第二章压力检测PPT讲稿.ppt

第二章压力检测第1页，共85页，编辑于2022年，星期二1 1 概述概述一、压力的概念及单位一、压力的概念及单位 （2-1）式中：P压力（压强）PaF均匀垂直作用力(N)S受力的面积（）第2页，共85页，编辑于2022年，星期二 常用压力单位之间换算关系：1MPa=1103=1106 Pa1mmH2O=9.807 Pa1mmHg=133.32 Pa1标准大气压1.01105 Pa 我国目前生产的各种压力仪表都用统一的KPa或MPa为基本单位。第3页，共85页，编辑于2022年，星期二二、压力的表示方法（1）绝对(absolute)压力 P绝:表示物体所承受的实际压力比绝对压力零压高出的压力。（2）表压(gauge)P表:比大气压高出部分的压力，为绝对压力与大气压之差。（3）真空度(vacuum)P真（负压）：表示实际压力比大气压低 出部分的压力，数值上为P大与P绝之差。P表=P绝-P大 P真=P大-P绝第4页，共85页，编辑于2022年，星期二 图2-1 表压、绝压和负压关系第5页，共85页，编辑于2022年，星期二压力测量仪表按其作用、转换原理和结构分成：1 1、柱式压力仪表柱式压力仪表(Manometers)(Manometers)把被测量压力表式成液柱高度测压力。如U型管压力计、单管压力计。在工业生产过 程中较可用。特点：读数直观、数据可靠、准确度高，不仅能测表压、差压、还能测负压。但只能测较低的压力或差压。只能进行现场指示。三、压力测量仪表的分类三、压力测量仪表的分类第6页，共85页，编辑于2022年，星期二 把被测压力转换成弹性元件受压变形所产生的位移大小来测量。(pressuretodisplacement)如单圈弹簧管压力计、多圈弹簧管压力计、波纹管压力计和簧片式压立计等。在工业过程中较常用。2 2、弹性式、弹性式(elastic)压力仪表压力仪表第7页，共85页，编辑于2022年，星期二第8页，共85页，编辑于2022年，星期二弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管第9页，共85页，编辑于2022年，星期二3 3、电气式压力仪表、电气式压力仪表(Pressuretoelectricsignal)根据各种非电量电测量技术，把被测压力转换成各种电量变化来测量的。如：应变片式，电阻式，电容式(capacitance)，电感式(inductance)，霍尔片式，振频式等，广泛用于现代工业压力测量与自控系统中。第10页，共85页，编辑于2022年，星期二把被校仪表（压力）转换成活塞上所加平衡砝码的重量大小来测量。常见的有单活塞和双活塞标准压力表。是高精度标准压力计，常用于检验其他类型压力计。4 4、活塞式压力标准仪表、活塞式压力标准仪表(dead-weightgauge)第11页，共85页，编辑于2022年，星期二2 2 弹性式压力检测弹性式压力检测(1)弹性式压力表特点 方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压。精度等级最高达到0.15。第12页，共85页，编辑于2022年，星期二(2)缺点：弹性元件有滞后，不宜测量变化频繁的脉动压力，如果元件对温度变化敏感，需加温度校正。弹性式压力表再增加记录结构、附加装置、电气变换装置、控制元件后，能实现压力的指示、记录、信号报警，自动控制等功能。第13页，共85页，编辑于2022年，星期二一、弹性元件一、弹性元件弹性元件作为测压的敏感元件，当所测压力范围不同时，所选的弹性元件也不同，常用的测压元件如图22所示。工艺介质不同，弹性元件的材料也不同。普通介质：铜合金 腐蚀性，氨介质：不锈钢，非金属材料。图2-2 弹性元件示意图第14页，共85页，编辑于2022年，星期二波纹管波纹管双波纹管压力表波纹管示意图第15页，共85页，编辑于2022年，星期二膜片金属膜片膜盒压力表膜片压力表第16页，共85页，编辑于2022年，星期二二、弹簧管压力计二、弹簧管压力计1 1、单圈弹簧管压力计、单圈弹簧管压力计 单圈弹簧管结构如图2-3。图2-3 单圈弹簧管结构第17页，共85页，编辑于2022年，星期二结构原理图第18页，共85页，编辑于2022年，星期二k 弹簧管几何参数，与比值 有关的参数上式仅适用于计算薄壁（即 ）弹簧管。