1,大气压,p,0,p=0,p,0,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,p,h,2010,年,12,月,1,日,10,（,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）,2010,年,12,月,1,日,11,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,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,2010,年,12,月,1,日,12,3.3.2,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,2010,年,12,月,1,日,13,p,1,p,2,p,1,p,2,h,(a),(b),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/m,3,(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（毛细现象）,液体压力计,p,2,=p,1,+gh,2010,年,12,月,1,日,14,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,2010,年,12,月,1,日,15,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；,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,2010,年,12,月,1,日,16,3.3.3,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,。,2010,年,12,月,1,日,17,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,2010,年,12,月,1,日,18,弹性式压力检测,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，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（,1.0,10,6,Pa,），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,2010,年,12,月,1,日,19,2010,年,12,月,1,日,20,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,.,中心角改变量和压力有关：,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。,2010,年,12,月,1,日,21,1,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度多为,1.5,或,2.5,级，最高可达,0.15,级,2010,年,12,月,1,日,22,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,补偿,2010,年,12,月,1,日,23,3.3.4,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,2010,年,12,月,1,日,24,力平衡式压力,变送器,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒,(,膜片,),杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,构成,框图,P,测量部分,F,i,杠杆系统,M,放大器,反馈部分,F,f,I,o,气动,140kPa,气源，,20100kPa,空气压力信号,电动,DDZ-II(I:220VAC O:010mA)DDZ-III(I:24VDC O:420mA),2010,年,12,月,1,日,25,DDZ-III,型差压变送器,检测,部分,:,P,输入力,F,i,杠杆系统,:,力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器,:,位移,输出,I,o,电磁反馈装置,:,输出反馈力,F,f,P,膜盒,F,i,杠杆系统,M,位移检测,放大器,电磁反馈机构,F,f,I,o,2010,年,12,月,1,日,26,(1),测量部分,差压,P,输入力,F,i,(,A,1,=A,2,=A,d,),=A,d,(P,1,-P,2,),=A,d,P,F,i,=A,1,P,1,-A,2,P,2,p,1,p,2,负压室,正压室,轴封膜片,主杠杆,2010,年,12,月,1,日,27,(2),杠杆系统,进行力的传递和力矩比较,主杠杆,将,F,i,转换为,F,1,矢量机构,将,F,1,转换为,F,2,副杠杆,将,F,2,产生的力矩与,F,f,产生的力矩进行比较，,生成位移变化,z,z,2010,年,12,月,1,日,28,主杠杆,将,F,i,转换为,F,1,F,1,作用于矢量机构上,H,F,1,F,i,l,2,l,1,2010,年,12,月,1,日,29,矢量机构,将输入力,F,1,转换为作用于副杠杆上的力,F,2,(a),(b),2010,年,12,月,1,日,30,副杠杆,进行力矩的比较,F,2,产生的力矩,F,f,产生的力矩,合力矩,调零力,F,z,产生的力矩,最终的合力矩,z,z,2010,年,12,月,1,日,31,(3),电磁反馈装置,作用：,把变送器的输出电流,I,0,转换成作用于副杠杆的电磁反馈力,F,f,F,f,=K,f,I,0,K,f,可实现3：1的量程调整,2010,年,12,月,1,日,324),整机特性,回放,2010,年,12,月,1,日,33,I,o mA,P,min,P,max,4,20,P,2010,年,12,月,1,日,34,1.,I,0,和,P,间呈线性关系,2.,调整调零弹簧,Fz,可以使,I,0,在,P,0,时为,4,mA,3.,改变,tg,或,K,f,可以调整变送器的量程,4.,零点和量程要反复调整,I,o mA,P,min,P,max,4,20,P,2010,年,12,月,1,日,35,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,I,i,I,f,I,z,I,o,测量部分,转换放大部分,2010,年,12,月,1,日,36,P=0,C,i1,=C,i2,=15pF,P,0,C,i1,的电容量减小,C,i2,的电容量增大,差动,电容测量原理,2010,年,12,月,1,日,37,P=0,S,1,=S,2,=S,0,P0,S,1,=S,0,S,2,=S,0,P+,P,2010,年,12,月,1,日,38,相对变化值 与被测差压,P,成线性关系，,且与灌充液的介电常数无关,2010,年,12,月,1,日,39,供参考,2010,年,12,月,1,日,40,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,R,L,I,o,E,I,f,I,d,I,z,(),）,V,c,V,r,差动电容,框图,供参考,2010,年,12,月,1,日,41,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,。