第三章压力测量仪表.pptx
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1、热工仪表修理工热工仪表修理工第二章第二章 压力压力测量仪表测量仪表莱钢培训中心莱钢培训中心 许月军许月军Mobile:15066348861E-mail:2第三章第三章 压力测量仪表压力测量仪表第一节第一节 概述概述第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计第四节第四节 电气式压力计电气式压力计第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 第六节第六节 差压变送器差压变送器3第一节第一节 概述概述 压力是重要的热工参数之一压力是重要的热工参数之一, , 正确测量和控制压力对正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及
2、保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制。在国际单位制(SISI)和我国法定计量单位中,压力的单位是)和我国法定计量单位中,压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”,简称简称“帕帕”,符号为,符号为“Pa”Pa”。 即即1N1N力垂直均匀作用在力垂直均匀作用在1m1m2 2的面积上所形成的压力值的面积上所形成的压力值为为1Pa1Pa。 4 过去采用的压力单位过去采用的压力单位“工程大气压力工程大气压力”(kgf/cmkgf/cm2 2
3、)、)、“毫米汞柱毫米汞柱”(mmHgmmHg)、)、“毫米水柱毫米水柱”(mmHmmH2 2O O)、)、“物物理大气压理大气压”(atmatm)、)、“巴巴”(barbar)、)、“PSI”PSI”等均应改等均应改成法定计量单位帕。成法定计量单位帕。 换算关系如下:换算关系如下:1kgf/cm1kgf/cm2 2 = 0.9807= 0.980710105 5PaPa 1mmH 1mmH2 2O = 0.9807O = 0.980710Pa10Pa 1mmHg = 1.332 1mmHg = 1.33210102 2PaPa 1atm = 1.01325 1atm = 1.01325101
4、05 5PaPa bar = 10 bar = 105 5PaPa 1PSI = 6.891PSI = 6.8910103 3PaPa第一节第一节 概述概述5一、压力几种不同表示方法一、压力几种不同表示方法 (1) (1) 绝对压力绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力指作用于物体表面积上的全部压力, , 其零其零点以绝对真空为基准点以绝对真空为基准, , 又称总压力又称总压力, , 一般用大写符号一般用大写符号P P表示。表示。 (2) (2) 大气压力大气压力 指地球表面上的空气柱重量所产生的压指地球表面上的空气柱重量所产生的压力力, , 以以P P0 0表示。表示。 (3) (3) 表
5、压力表压力 绝对压力与大气压力之差绝对压力与大气压力之差, , 一般用一般用P P表示。表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力测压仪表一般指示的压力都是表压力, , 表压力又称相对压表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力力。当绝对压力小于大气压力, , 则表压力为负压则表压力为负压, , 负压又负压又可用真空度表示可用真空度表示, ,负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。道气的压力均是负压。 (4) (4) 差压差压 任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道
6、液位和流体和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。流量的大小。第一节第一节 概述概述6二、压力检测方法二、压力检测方法1. 1. 平衡法平衡法:通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被:通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力。测压力相平衡的原理测量压力。2. 2. 弹性法弹性法:利用各种形式的弹性元件,在被测介质的表压:利用各种形式的弹性元件,在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小。力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小。3. 3. 电气式电气式:用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷:用压力敏感元件直
7、接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。量等电量的变化。第一节第一节 概述概述7三、压力测量仪表的分类三、压力测量仪表的分类u压力传感器从其原理及结构可分为:压力传感器从其原理及结构可分为:液柱式、机械式及液柱式、机械式及电气式电气式u测量压力的仪表,按信号原理不同,大致可分为四类:测量压力的仪表,按信号原理不同,大致可分为四类:液柱式液柱式:根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高:根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度;度;机械式机械式:根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换:根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换成位移;成位移;电气式电气式:将被测压力转换成各种电量,如电
8、感、电容、电:将被测压力转换成各种电量,如电感、电容、电阻、电位差等,依据电量的大小实现压力的间接测量;阻、电位差等,依据电量的大小实现压力的间接测量;活塞式活塞式:根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力转:根据水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。换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。第一节第一节 概述概述8第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 u利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理原理,通过液柱高度来反映被测压力的大小。,通过液柱高度来反映被测压力的大小。u采用水银或水为工作液,用采用水银或水