式中：，E弹簧管材料的泊松系数和弹性模数 h弹簧关壁厚 被测压力作用于弹簧管，弹簧管产生形变，使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变）与所加压力的关系为：（2-2）第19页，共85页，编辑于2022年，星期二讨论要求P与形变成正比关系，必须使式中其余参数为定值。b=a，r=0.即有均匀壁厚的圆形弹簧管不能作测压元件。影响参数的因素包括两个方面：弹性材料物性参数，弹性材料的形状（几何尺寸）。为了扩大弹簧管受压时的位移，可采用多圈弹簧管。第20页，共85页，编辑于2022年，星期二三、弹簧管压力表的结构三、弹簧管压力表的结构 图2-4 弹簧管压力表第21页，共85页，编辑于2022年，星期二四、电接点压力表四、电接点压力表 在压力超出上下限范围时，发出报警信号。电接点是一种既可以正常指示压力，又可在压力超过上下限规定时发出各种报警信号的压力表。第22页，共85页，编辑于2022年，星期二在单圈弹簧式压力表上增加了一套电接点装置，指针设计成一个动触点。在刻度上设两个可调节的上下限静触点1和2。动静触点构成上下限开关电路。越限时发出声光报警，越限信号也可送至SCADA系统，触点控制部分的供电电压小于380VAC或220VDC。触点通过的最大电流为1A，以免烧坏触点，减小电弧。第23页，共85页，编辑于2022年，星期二图2-5 电接点压力表应用第24页，共85页，编辑于2022年，星期二3 3 电气式压力检测电气式压力检测(Electricpressuremeasurement)特点：反应迅速，测量范围广，精度高，易实现远距离传送。其中压力传感器有两类：图2-6 电气式压力检测原理图第25页，共85页，编辑于2022年，星期二 弹性式压力计的弹性元件附加一些变换装置，须弹性元件自由端的位移量转移为相应的电信号，从而构成各种弹性元件的电阻式，电感式和霍尔片式电气压力计。非弹簧管组成的快速测压元件，如应变片式，压阻式，压电式，电容式等。第26页，共85页，编辑于2022年，星期二图27 电容式差压/压力变送器第27页，共85页，编辑于2022年，星期二干式陶瓷压力变送器（采用压阻效应）微差压压力变送器 图2-8 各种类型压力/差压测量第28页，共85页，编辑于2022年，星期二一、霍尔式压力传感器一、霍尔式压力传感器在单簧管的自由端要装半导体霍尔元件而组成，根据半导体材料的霍尔效应来测量压力的。压力 位移 霍尔电势 当被测压力引入后，弹簧管的自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，将机械位移转换成霍尔电势，以便将压力信号进行远传和显示。第29页，共85页，编辑于2022年，星期二1 1、霍尔效应、霍尔效应(Hall-effect)如图2-9所示，当控制电流I垂直于外磁场(磁感应强度为B)方向通过半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称霍尔效应。其形成的电动势称霍尔电动势（UH）。霍尔电动势的产生是由于运动载流子在磁场中受到洛仑兹力而在薄片两侧分列形成电子、正电荷的积累所致。当电子积累所形成的电场对载流子的作用力FE与洛仑兹力FL相等时，电子积累达到平衡，霍尔电动势为：第30页，共85页，编辑于2022年，星期二图2-9 霍尔效应原理图第31页，共85页，编辑于2022年，星期二式中KH：霍尔系数d:霍尔片厚度b:霍尔片的电流通入端宽度L：霍尔片的电势导出端长度f()：霍尔片的形状系数(2-3)第32页，共85页，编辑于2022年，星期二 RH：霍尔常数，单位为毫伏/毫安-千高斯,一般I=320mA，B约为几千高斯，UH约为几十毫伏。由于半导体材料的霍尔系数远大于金属的霍尔系数，因此霍尔片主要由Si、Ge、InAs等半导体材料制成。利用霍尔效应可进行位移、转速、压力、磁场、电流等参数的检测。第33页，共85页，编辑于2022年，星期二2.2.霍尔效应在压力传感器中的应用霍尔效应在压力传感器中的应用如图210所示。弹簧管自由端位移使霍尔片处于线性非均匀磁场中不同位置时，由于B不同，可得到与弹簧自由端位移成比例的霍尔电势，实现了位移电势的线性转换。霍尔片（半导体材料）对温度变化比较敏感，需要采取恒温或温度补偿措施，以削弱温度变化对传感器的输出特性的影响。