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1、2010年12月1日13.3.1 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第1页/共88页2010年12月1日2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第2页/共88页2010年12月1日3第3页/共88页2010年12月1日4一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-1.01325105 Pa工程大气压0.98105Pa 1kgf/cm2压力检测
2、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?第4页/共88页2010年12月1日5(1 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=1.01325105Pa=1.033104mmH2O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1N1m2atmosphere压力单位换算表详见课本P466 附录4第5页/共88页2010年12月1日6序序号号分
3、类分类名称名称符号符号换算关系换算关系备注备注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MPa1MPa=106Pa=N/mm23应力压强压力吉帕GPa1GPa=1000 MPa=109Pa4应力压强压力千帕kPa1kPa=1000Pa5应力压强压力达因每平方厘米dyn/cm21dyn/cm2=0.1Pa6应力压强压力皮兹pz1pz=1000Pa7应力压强压力巴bar1bar=0.1MPa=106dyn/cm28应力压强压力千克力每平方厘米lat,kgf/cm21kgf/cm2=98066.5Pa9应力压强压力千克力每平方米kgf/m21kgf/m2=9.80665Pa
4、10应力压强压力吨力每平方米tf/m21tf/m2=9806.65Pa第6页/共88页2010年12月1日71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)1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的10n倍数(n为整数)。第7页/共88页201
5、0年12月1日8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=0p0u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第8页/共88页2010年12月1日9(3 3)压力检测方法及仪表的分类根据根据敏感元件敏感元件和和转换原理转换原理的不同,一般分为四类:的不同,一般分为四类:(1)(1)液柱式液柱式 充水或水银等的玻璃充水或水银等的玻璃U U形管或单管形管或单管(2)(2)弹性式弹性式 根据弹性元件受力变形的原理,将压力转换成位移根据弹性元件受力变形的原理,将压力转换成位移 如:弹簧如:弹簧管、膜片和波纹管等管、膜片和
6、波纹管等(3)(3)电远传式电远传式 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、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。霍尔式。(4)(4)物性型物性型 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、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。压阻式、压电式等。均有电远传功能。还还有有:活活塞塞式式 根根据据液液压压机机液液体体传传送送压压力力的的原原理理,将将被被测测压压力力转转换换成成活活塞塞面面积
7、积上上所所加加平平衡衡砝砝码码的的质质量量来来进进行行测测量量。(测测量量精精度度较较高高,0.050.050.020.02,一般用作标准表),一般用作标准表)第9页/共88页2010年12月1日10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:压力表等术语第10页/共88页2010年12月1日113.3.2 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
8、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第11页/共88页2010年12月1日12p1 p2p1 p2h(a)(b)特特点点:直直观观、可可靠靠、准准确确度度较较高高等等,只只能能测测量量较较低低的的压压力力或或差差压压,易易破破损损,只能进行现场指示。只能进行现场指示。误差来源主要有:误差来源主要有:温度误差温度误差由环境温度的变化引起工作液密度变化。由环境温度的变化引起工作液密度变化。如如水水温度温度 1010 20 20,密度从,密度从999.8-9
9、98.3kg/m999.8-998.3kg/m3 3(0.15(0.15)安装误差安装误差当当U U形管安装不垂直时将会产生安装误差。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)传压介质误差(对工作液产生压力;温度)读数误差(毛细现象)读数误差(毛细现象)液体压力计p2=p1+gh第12页/共88页2010年12月1日13U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第13页/共88页2010年12月1日14类型类型原理原理测量范
10、围测量范围准确度准确度(等(等级)级)适用适用场合场合备注备注液体压力计流体静力学水016kPa低负差压;水银:0250kPa现场指示U形,单管;简便可靠;常用于常用于低压、负压或差压的检测低压、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第14页/共88页2010年12月1日153.3.3 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用弹性元件弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成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弹性元件的位移,并经适当的机械传动和放大机构
11、,通过指针指示被测压力大小的一种大机构,通过指针指示被测压力大小的一种压力表,统称压力表,统称弹性式压力表弹性式压力表。第15页/共88页2010年12月1日16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第16页/共88页2010年12月1日17弹性式压力检测 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管弹弹簧簧管管简简单单、方方便便、便便宜宜,测测量量范范围围宽宽,可可以以测测量量负负/
