压力检测仪表68992857.ppt

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1、3 3 压力检测仪表压力检测仪表n压力是重要的工业参数之一，正确测量和压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性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。压力及差压的测量还经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。广泛地应用在流量和液位的测量中。内容安排：内容安排：3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 液柱式压力计液柱式压力计 3.3 3.3 弹性式压力计弹性式压力计 3.4 3.4 压力传感器压力传感器3.5 3.5 差压变送器差压变送器3.6 3.6 压力仪表的选用压力仪表的选用3.1 3.1 概述概述 垂直作用在单位面

2、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（SI）和我国法定计量单位和我国法定计量单位中，压力的单位是中，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”。即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上所的面积上所形成的压力值为形成的压力值为1Pa。n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/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmH2O）、）、“物理大气压物理大气压”（atm）、）、“巴巴”（bar）、）、“PSI”等均应改成法定计量单位帕。等均应改成法定计

3、量单位帕。1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1 mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa详见表3-13.1.1 3.1.1 压力的概念及单位压力的概念及单位3.1.2 压力表示方式压力表示方式u绝对压力绝对压力PJu大气压力大气压力PDu表压力表压力PB PB=PJ PDu真空度真空度PZ（负压）（负压）PZ PD PJ表压（正压）绝对压力的零线大气压力线绝对压力绝对压力真空度3.1.3 压力检测方法压力检测方法1.弹性力平衡法弹性力平衡法：利用弹性元件受压力作用发生弹性

4、形变而产生的弹性力：利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力 与被测压力相平衡的原理。将压力转换成位移，测出形与被测压力相平衡的原理。将压力转换成位移，测出形 变位移的大小就可以测出被测压力。如：弹簧管压力计、变位移的大小就可以测出被测压力。如：弹簧管压力计、波纹管压力计。波纹管压力计。2.重力平衡法重力平衡法：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：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。如：衡的原理测量压力。如：U型管压力计、活塞压力计型管压力计、活塞压力计3.机械力平衡法机械力平衡法：将被测压力经变换元件转移成一个集中的力，用外力与：将被

5、测压力经变换元件转移成一个集中的力，用外力与 之平衡，通过测外力的大小得到被测压力。如：压力变送器。之平衡，通过测外力的大小得到被测压力。如：压力变送器。4.电气法电气法：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。如压电：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。如压电 式、应变片式、电容式、光纤式压力计。式、应变片式、电容式、光纤式压力计。3.2 3.2 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利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的平衡的原理原理，通过液柱高度来反映被测压力的大，通过液柱高度来反映被测压力的大小小u优点：优点

6、：结构简单，使用方便，有相当高的准确度。结构简单，使用方便，有相当高的准确度。u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管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容易损坏及读数不方便u采用水银或水为工作液，用采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。量，常用于低压、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。道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。U形管压力计形管压力计P=P1P2 =g(h1+h2)提高工作液密度将提高工

7、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。单管压力计单管压力计 由于由于U形管形管压力计需两次读压力计需两次读取液面高度，为取液面高度，为使用方便，设计使用方便，设计出一次读取液面出一次读取液面高度的单管压力高度的单管压力计。计。因因 则则 故故 由于由于 Dd，所以所以 P=gh2 斜管微压计斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。放置，这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。倾倾斜斜角角度度越越小小，l越越长长

8、，测测量量灵灵敏敏度度就就越越高高；但但不不可可太太小小，否否则则液液柱柱易易冲冲散散，读读数数较较困困难难，误误差增大。差增大。这这种种倾倾斜斜管管液液柱柱式式压压力力计计可可以以测测量量到到0.98Pa的的微微压压。为为了了进进一一步步提提高高微微压压计计的的精精确确度度，应应选选用密度小的酒精作为工作液体。用密度小的酒精作为工作液体。液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正1.环境温度变化环境温度变化2.重力加速度变化重力加速度变化3.毛细管现象毛细管现象3.3 3.3 弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量用弹性传感器（又称弹性元件）组