,2010,年,12,月,1,日,42,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。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,2010,年,12,月,1,日,43,3.3.5,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,2010,年,12,月,1,日,44,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成的电阻体的阻值可表示为：,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,。,2010,年,12,月,1,日,45,物性型压力检测,应变片,压力,/,差压变送器,r,1,r,2,1,2,3,P,1,外壳,2,弹性筒,3,膜片,应变片,r,1,和,r,2,用贴在应变筒的外壁,r,1,沿应变筒轴向贴放，作为测量片,r,2,沿径向贴放，作为温度补偿片。,r,1,、,r,2,的静态性能完全相同。,当膜片受压时，,r,1,产生轴向应变，阻值变小,r,2,受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大,（,r,2,的变化量比,r,1,的变化量要小，,r,2,的主要作用是温度补偿）,2010,年,12,月,1,日,46,R,3,和,R,4,是两个阻值相等的精密固定电阻。,U,i,E,r,1,r,2,R,3,R,4,A,B,测量电桥,不受压时,r,1,=r,2,=r,0,R,3,=R,4,=r,若应变片受压，则：,r,1,=r,0,+r,1,；,r,2,=r,0,+r,2,(r,1,r,2,),2010,年,12,月,1,日,47,U,i,E,r,1,r,2,R,3,R,4,A,B,(b),测量电桥,受压时，,r,1,和,r,2,一减一增，使电桥有较大的输出,环境温度变化时，,r,1,、,r,2,同时增减，不影响电桥平衡,如果仪表能把,U,i,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,。,2010,年,12,月,1,日,48,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,p,2,p,1,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,2010,年,12,月,1,日,49,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,U,S,U,01,U,Z,I,O,检测部分,电磁放大部分,2010,年,12,月,1,日,50,整机电路图,+,RETURN,供参考,2010,年,12,月,1,日,51,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,U,S,1.,负压室,2.,正压室,3.,硅杯,4.,引线,5.,硅片,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,2010,年,12,月,1,日,52,测量部分,惠斯顿电桥,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,U,S,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,I,S,不受压时：,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,R,2010,年,12,月,1,日,53,测量部分,电压转换,U,S,R,i1,R,i2,R,i3,R,i4,I,S,受压时：,R,i1,R,i4,r,1,R,i2,R,i3,r,2,受压时，流经,2,桥臂的电流始终相等,2010,年,12,月,1,日,54,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,2010,年,12,月,1,日,55,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,+,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,2010,年,12,月,1,日,56,3.3.6,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,2010,年,12,月,1,日,57,压力仪表的选用,仪表量程的选择,被测压力较稳定：,P,工作,max,P,量程,max,3/4,被测压力波动大：,P,工作,max,P,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,节约原则，满足要求即可,所选仪表的相对百分误差：,MAX,MAX,/1100%,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,10,n,倍数,准确度等级,(p11),：,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,3/4,2/3,1/3,2010,年,12,月,1,日,58,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,2010,年,12,月,1,日,59,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,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,P,min,1/3*A,P,max,T=967D (P452),2010,年,12,月,1,日,85,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？,2010,年,12,月,1,日,86,2010,年,12,月,1,日,87,热电阻三线制接法可减少引线电阻的影响,2010,年,12,月,1,日,88,