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1、正版可修改PPT 课件（中职）化工仪表及自动化第一章01、02节教学课件 第一章测量仪表 第一章测量仪表2在化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和自动控制，需要对工艺生产中的一些主要参数进行自动测量。用来测量这些参数的仪表称为化工测量仪表。本章将在介绍有关测量和测量仪表的基本知识的基础上，介绍有关压力、流量、液位、温度等参数的测量方法及其相应的测量仪表。本章实际上是研究如何获取化工生产过程中“信息”的。第一章化工测量仪表 第一章测量仪表 第一章测量仪表3第一节第一节测量仪表基本知识测量仪表基本知识本节知识要点：测量过程与测量误差测量仪表的品质指标测量仪表的构成及分类本节主要问题：.仪表的误差
2、如何表示？什么叫基本误差？什么叫附加误差？.测量仪表由哪几部分组成？各部分作用是什么？3.测量仪表有哪几项品质指标？第一章测量仪表 第一章测量仪表4一、一、测量过程与测量误差 测量过程与测量误差 1 1、测量过程、测量过程测测量量就就是是用用试试验验的的方方法法求求取取某某个个量量的的大大小小。有有直直接接测测量法与间接测量法。量法与间接测量法。不不管管是是直直接接测测量量还还是是间间接接测测量量，它它们们的的共共性性在在于于被被测测变变量量都都要要经经过过一一次次或或多多次次能能量量形形式式的的转转换换，然然后后与与刻刻度度尺尺进进行行比比较较。所所以以，测测量量过过程程的的实实质质是是被被
3、测测变变量量进进行行能能量量形形式式的的转转换换和和比比较较的的过过程程。测测量量仪仪表表就就是是实现这种能量形式转换和比较的工具。实现这种能量形式转换和比较的工具。第一章测量仪表 第一章测量仪表52.2.测量误差测量误差测量误差 测量误差 仪表测得的 仪表测得的测量值 测量值 与 与被测真值 被测真值 之差 之差 由 由于 于真 真值 值在 在理 理论 论上 上是 是无 无法 法真 真正 正被 被获 获取 取的 的，因 因此 此，测 测量 量误 误差 差就 就是 是指 指检 检测 测仪 仪表 表（精 精度 度较 较低 低）和 和标 标准 准表 表（精 精度 度较 较高 高）在 在同 同一 一
4、时 时刻 刻对 对同 同一 一被 被测 测变量进行测量所得到的两个读数之差。变量进行测量所得到的两个读数之差。即：即：x x0 0 标准表读数 标准表读数测量误差的几种表示形式：测量误差的几种表示形式：绝对误差 绝对误差标称相对误差 标称相对误差相对百分误差 相对百分误差 第一章测量仪表 第一章测量仪表6测量误差按产生的原因不同，可分为三类：（1）系统误差 在相同条件下，多次重复测量同一被测变量时，其测量误差的大小和符号保持不变；或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。其误差值恒定不变的又称为定值系统误差，其误差值变化的则称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性
5、的、周期性的以及按复杂规律变化的几种。3.误差的分类 第一章测量仪表 第一章测量仪表7 在相同条件下多次重复测量同一被测变量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差。随机误差表现测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。随机误差越大，精密度越低；反之，精密度就越高。测量的精密度高，亦即表明测量的重复性好。(2)偶然误差（随机误差）第一章测量仪表 第一章测量仪表8(3)疏忽误差（粗大误差）疏忽误差（粗大误差）由于工作人员在读取或记录测量数据时，疏忽大意所造成的误差，这类误差的数值很难估计，因此在工作中一定要认真、仔细，避免这类误差的发生。当系统误差远大于随机误差，此时按
6、纯粹系统误差处理；系统误差很小，已经校正，则可按纯粹随机误差处理；系统误差和随机误差不多，此时应分别按不同方法来处理。第一章测量仪表 第一章测量仪表91 1、测量仪表的准确度（精确度）、测量仪表的准确度（精确度）一 一台 台测 测量 量范 范围 围 0 0 1000kPa 1000kPa的 的压 压力 力测 测量 量仪 仪表 表，其 其最 最大 大绝 绝对 对误 误差 差10kPa(10kPa(在 在整 整个 个量 量程 程范 范围 围内 内)，另 另一 一台 台测 测量 量范 范围 围0 0 400kPa 400kPa的 的压 压力 力测 测量 量仪 仪表，其最大绝对误差 表，其最大绝对误差
7、5kPa 5kPa，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？请问哪一台压力检测仪表的精度更高？虽 虽然 然后 后者 者的 的最 最大 大绝 绝对 对误 误差 差较 较小 小，但 但这 这并 并不 不说 说明 明后 后者 者较 较前 前者 者精 精度 度高 高。因 因为 为测 测量 量仪 仪表 表的 的误 误差 差与 与其 其测量范围有关。测量范围有关。由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差 由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差 中的最大值，即把最大