第34页，共85页，编辑于2022年，星期二图2-10 基于霍尔效应的压力测量第35页，共85页，编辑于2022年，星期二图2-11 磁感应强度分布曲线(2-4)第36页，共85页，编辑于2022年，星期二K:位移传感器输出灵敏度则对上式积分对压力传感器则：问：位移（压力）的方向如何反映？(2-5)(2-6)(2-7)第37页，共85页，编辑于2022年，星期二霍尔电动势的极性反映了位移（压力）的方向。磁场梯度越均匀，输出线性度越好磁场梯度越大，灵敏度越高第38页，共85页，编辑于2022年，星期二二、应变式压力传感器二、应变式压力传感器(electric-resistance strain gauge)压力 电阻 1 1、应变片原理、应变片原理 应变片由金属或半导体材料制成的电阻体。图2-12 电阻应变片第39页，共85页，编辑于2022年，星期二(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)第40页，共85页，编辑于2022年，星期二(2-12)第41页，共85页，编辑于2022年，星期二半导体材料受压力引起电阻变化称压阻效应。由半导体材料压阻效应可知 (2-13)第42页，共85页，编辑于2022年，星期二(2-14)(2-15)第43页，共85页，编辑于2022年，星期二(2-16)第44页，共85页，编辑于2022年，星期二通常，K=2，机械应变变 则：第45页，共85页，编辑于2022年，星期二2.2.测量电路测量电路图2-13 应变式压力传感器测量桥路第46页，共85页，编辑于2022年，星期二测量电路中的4个电阻，任何一个都可以是电阻应变片，=测量前，电桥要平衡，即：使恰当地选取各桥臂的电阻，可消除电桥恒定输出，使输出电压只与应变片的电阻变化有关。(2-17)第47页，共85页，编辑于2022年，星期二当 时，分三种情况讨论：对称（对于电源，左右对称），(2-18)(2-19)第48页，共85页，编辑于2022年，星期二通常两臂接入应变片，如 ，此时称差动电桥。另外两臂为固定电阻，则 。此时，。采用差动电桥好处：温度补偿传感器非线性特性大大降低。(2-20)第49页，共85页，编辑于2022年，星期二非对称情况，全等情况，则：若采用差动接法，传感器电路多采用全桥式以增加灵敏度，压变利用负的应变带入，拉变利用正的应变带入。(2-21)(2-22)第50页，共85页，编辑于2022年，星期二三、电容式压力表三、电容式压力表压力电容弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，用测量电容的方法测出电容量C便可知被测压力。C=(2-23)式中：电容器极板间绝缘介质的介电常数A电容器两平行板覆盖的面积d两平行板之间的距离第51页，共85页，编辑于2022年，星期二变面积式电容器变面积电容器结构原理图1、3-定极板；2-动极板第52页，共85页，编辑于2022年，星期二1 1、改变、改变A A（角位移式）（角位移式）式中Cx：被测压力对应的电容量C0：两极板重合时电容量，此时被测压力0：与被测压力有关(2-24)第53页，共85页，编辑于2022年，星期二、改变、改变d d（直线位移式（直线位移式）当x衔铁位移电感参数的变化。主要包括自感式压力计和互感式压力计。与差动电容式压力计类似，电感压力计通常采用差动形式。第68页，共85页，编辑于2022年，星期二3、液柱式压力计液柱式压力计把压力变换转换为液柱的位移。4、压电式压力计压电式压力计利用压电效应，把压力转换为电荷。5、振动式压力计振动式压力计第69页，共85页，编辑于2022年，星期二4 4 压力检测仪表的选择、校验与安装压力检测仪表的选择、校验与安装 一、压力表的选择一、压力表的选择根据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。本着节约的原则合理的考虑仪表的类型、量程、精度。第70页，共85页，编辑于2022年，星期二1、仪表量程的选择、仪表量程的选择在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表量程的 3/4；波动较大时，不大于满量程的2/3。最小工作压力不应低于满量程的1/3。选择仪表应首先满足最大工作压力条件。