12、微微/低低/中中/高高压压,应应用用十十分分广泛。根据制造的要求,仪表精度最高可达广泛。根据制造的要求,仪表精度最高可达0.150.15级。级。膜膜 片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。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。波波纹纹管管位位移移相相对对较较大大,特特点点是是灵灵敏敏高高(特特别别是是在在低低压压区区),常常用用于于检检测测较较低低的的压力(压力(1.01.010106 6PaPa),迟滞误差较大,精度一般只能达到),迟滞误差较大,精度一般只能达到1.51.5级。级。用弹性元件把压力转换成位移用弹性元件把压力转换成位移膜 片波
13、纹管弹簧管第17页/共88页2010年12月1日18第18页/共88页2010年12月1日19弹簧管和弹簧管压力表横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)圆弧状圆弧状(中心角常为中心角常为270)270)空心管子空心管子一一端端封封闭闭(自自由由端端),一一端端开开口口(固固定定端端)介质从开口端进入弹簧管内腔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非圆截面使它变圆并伴伸直的趋势 自由端产生位移自由端产生位移.中心角改变量和压力有关:中心角改变量和压力有关:式式中中0 0为为弹弹簧簧管管中中心心初初始始角角;为为受受压压后后中中心心角角改改变变量量;R
14、 R为为弹弹簧簧管管弯弯曲曲圆圆弧弧的的外外半半径径;h h为为管管壁壁厚厚度度;a a、b b为为弹弹簧簧管管椭圆形截面的长、短半轴。椭圆形截面的长、短半轴。第19页/共88页2010年12月1日201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接头单单圈圈弹弹簧簧管管自自由由端端位位移移量量一一般般很很小小,需需要要放放大大机机构构,也也可可采采用用多多圈圈弹弹簧簧管管(原原理理与与单圈管相似)单圈管相似)单单圈圈弹弹簧簧管管压压力力表表是是最最普普遍遍的的就就地地指指示示式式压力检测仪表(也有电接点输出)压力检测仪表(也有电接点输出)简单、方便、便宜、测量范
15、围宽简单、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一般工业用弹簧管压力表的精度多为 1.5 1.5 或或 2.5 2.5 级,最高可达级,最高可达0.150.15级级 第20页/共88页2010年12月1日21类型类型原理原理测量范围测量范围准确度准确度(等(等级)级)适用适用场合场合备注备注弹簧管式压力表弹性元件01000MPa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00.4MPa1.52.5现场指示补偿波纹管(T V)膜盒式压力表膜盒位移-2040kPa1.52.5气体膜片式压
16、力表膜片变形-202.5MPa1.52.5常用于电远传高压低压补偿第21页/共88页2010年12月1日223.3.4 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第22页/共88页2010年12月1日34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pCIiIfIzIo测量部分测量部分转换放大部分转换放大部分第34页/共88页2010年12
17、月1日35P=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大 差动电容测量原理第35页/共88页2010年12月1日36P=0 S1=S2=S0 P0 S1=S0 S2=S0 P+P第36页/共88页2010年12月1日37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 第37页/共88页2010年12月1日38供参考供参考第38页/共88页2010年12月1日39振荡器振荡器解调器解调器线性调整线性调整IC1IC1基准电压基准电压稳压源稳压源IC3IC3功放功放限流限流负反馈负反馈调零调零零迁零迁R RL LI Io oE EI If fI Id d
18、I Iz z()())V Vc cV Vr r差动电容差动电容框图供参考供参考第39页/共88页2010年12月1日40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。第40页/共88页2010年12月1日41类型类型原理原理测量范围测量范围准确度准确度(等(等级)级)适用适用场合场合备注备注力平衡式压力力平衡式压力变送器变送器膜片变形,力矩膜片变形,
19、力矩平衡平衡气动气动(140kPa气气源,源,20100kPa)广泛广泛DDZ-II(AC220V,010MA);DDZ-III(DC24V,420MA)。气动、电)。气动、电动动电容式差压变电容式差压变送器送器膜片变形(差动膜片变形(差动电容器)电容器)广泛广泛电容器封闭室中有硅油或氟油。电容电容器封闭室中有硅油或氟油。电容-电流转换电路。电流转换电路。霍尔压力传感霍尔压力传感器器弹簧管位移,霍弹簧管位移,霍尔元件尔元件霍尔元件输出:霍尔元件输出:mV,电压放大,显,电压放大,显示时需二次仪表示时需二次仪表电感式压力传电感式压力传感器感器弹性元件位移,弹性元件位移,线圈自感或互感线圈自感或互
20、感系数变化系数变化谐振式压力传谐振式压力传感器感器谐振频率变化谐振频率变化弹性元件或与其相连的振动元件,振弹性元件或与其相连的振动元件,振弦、振膜、振筒弦、振膜、振筒第41页/共88页2010年12月1日423.3.5 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第42页/共88页2010年12月1日43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:利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为:当当电电阻阻体体受受外外力力作作用用时时,电电阻阻体体
21、的的长长度度l l、截截面面积积S S或或电电阻阻率率会会发发生生变变化,即其阻值也会发生变化。化,即其阻值也会发生变化。这种这种因尺寸变化(因尺寸变化(l l、S S)引起阻值变化)引起阻值变化称为称为应变效应应变效应。此时的电阻体称为此时的电阻体称为应变片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。因电阻率变化因电阻率变化()引起阻值变化引起阻值变化称为称为压阻效应压阻效应。第43页/共88页2010年12月1日44物性型压力检测应变片压力/差压变送器r1r2123P1外壳 2弹性筒 3膜片 应变片应变片r r1 1和和r r2 2用