8、绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:仪表的 仪表的精度等级 精度等级（精确度等级 精确度等级）是指仪表在规定的工作条件）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。下允许的最大相对百分误差。二、测量仪表的品质指标 仪表的品质指标 第一章测量仪表 第一章测量仪表10仪表的精确度等级 仪表的精确度等级仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉 把仪表允许的最大相对百分误差去掉“”“”号和 号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等
9、级。号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005 0.005，0.02 0.02，0.05 0.05，0.1 0.1，0.2 0.2，0.4 0.4，0.5 0.5，1.0 1.0，1.5 1.5，2.5 2.5，4.0 4.0等。等。所谓的 所谓的0.5 0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为 级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5 0.5，以此类推。，以此类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：1.51.0仪表的精度等级是
10、衡量仪表质量优劣的重要指标之一 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于 精度等级数值小于等于0.05 0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级 的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于 数值一般大于等于0.5 0.5。第一章测量仪表 第一章测量仪表11仪表的精确度等级 仪表的精确度等级例：某压力变送器测量范围为 例：某压力变送器测量范围为0 0 400kPa 400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为 差为5
11、kPa 5kPa，请确定该仪表的精度等级。，请确定该仪表的精度等级。解：先求最大相对百分误差 解：先求最大相对百分误差去掉 去掉 和 和%为 为1.25 1.25，因此该变送器精度等级为，因此该变送器精度等级为1.5 1.5级 级 例：例：根据工艺要求选择一测量范围为 根据工艺要求选择一测量范围为040m 040m3 3/h/h的流量计，要求测量误差不超过 的流量计，要求测量误差不超过 0.5m 0.5m3 3/h/h，请确定该仪表的精度等级。，请确定该仪表的精度等级。解：同样，先求最大相对百分误差 解：同样，先求最大相对百分误差因此该流量计必须选择 因此该流量计必须选择1.0 1.0级的流量
12、计 级的流量计 结论：结论：工艺要求的允许误差 工艺要求的允许误差 仪表的允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差 校验所得到的相对百分误差 第一章测量仪表 第一章测量仪表122 2、非线性误差、非线性误差在 在通 通常 常情 情况 况下 下，总 总是 是希 希望 望测 测量 量仪 仪表 表的 的输 输出 出量 量和 和输 输入 入量 量之 之间 间呈 呈线 线性 性对 对应 应关 关系 系。测 测量 量仪 仪表 表的 的非 非线 线性 性误 误差 差就 就是 是用 用来 来表 表征 征仪 仪表 表的 的输 输出 出量 量和 和输 输入 入量 量的 的实 实际 际对应关系与理论直线的
13、吻合程度。对应关系与理论直线的吻合程度。通 通常 常非 非线 线性 性误 误差 差用 用实 实际 际测 测得 得的 的输 输入 入 输 输出 出特 特性 性曲 曲线 线（也 也称 称为 为校 校准 准曲 曲线 线）与 与理 理论 论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：被测变量仪表输出理论实际 第一章测量仪表 第一章测量仪表133 3、变、变 差 差在 在外 外界 界条 条件 件不 不变 变的 的情 情况 况下 下，使 使用 用同 同一 一仪 仪表 表对 对被 被测 测变 变量 量在 在全 全量 量程 程范 范围 围内 内进