9、成的压力测量仪表称为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形变。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针输出（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元件组成指示压力（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。变送器，实现压力（或压差）信号的远传。它它结构简结构简单，价格低廉单，价格低廉，现场，现场使用和维修都很方便使用和维修都很方便，又有，又有较宽较宽的压力测量范围的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应，因此在工程中获得了非常广泛的应用。用。弹性元件在弹性限度内受压后会

10、产生变形，变形大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。小与被测压力成正比关系。目前广泛使用的弹性元件目前广泛使用的弹性元件有有弹簧管、波纹管和膜片等。弹簧管、波纹管和膜片等。3.3.1 3.3.1 弹性元件弹性元件 上图上图上图上图给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于和波纹

11、管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。高、中、低压和真空度的测量。高、中、低压和真空度的测量。高、中、低压和真空度的测量。弹簧管弹簧管的横截面呈非圆形的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图所示。管形的空心管子，如图所示。管子的一端为封闭，作为位移输子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测出端，另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端通入被压力输入端。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力测压力后，非圆横截面在压力p p作用下将趋向圆形，并使弹作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，簧管

12、有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由其结果使弹簧管的自由端由B B移至移至BB，而产生位移，输入，而产生位移，输入压力越大，位移越大。压力越大，位移越大。3.3.2 3.3.2 弹簧管压力表弹簧管压力表弹簧管压力表：弹簧管压力表：n结构简单，使用方便，结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围价格低廉，使用范围广，测量范围宽广，测量范围宽n可测负压、微压、低可测负压、微压、低压、中压和高压压、中压和高压n精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等等3.4.1 3.4.1 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器测压原理测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应：利用霍尔片式传感器

13、（根据半导体材料的霍尔效应 的原理）实现压力的原理）实现压力-位移位移-霍尔电势的转换。霍尔电势的转换。霍尔片霍尔片：是一种半导体或化合物半导体转换元件。：是一种半导体或化合物半导体转换元件。霍尔效应霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁 感应强度感应强度B B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个 纵向端面上通入恒定的控制电流纵向端面上通入恒定的控制电流I I，则会在霍尔片，则会在霍尔片 的两个横向端面之间形成电位差的两个横向端面之间形成电位差V VH H，此电位差称为，此电位差称为 霍尔电势。霍尔电

14、势。3.4 3.4 压力传感器压力传感器 弹簧管霍尔片 K霍尔式压力传感器输出系数 自由端霍尔元件的位移量磁钢霍尔片霍尔片 +弹簧管弹簧管 磁场由一对特殊几何形状的马蹄型磁钢产生。右侧磁场方向向下，左侧向上，大小相等方向相反，构成差动磁场。当霍尔片处于中心平衡位置时，因磁通大小相等方向相反，且对称，所以霍尔电势代数和为零。当弹簧管自由段带动霍尔片偏离平衡位置时，产生电势的代数和不为零。完成位移-电势转换。压电效应原理压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电：压电材料受压时会在其表面产生电 荷，其电荷量与所受的压力成正比。荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料压电材料：单晶体、多晶体：单晶

15、体、多晶体特点特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线 性度好，频率响应高，量程范围广性度好，频率响应高，量程范围广3.4.2 3.4.2 压电式压力传感器压电式压力传感器测量范围：测量范围：0 070MPa70MPa应用：应用：加速度、压力等加速度、压力等3.4.3 电容式压力传感器电容式压力传感器u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，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基成电路工艺制成的扩它指在半导体材料的基片上用基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散电阻，当它受外力作用

16、时，其阻值由于电阻率的变化而改变。化而改变。u扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。硅膜片。3.4.4 3.4.4 压阻式压力传感器压阻式压力传感器u优点优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好。化，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：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。的大小。作用作用:(1)(1)变送：变送：将被测参数成将被测参数成 比例转换成标准统一比例转换成标准统一 信号，并能将信号一信号，并能将信号一 定距离远传。定距离