22、贴在应变筒的外壁用贴在应变筒的外壁 r r1 1沿应变筒轴向贴放,作为测量片沿应变筒轴向贴放,作为测量片 r r2 2沿径向贴放,作为温度补偿片。沿径向贴放,作为温度补偿片。r r1 1、r r2 2的静态性能完全相同。的静态性能完全相同。当膜片受压时,当膜片受压时,r r1 1产生轴向应变,阻值变小产生轴向应变,阻值变小r r2 2受到轴向压缩,引起径向拉伸,阻值变大受到轴向压缩,引起径向拉伸,阻值变大(r r2 2的变化量比的变化量比r r1 1的变化量要小,的变化量要小,r r2 2的主要作用是温度补偿)的主要作用是温度补偿)第44页/共88页2010年12月1日45R R3 3和和R
23、R4 4是两个阻值相等的精密固定电阻。是两个阻值相等的精密固定电阻。UiEr1r2R3R4AB测量电桥不受压时不受压时 r r1 1=r=r2 2=r=r0 0 R R3 3=R=R4 4=r=r 若应变片受压,则:若应变片受压,则:r r1 1=r=r0 0+r+r1 1;r r2 2=r=r0 0+r+r2 2 (r (r1 1rr2 2)第45页/共88页2010年12月1日46UiEr1r2R3R4AB(b)测量电桥 受压时,受压时,r r1 1 和和 r r2 2 一减一增,使电桥有较大的输出一减一增,使电桥有较大的输出 环境温度变化时,环境温度变化时,r r1 1、r r2 2同时
24、增减,不影响电桥平衡同时增减,不影响电桥平衡 如如果果仪仪表表能能把把U Ui i进进一一步步转转换换为为标标准准输输出出,则则该该仪仪表表即即可称为应变式压力变送器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)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具有较大的测量范围,被测压力可达几百,被测压力可达几百MPaMPa具有良好的动态性能,具有良好的动态性能,适用于快速变化的压力测量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,虽有温度补偿,仍有比较明显的温漂和时漂,测量精度一般在测量精度一般在0.50.51.01.0左右左右。第46页/共88页2
25、010年12月1日47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 p2p1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第47页/共88页2010年12月1日48构成框图:扩散硅压阻传感器前置放大器调零电路VI转换PUSU01UZIO检测部分检测部分电磁放大部分电磁放大部分第48页/共88页2010年12月1日49整机电路图+RETURN供参考供参考第49页/共88页2010年12月1日50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
26、S 1.负压室 2.正压室 3.硅杯4.引线 5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第50页/共88页2010年12月1日51测量部分惠斯顿电桥Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时:Ri1Ri2Ri3Ri4R第51页/共88页2010年12月1日52测量部分电压转换 US Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时:Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2受压时,流经2桥臂的电流始终相等第52页/共88页2010年12月1日53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
27、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第53页/共88页2010年12月1日54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50100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
28、算放大器。晶体边界漏电。物性型压力传感器小结第54页/共88页2010年12月1日553.3.6 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第55页/共88页2010年12月1日56压力仪表的选用仪表量程的选择u被测压力较稳定:P工作maxP量程max 3/4u被测压力波动大:P工作maxP量程max 2/3uP工作min P量程max 1/3u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u仪表的基本误差实际被测压力允许的最大绝对
29、误差MAXu节约原则,满足要求即可u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10n倍数准确度等级(p11):,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,3/42/31/3第56页/共88页2010年12月1日57仪表类型的选择u被测介质的性质u对仪表输出信号的要求u使用的环境u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
30、 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实际静第57页/共88页2010年12月1日58仪表精度仪表精度 只要能满足生产要求,不必追求过高的精度只要能满足生产要求,不必追求过高的精度 例例:有有一一压压力力容容器器在在正正常常工工作作时时压压力力范范围围为为0.40.40.6MPa0.6MPa,要要求求使使用用弹弹簧簧管管压压力力表表进进行行检检测测,并并使使测测量量误误差差不不大大于于被被测测压压力力的的44,试试确确定定该该表表的的量程和精度等级。量程和精度等级。解:解:被测压力比较稳定,
31、设仪表量程为被测压力比较稳定,设仪表量程为 0 0A MPaA MPa,则,则 根据仪表的量程系列,可选根据仪表的量程系列,可选0 01.0MPa1.0MPa的弹簧管压力表。的弹簧管压力表。由题意,被测压力的允许最大绝对误差为:由题意,被测压力的允许最大绝对误差为:max=max=0.4*4%=0.4*4%=0.016 MPa0.016 MPa 0.016/0.016/(1-01-0)*100%=1.6%100%=1.6%按照仪表的精度等级,可选择按照仪表的精度等级,可选择1 15 5级的压力表。级的压力表。3/42/31/3设满量程=A Pmin1/3*A PmaxT=967D (P452)第83页/共88页2010年12月1日84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?第84页/共88页2010年12月1日85第85页/共88页2010年12月1日86热电阻三线制接法可减少引线电阻的影响第86页/共88页2010年12月1日87第87页/共88页2010年12月1日88感谢您的观看!第88页/共88页
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