14、 进行 行正 正反 反行 行程 程（即 即逐 逐渐 渐由 由小 小到 到大 大和 和逐 逐渐 渐由 由大 大到 到小 小）测 测量 量时 时，对 对应 应于 于同 同一 一被 被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。变 变差 差的 的大 大小 小，根 根据 据在 在同 同一 一被 被测 测值 值下 下正 正反 反特 特性 性间 间仪 仪表 表输 输出 出的 的最 最大 大绝 绝对 对误 误差 差和测量仪表量程之比的百分数来表示 和测量仪表量程之比的百分数来表示：被测变量仪表输出下行程上行程 第一章测量仪表 第一章测量仪表144 4、
15、灵敏度和分辨力、灵敏度和分辨力灵 灵敏 敏度 度是 是表 表征 征检 检测 测仪 仪表 表对 对被 被测 测量 量变 变化 化的 的灵 灵敏 敏程 程度 度，它 它是 是指 指仪表输出变化量和输入变化量之比，即 仪表输出变化量和输入变化量之比，即 灵敏度y/x 分 分辨 辨力 力又 又称 称为 为灵 灵敏 敏限 限，是 是仪 仪表 表输 输出 出能 能响 响应 应和 和分 分辨 辨的 的最 最小 小输 输入 入变 变化 化量 量，它 它也 也是 是灵 灵敏 敏度 度的 的一 一种 种反 反映 映。对 对数 数字 字式 式仪 仪表 表来 来说 说，分 分辨 辨力 力就 就是 是数 数字 字显 显
16、示 示仪 仪表 表变 变化 化一 一个 个LSB LSB（二 二进 进制 制最 最低 低有 有效 效位 位）时 时输 输入 入的 的最 最小 小变 变化量。化量。第一章测量仪表 第一章测量仪表155、动态误差相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。动 动态 态误 误差 差是 是指 指检 检测 测系 系统 统受 受外 外扰 扰动 动作 作用 用后 后，被 被测 测变 变量 量处 处于 于变 变动 动状 状态 态下 下仪 仪表 表示 示值 值与 与参 参数 数实 实际 际值之间的差异。值之间的差异。引 引起 起该 该误 误差 差的 的
17、原 原因 因是 是由 由于 于检 检测 测元 元件 件和 和检 检测 测系 系统 统中 中各 各种 种运 运动 动惯 惯性 性以 以及 及能 能量 量形 形式 式转 转换 换需 需要 要时 时间所造成的。间所造成的。衡 衡量 量各 各种 种运 运动 动惯 惯性 性的 的大 大小 小，以 以及 及能 能量 量传 传递 递的 的快 快慢 慢常 常采 采用 用时 时间 间常 常数 数T T和 和传 传递 递滞 滞后 后时 时间（纯滞后时间）间（纯滞后时间）两个参数表示。两个参数表示。它 它们 们的 的存 存在 在会 会降 降低 低检 检测 测过 过程 程的 的动 动态 态性 性能 能，其 其中 中纯
18、 纯滞 滞后 后时 时间 间 的 的不 不利 利影 影响 响会 会远 远远 远超 超过 过时 时间 间常数 常数T T的影响。的影响。第一章测量仪表 第一章测量仪表16三、测量系统中的常见信号类型 作用于测量装置输入端的被测信号，要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：1、位移信号：是一种机械信号，包括直线位移和角位移。在测量力、压力、质量、振动等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。2、压力信号：包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。3、电气信号：有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。4、光信号：包括光通量信号、干涉
19、条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。可是连续得，也可是断续（脉冲）式的。第一章测量仪表 第一章测量仪表17四、测量系统中信号的传递形式 从传递信号的连续性的观点来分，在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟信号、数字信号和开关信号：1、模拟信号：模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。可以变换为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。例如：连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号。2、数字信号：数字信号：是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低
20、电平交替变化的电压信号。连续变化的工艺参数（模拟信号）可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号，然后再利用模拟-数字（A/D）转换技术把电模拟量转换成数字量。第一章测量仪表 第一章测量仪表183、开关信号：开关信号：用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。例如：用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“断开”与“闭合”来判断温度是否达到给定值。在自动检测技术中，利用开关式传感器（如干簧管、电触点式传感器）可以将模拟信号变换成开关信号。第一章测量仪表 第一章测量仪表19五、测量仪表的构成及分类1.1.构成：构成：相应的测量仪表