17、远传。(2)(2)可调量程：可调量程：同一参数同一参数 的不同范围转换为成比的不同范围转换为成比 例的统一信号。例的统一信号。3.5 3.5 差压变送器差压变送器n测压测压原理原理:是利用转换元件将压力变化转换成电容变是利用转换元件将压力变化转换成电容变化，再通过检测电容的方法来测量压力的。化，再通过检测电容的方法来测量压力的。n特点：特点：结构简单（小型化、轻量化）、性能稳定、可结构简单（小型化、轻量化）、性能稳定、可靠，具有较高的精度靠，具有较高的精度。3.5.1 3.5.1 电容式压力变送器电容式压力变送器n 差动平板电容器的工作原理差动平板电容器的工作原理:差动平板电容器共有三个极板，

18、其中中间一个电极板为活动差动平板电容器共有三个极板，其中中间一个电极板为活动电极板，两端为固定电极板。电容器在初始状态下，活动极板正电极板，两端为固定电极板。电容器在初始状态下，活动极板正好位于两固定电极板的中间，如图好位于两固定电极板的中间，如图 (a)(a)所示。此时上下两个电容所示。此时上下两个电容容量完全相等，其差值为零。而每个电容的容量为容量完全相等，其差值为零。而每个电容的容量为 当受到外界作用，使中间的活动电极板产生一个微小的位当受到外界作用，使中间的活动电极板产生一个微小的位移后，如图移后，如图 (b)(b)所示。所示。感压膜片差动电容电容-电流转换电路 放大和输出限制电路反馈

19、电路调零、迁移信号反馈信号变送器构成方框图变送器变送器构成方框图构成方框图电容式压力传感器电容式压力传感器结论结论：(1)相对变化值 与被测差压 成线性关系。(2)与介电常数 无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)与 有关。愈小，灵敏度越高。扩散硅压力变送器属应变式压力变送器。它扩散硅压力变送器属应变式压力变送器。它是基于电阻应变原理测量压力的。当电阻体在外是基于电阻应变原理测量压力的。当电阻体在外力作用下，产生机械变形时，其电阻值也将随之力作用下，产生机械变形时，其电阻值也将随之发生变化。这种现象称之为电阻应变效应。通过发生变化。这种现象称之为电阻应变效应。通过对电阻变化量的检测，即可得

20、知其受力情况。对电阻变化量的检测，即可得知其受力情况。扩散硅压力变送器检测部件的原理结构如图扩散硅压力变送器检测部件的原理结构如图(a)所示。它的感压元件叫做扩散硅应变片。其所示。它的感压元件叫做扩散硅应变片。其电阻布置如图电阻布置如图(b)所示、杯内腔承受被测压力所示、杯内腔承受被测压力p，杯的外侧为大气压力。如用来测量差压，则分别杯的外侧为大气压力。如用来测量差压，则分别接接 p1及及p2。3.5.2 3.5.2 扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器 硅杯设计时，取硅杯设计时，取R1=R2=R3=R4=R，所以此，所以此时桥路平衡时，当压力为零时，桥路输出为时桥路平衡时，当压力为零时，桥路输出

21、为U=0当外界有压力时，由于四个电阻的位置经过精确当外界有压力时，由于四个电阻的位置经过精确选择，使得电阻变化量相等，即：选择，使得电阻变化量相等，即：R1=R2=R3=R4=R 这时桥路失去平衡输出电压信号为：这时桥路失去平衡输出电压信号为：上式表明桥路的输出电压与应变电阻的变化量成上式表明桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。这个信号再经放大和转换，变成正比。这个信号再经放大和转换，变成 420mA 直直流电流信号作为显示和调节仪表的输入。流电流信号作为显示和调节仪表的输入。3.5.33.5.3 智能型压力变送器智能型压力变送器 为适应现场总线控制系统的要求，近年来出为适应现场总线控制系