目前我国出厂的压力检测仪表有统一的量程系列，它们是：1、1.6、2.5、5、4.0、6.0KPa及其 倍数。第71页，共85页，编辑于2022年，星期二2、仪表精度的选择、仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要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。【例例2 23 3】有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求是用弹簧管压力表进行测量，并使被测误差不大预备测压力的4%，试确定该表的量程和精度等级。第72页，共85页，编辑于2022年，星期二解：被测压力较稳定，设压力表的量程为A,则 据最小工作压力有根据仪表量程系列，可选用量程范围为01.0MPa.第73页，共85页，编辑于2022年，星期二由题意，被测压力的允许最大绝对误差为这要求仪表相对误差 按仪表的精度等级，可选1.5级的压力表。第74页，共85页，编辑于2022年，星期二3、仪表的类型选择、仪表的类型选择 被测介质的性质 对腐蚀性数据的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件。对氧气、乙炔等介质，选用专用的压力仪表。第75页，共85页，编辑于2022年，星期二 对仪表输出信号要求 只需观察压力变化，选好弹簧管压力表那样的直接指示型的仪表。压力需远传，电气式压力检测仪表。快速变化的压力变化，压阻式压力传感器。使用环境v 爆炸性较强的环境，防爆型压力仪表。v 温度高或低，温度系数小的敏感元件。v 防护等级。第76页，共85页，编辑于2022年，星期二二、压力表的校验二、压力表的校验 为什么要进行校验 仪表在使用中，会因为弹性元件疲劳、传动机构摩擦及腐蚀、元器件老化等引起误差。新的仪表在安装使用前要进行校验。校验方法 （1）将被校表与标准表的指示数值在相同的条件下进行比较；（2）将被校表的示值与标准压力比较。第77页，共85页，编辑于2022年，星期二 校验原则 标准表的允许绝对误差小于被校表的允许绝对误差的1/3。标准表的测量上限应比被校表大一挡。在量程范围内，均匀地选择至少5各校验点，包括起点和终点。将被校表示值与标准压力比较的方法主要用于校验0.25级以上的精密压力表。也可用于校验各种工业用压力表。第78页，共85页，编辑于2022年，星期二 活塞式压力计第79页，共85页，编辑于2022年，星期二第80页，共85页，编辑于2022年，星期二第81页，共85页，编辑于2022年，星期二三、压力表的安装三、压力表的安装 测压点的选择 所选测压点要能反映被测压力的真实情况。导压管铺设 引压管太长会影响系统的动态特性 注意密封性及使用的垫片材质要与介质特性配合。第82页，共85页，编辑于2022年，星期二 测量蒸汽或压差时，应装冷凝管或冷凝器。对于有腐蚀性的介质，加装中性介质的隔离罐。当被测压力较小时，压力表与取压点不在一个高度时，要对此引起的误差进行考虑。压力表的安装 就地式 控制室第83页，共85页，编辑于2022年，星期二习题习题1、绝对压力、表压、负压（真空度）之间是什么关系？2、测量压力的仪表有那些？3、简述弹性式压力仪表与电气式压力仪表异同。4、简述应变片式压力传感器的组成与工作原理。5、选择压力检测仪表主要需考虑那些问题。6、某台空压机的缓冲器，其正常工作压力范围是1.11.6MPa,工艺要求就地指示压力并进行上下限报警，并要求测量误差不大于被测量压力的5，试选择一块合适的压力表（类型、示值范围、精度等级），并说明理由。第84页，共85页，编辑于2022年，星期二TheMinutePaperPleaseanswereachquestionsinoneortwosentences:(1)Whatwasthemostusefulormeaningfulthingyoulearnedduringthissession?(2)Whatquestionsremainuppermostinyourmindasweendthissession?(3)The“muddiest”Point：Whatwasthe“muddiest”pointinthissession?(Inotherwords,whatwasleastcleartoyou?)第85页，共85页，编辑于2022年，星期二