21、由 相应的测量仪表由三部分 三部分组成如图所示：组成如图所示：被测变量传感器测量的基本过程被测对象变送器显示装置 传 传感 感器 器又 又称 称为 为检 检测 测元 元件 件或 或敏 敏感 感元 元件 件，它 它直 直接 接响 响应 应被 被测 测变 变量 量，经 经能 能量 量转 转换 换并 并转 转化 化成 成一 一个 个与 与被 被测 测变 变量 量成 成对 对应 应关 关系 系的 的便 便于 于传 传送 送的 的输 输出 出信 信号 号，如 如mV mV、V V、mA mA、Hz Hz、位 位移 移、力等等。力等等。由 由于 于传 传感 感器 器的 的输 输出 出信 信号 号种 种类
22、类很 很多 多，而 而且 且信 信号 号往 往往 往很 很微 微弱 弱，一 一般 般都 都需 需要 要经 经过 过变 变送 送环 环节 节的 的进 进一 一步 步处 处理 理，把 把传 传感 感器 器的 的输 输出 出转 转换 换成 成如 如0 0 10mA 10mA、4 4 20mA 20mA等 等标 标准 准统 统一 一的 的模 模拟 拟量 量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为 信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器 变送器。有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过 有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置 显示装置把被测量显示出来 把被测
23、量显示出来。第一章测量仪表 第一章测量仪表202.分类（1）根据所测参数的不同：分成压力（差压、负压）测量仪表、流量测量仪表、物位（液位）测量仪表、温度测量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。（2）按表达示数的方式不同：分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。（3）按精度等级及使用场合的不同：分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。第一章测量仪表 第一章测量仪表21六、化工检测的发展趋势 由于化工生产过程中被测介质形态多样（气态、液态、固态及混合体）；有时还具有特殊性质（强腐蚀、强辐射、高温、高压、深冷、真空、高粘度等）；检测环境比较恶劣，存在众多的影响
24、和干扰，如电源电压、频率波动，温度、压力变化，水汽、湿度、光照、辐射、盐雾、烟雾、粉尘等，这些情况都要求化工检测仪表有稳定的工作特性、高的抗干扰能力和相应的防护措施。检测技术及仪器仪表的发展：1、检测技术的现代化：随着科学技术的发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现，新的检测方法不断得到开发。2、检测仪表的集成化、数字化、智能化：传感器、集成电路、电子技术、数字化技术、微机技术的应用 第一章测量仪表 第一章测量仪表22例题分析某台测温仪表的测温范围为2001000C，工艺上要求测温误差不能大于5C，试确定应选仪表的准确度等级。解：工艺上允许的相对百分误差为：允=5/（1000-200）100%=
25、0.625%要求所选的仪表相对百分误差不能大于工艺上的允，才能保证测温误差不大于5C，所以所选仪表的准确度等级应为0.5级。仪表的准确度等级越高，能使测温误差越小，但为了不增加投资费用，不宜选用过高准确度的仪表。第一章测量仪表 第一章测量仪表23第二节压力测量本节知识要点：压力单位及测压仪表弹性式压力计压力计的选用和安装本节主要问题：.常用的弹性元件有哪些？.弹簧管压力表的结构及工作原理？3.压力表的选用原则是什么？第一章测量仪表 第一章测量仪表24压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。化工生产中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产
26、品质量，还会造成严重生产事故。化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，对保证生产过程正常进行，达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。第一章测量仪表 第一章测量仪表251.1.三种压力表示方法 三种压力表示方法绝对压力 绝对压力 p pa a表压力 表压力 p p负压或真空度 负压或真空度 p ph h一、一、压力单位及测压 压力单位及测压仪表pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa绝对压力是指物体所受的实际压力。绝对压力是指物体所受的实际压力。表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即 表压是指一