22、统的要求，近年来出现了采用微处理器和先进传感器技术的智能变送现了采用微处理器和先进传感器技术的智能变送器，有智能温度变送器、智能压力变送器、智能器，有智能温度变送器、智能压力变送器、智能差压变送器等。智能变送器可以输出数字和模拟差压变送器等。智能变送器可以输出数字和模拟两种信号，其精度、稳定性和可靠性均比模拟式两种信号，其精度、稳定性和可靠性均比模拟式变送器优越，并且可以通过现场总线网络与上位变送器优越，并且可以通过现场总线网络与上位计算机相连。智能变送器具有以下计算机相连。智能变送器具有以下特点：特点：测量精度高测量精度高;具有较宽的零点迁移范围和较大的量程比；其量具有较宽的零点迁移范围和较

23、大的量程比；其量 程范围为程范围为100:1100:1；具有温度、静压补偿功能（差压变送器）和非线具有温度、静压补偿功能（差压变送器）和非线 性校正能力（温度变送器），以保证仪表精度；性校正能力（温度变送器），以保证仪表精度；具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数具有数字、模拟两种输出方式，能够实现双向数 据通讯；据通讯；通过手持通信器（手持终端）能对通过手持通信器（手持终端）能对1500m1500m之内的现之内的现 场变送器进行遥控操作。对现场变送器进行各种场变送器进行遥控操作。对现场变送器进行各种 工作参数的设定，远程组态调零、调量程和自诊工作参数的设定，远程组态调零、调量程和自诊 断

24、，维护和使用十分方便。断，维护和使用十分方便。以以3051C 3051C 为例：为例：组成：传感膜头：被测压力组成：传感膜头：被测压力-A/D-A/D转换转换-数字信号数字信号 电子线路板：对信号进行修正，线性化处理电子线路板：对信号进行修正，线性化处理-D/A-D/A转换转换-4-420mA20mA信号信号3.6 3.6 压力检测仪表的选用压力检测仪表的选用3.6.1 压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择3.6.1.1 仪表量程的选择仪表量程的选择u被测压力较稳定：最大工作压力不应超被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的过仪表满量程的2/3；u被测压力波动较大或测脉动压力：最大被测

25、压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的工作压力不应超过仪表满量程的1/2；u为保证测量准确度：最小工作压力不应为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的低于满量程的1/3；u优先满足最大工作压力条件。优先满足最大工作压力条件。3.6.1.2 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。误差应小于仪表的基本误差。3.6.1.3 仪表类型的选择仪表类型的选择u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力

26、大小来考虑u被测介质的性质被测介质的性质u对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求u使用的环境使用的环境3.6.2 压力表的安装压力表的安装3.6.2.1 取压口的选择取压口的选择u测管道静压应该避开压力扰动处、保证测管道静压应该避开压力扰动处、保证测量管路内为单相流体。测量管路内为单相流体。u开孔：压力稳定处，即不要有阀，弯头开孔：压力稳定处，即不要有阀，弯头等阻力件。等阻力件。u方位：液体在管道下方方位：液体在管道下方45度区域取压，度区域取压，气体在管道上方。气体在管道上方。导压管导压管是传递压力、压差信号的。是传递压力、压差信号的。1、内径一般、内径一般610mm，长度尽可，长度尽可能

27、短，最长能短，最长50m。减少压力。减少压力指示迟缓。指示迟缓。2、导压管水平安装应保证有一、导压管水平安装应保证有一定角度。以便积存的液体、气定角度。以便积存的液体、气体排出。体排出。3、取压口和压力计之间要有切、取压口和压力计之间要有切断阀。以备检修。断阀。以备检修。3.6.2.2 导压管的铺设导压管的铺设3.6.2.3 压力、压差计的安装压力、压差计的安装3.6.3 压力仪表的校验压力仪表的校验u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们的指示数值，如果以相同压力，比较它们的指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定的最大准许绝对误差时，则认为校表规定的最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。被校表合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校准级，可用来校准0.25级级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为被校压力的最高值为60MPa。压力发压力发生部分生部分测量测量部分部分