9、为工作液,用U形管或单管进行测量,常用形管或单管进行测量,常用于低压、负压或压力差的检测。于低压、负压或压力差的检测。u被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。力、通风空调系统各段压力的测量。u优点:优点:结构简单,使用方便,有相当高的准确度,应用结构简单,使用方便,有相当高的准确度,应用广泛。广泛。u缺点:缺点:量程受液柱高度的限制,体积大,玻璃管容易损量程受液柱高度的限制,体积大,玻璃管容易损坏及读数不方便。坏及读数不方便。9一、一、U U形管压力计形管压力计P=PP=P1 1P P2 2=g(h=g(
10、h1 1+h+h2 2) )提高工作液密度将提高工作液密度将增加压力的测量范增加压力的测量范围,但灵敏度要降围,但灵敏度要降低。低。U U形管压力计原理图形管压力计原理图1-U1-U型玻璃管;型玻璃管;2-2-工作液;工作液;3-3-刻度尺刻度尺第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 10二、单管压力计二、单管压力计 由于由于U形管压力计需两次读取液形管压力计需两次读取液面高度,为使用方便,设计出一次面高度,为使用方便,设计出一次读取液面高度的单管压力计。读取液面高度的单管压力计。因因则则故故由于由于 Dd,所以,所以 P =gh22Dd122hh 2d21)1 ()(p22hghhgD单管液
11、柱式压力计单管液柱式压力计1-1-测量管测量管 2-2-宽口容器宽口容器 3-3-刻度尺刻度尺第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 111515、用平管液柱式压力计测得的介质压力为液柱高度、用平管液柱式压力计测得的介质压力为液柱高度380mmH380mmH2 2O,O,由于大容器由于大容器DDd(dd(d为测压管直径为测压管直径),),可忽略大容器可忽略大容器液位下降值液位下降值. .求介质压力。求介质压力。已知:容器中灌注为已知:容器中灌注为1K,1K,设设=1000kg/m=1000kg/m3 3,g=9.81 ,g=9.81 。 解:被测介质压力解:被测介质压力 P=P=ghgh =1
12、000 =10009.819.810.380.38 =3.73 =3.7310103 3(Pa)(Pa)习题习题 12三、斜管微压计三、斜管微压计 主要用于测量微小压力、负主要用于测量微小压力、负压和压差,它将单管液柱压力计压和压差,它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置,这样可以提的测量管倾斜放置,这样可以提高灵敏度,减少读数相对误差。高灵敏度,减少读数相对误差。2111B1222AP g(h h) g(sh lsiin )lAhlAnA 第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 13倾斜角度越小,倾斜角度越小,l越长,测量灵敏度就越高;但不可太小,越长,测量灵敏度就越高;但不可太小,否则液柱易冲
13、散,读数较困难,误差增大,不能小于否则液柱易冲散,读数较困难,误差增大,不能小于15。这种这种倾斜管液柱式压力计倾斜管液柱式压力计可以测量到可以测量到0.98Pa的微压。为的微压。为了进一步提高微压计的精确度,应选用密度小的酒精作了进一步提高微压计的精确度,应选用密度小的酒精作为工作液体。为工作液体。 三、斜管微压计三、斜管微压计第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 14第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器(又称弹性元件)组成的压力测用弹性传感器(又称弹性元件)组成的压力测量仪表称为量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。弹性元件受压后产生的。弹性元件受压后产生的形变输出(力或位
14、移),可以通过传动机构直接带形变输出(力或位移),可以通过传动机构直接带动指针指示压力(或压差),也可以通过某种电气动指针指示压力(或压差),也可以通过某种电气元件组成变送器,实现压力(或压差)信号的远传。元件组成变送器,实现压力(或压差)信号的远传。151 1、弹性元件、弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件, , 可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 12
15、224d4hDh16 测压原理:测压原理:弹性元件在弹性限度内受压后会产生弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形,变形大小与被测压力成正比关系。变形,变形大小与被测压力成正比关系。 F:轴向外力;轴向外力; A: 弹性元件承受压力的有效面积;弹性元件承受压力的有效面积; P: 被测压力;被测压力; C:弹性元件的刚度系数;弹性元件的刚度系数; X: 弹性元件的形变位移。弹性元件的形变位移。 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 172 2、弹簧管压力表、弹簧管压力表 弹簧管压力表结构如图所示。弹簧管压力表结构如图所示。被测压力由接头被测压力由接头9 9通入通入, , 迫使弹簧管迫使弹簧管1 1
16、的自由端产生位移的自由端产生位移, , 通过拉杆通过拉杆2 2使使扇形齿轮扇形齿轮3 3作逆时针偏转作逆时针偏转, , 于是指针于是指针5 5通过同轴的中心齿轮通过同轴的中心齿轮4 4的带动而作的带动而作顺时针偏转顺时针偏转, , 在面板在面板6 6的刻度标尺上的刻度标尺上显示出被测压力的数值。显示出被测压力的数值。 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 18u 结构简单,使用方便,价格低廉,使用范围广,测量结构简单,使用方便,价格低廉,使用范围广,测量范围宽范围宽;u 可测负压、微压、低压、中压和高压可测负压、微压、低压、中压和高压;u 精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。等。第
17、三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 2 2、弹簧管压力表、弹簧管压力表19第四节第四节 电气式压力计电气式压力计u为适应集中检测、自动调节及使用计算机技术为适应集中检测、自动调节及使用计算机技术的需要,希望把弹性元件的输出的需要,希望把弹性元件的输出位移或压位移或压力转为统一信号,出现了电气式压力计。力转为统一信号,出现了电气式压力计。u电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。 u能实现压力电量转换的压敏元件主要有压电能实现压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻
18、元件。材料、应变片和压阻元件。201 1、压电式压力传感器、压电式压力传感器n 压电效应原理压电效应原理:压电材料受压:压电材料受压时会在其表面产生电荷,其电荷时会在其表面产生电荷,其电荷量与所受的压力成正比。量与所受的压力成正比。n 压电材料压电材料:单晶体、多晶体:单晶体、多晶体n 特点特点:结构简单、紧凑,小巧:结构简单、紧凑,小巧轻便,工作可靠,线性度好,频轻便,工作可靠,线性度好,频率响应高,量程范围广。率响应高,量程范围广。霍尔元件是利用霍尔元件是利用( )( )工作的半导体元件。工作的半导体元件。A A磁电效应磁电效应 B B电磁效应电磁效应 C C压电效应压电效应 D D以上都
19、不是以上都不是C C问题?问题?第四节第四节 电气式压力计电气式压力计212、 应变式压力传感器应变式压力传感器n应变片应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件,是基于应变效应工作的一种压力敏感元件,当应变片受外力作用产生形变时,应变片的电阻当应变片受外力作用产生形变时,应变片的电阻值也将发生相应变化。值也将发生相应变化。n应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的,利用弹性敏感元件和应变计将应的桥路组成的,利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。第四节第四节 电气式
20、压力计电气式压力计22u缺点:缺点:输出信号小、线性范围窄输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较而且动态响应较差差(见电阻应变计、半导体应变计见电阻应变计、半导体应变计)。u优点:优点:应变片的体积小应变片的体积小,商品化的应变片有多种规商品化的应变片有多种规格可供选择,而且可以灵活设计弹性敏感元件的形格可供选择,而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合,所以用应变片制造的应变式以适应各种应用场合,所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。式压力传感器仍有广泛的应用。u分类:分类:按弹性敏感元件结构的不同按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传应变式压力传感器大致可分为应变管
21、式、膜片式、应变梁式和组感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式合式4种。种。2 2、应变式压力传感器、应变式压力传感器第四节第四节 电气式压力计电气式压力计233、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器n 压阻元件压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件,它是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件,它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,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,当它受外力作用时,其阻值由于电阻率的变化而改变。当它受外力作用时,其阻值由于电阻率的变化而改变。n 扩散电阻正常工作需依附弹性元件,常用的是单晶体硅扩散电阻正常工作需依附弹性元件,常用的是
22、单晶体硅膜片。膜片。u优点优点:体积小,结构简单,能直接反映微小的压力变化,:体积小,结构简单,能直接反映微小的压力变化,动态响应好;动态响应好;u缺点:缺点:敏感元件易受温度的影响,从而影响压阻系数的敏感元件易受温度的影响,从而影响压阻系数的大小。大小。第四节第四节 电气式压力计电气式压力计24右图是压阻式压力传感器的结右图是压阻式压力传感器的结构示意图。在一块圆形的单晶构示意图。在一块圆形的单晶硅膜片上硅膜片上, , 布置四个扩散电阻布置四个扩散电阻, , 组成一个全桥测量电路。膜片组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定用一个圆形硅杯固定, , 将两个将两个气腔隔开。一端接被测压力气
23、腔隔开。一端接被测压力, , 另一端接参考压力。当存在压另一端接参考压力。当存在压差时差时, , 膜片产生变形膜片产生变形, , 使两对使两对电阻的阻值发生变化电阻的阻值发生变化, , 电桥失电桥失去平衡去平衡, , 其输出电压反映膜片其输出电压反映膜片承受的压差的大小。承受的压差的大小。 CPACFxCxFPAF第四节第四节 电气式压力计电气式压力计25 频率超过频率超过20000HZ20000HZ的声波的声波称之为称之为超声波超声波。 超声波是利用压电晶体的压电效应和逆压超声波是利用压电晶体的压电效应和逆压电效应的原理来实现电效应的原理来实现“电能电能-超声能超声能”相互转相互转换的。有一
24、些晶体,当在它的两个面上施加交换的。有一些晶体,当在它的两个面上施加交变电压时,晶片将按其厚度方向做伸长和压缩变电压时,晶片将按其厚度方向做伸长和压缩的交替变化,即产生了震动,其振动频率的高的交替变化,即产生了震动,其振动频率的高低与所加交变电压的频率相同,这样就能在晶低与所加交变电压的频率相同,这样就能在晶片周围的媒质上产生相同频率的声波,如果所片周围的媒质上产生相同频率的声波,如果所加的交变电压的频率是超声频率,晶体所发射加的交变电压的频率是超声频率,晶体所发射的声波就是超声波。这种效应为逆压电效应。的声波就是超声波。这种效应为逆压电效应。反之,当振动的外力作用在压电晶片的两个面反之,当振
25、动的外力作用在压电晶片的两个面上而使其发生变形,就会有相应频率的电荷输上而使其发生变形,就会有相应频率的电荷输出,这种效应应称为压电效应。出,这种效应应称为压电效应。超声波仪表简介:超声波仪表简介:简答题简答题第第3838小题小题第四节第四节 电气式压力计电气式压力计26第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择1.1.仪表量程的选择仪表量程的选择n被测压力较稳定:最大工作压力不应超过仪表满量程被测压力较稳定:最大工作压力不应超过仪表满量程的的3/43/4;n被测压力波动较大或测脉动压力:最大工作压力不应被测压力波动较大或测脉动压
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