27、般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即 真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即 真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即 由 由于 于各 各种 种工 工艺 艺设 设备 备和 和检 检测 测仪 仪表 表通 通常 常是 是处 处于 于大 大气 气之 之中 中，本 本身 身就 就承 承受 受着 着大 大气 气压 压力 力，因 因此 此工 工程 程上 上通 通常 常采 采用 用表 表压 压或 或者 者真 真空 空度 度来 来表 表示 示压 压力 力的 的大 大小 小，一 一般 般的 的压 压力 力检 检测 测仪 仪表 表所 所指
28、 指示 示的 的压 压力 力也是表压或者真空度。也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。第一章测量仪表 第一章测量仪表262.2.压力检测仪表的分类 压力检测仪表的分类 目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理 目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：的不同，一般分为四类：(1)(1)液柱式压力检测：液柱式压力检测：一般采用充有水或水银等液体的玻璃 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U U形管或单管进行测量。形管或单管进行测量。(2)(2)弹性式压力检
29、测：弹性式压力检测：它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)(3)电气式压力检测：电气式压力检测：它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。表，如电阻、电荷量等。(4)(4)活塞式压力检测：活塞式压力检测：它是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 它是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
30、平衡砝码的质量来进行测量。上所加平衡砝码的质量来进行测量。活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.05 0.05 0.02 0.02，它普遍被用作标准，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。仪器对压力检测仪表进行检定。第一章测量仪表 第一章测量仪表27液柱式压力检测 液柱式压力检测 液 液柱 柱式 式压 压力 力检 检测 测是 是以 以液 液体 体静 静力 力学 学原 原理 理为 为基 基础 础的 的，它 它们 们一 一般 般采 采用 用水 水银 银或 或水 水为 为工 工作 作液 液，用 用U U型 型管 管进 进行 行测 测量 量
31、，常 常用 用于 于较 较低 低压力、负压或压力差的检测。压力、负压或压力差的检测。p1 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，但 但U U形 形管 管只 只能 能测 测量 量较 较低 低的 的压 压力 力或 或差 差压 压，为 为了 了便 便于 于读 读数 数，U U形 形管 管一 一般 般是 是用 用玻 玻璃 璃做 做成 成，易 易破损，另外它只能进行现场指示。破损，另外它只能进行现场指示。用 用U U形管进行压力检测，其误差来源主要有：形管进行压力检测，其误差来源主要有：温度误差 温度误差 由使用环境温度的变化引起的测
32、量误差。由使用环境温度的变化引起的测量误差。它 它主 主要 要包 包括 括两 两个 个方 方面 面：一 一是 是标 标尺 尺长 长度 度随 随温 温度 度的 的变 变化 化（要 要求 求U U形 形管 管材 材料 料的 的温 温度 度系 系数 数极 极小 小）；二 二是 是工 工作 作液 液密 密度 度随 随温 温度 度的 的变 变化 化。例 例如 如水 水，当 当温 温度 度从 从10 10变 变到 到20 20时 时，其 其密 密度 度从 从999.8kg/m 999.8kg/m3 3减小到 减小到998.3kg/m 998.3kg/m3 3，相对变化量为，相对变化量为0.15 0.15。
33、安 安装 装误 误差 差 当 当U U形 形管 管安 安装 装不 不垂 垂直 直时 时将 将会 会产 产生 生安 安装 装误 误差 差。例 例如 如 若 若倾 倾斜 斜5 5，读 读数 数误 误差 差约 约0.38 0.38。第一章测量仪表 第一章测量仪表28二、二、弹性式压力计 弹性式压力计1.1.弹性元件 弹性元件:弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管膜 膜 片 片受 受压 压力 力作 作用 用产 产生 生位 位移 移，可 可直 直接 接带 带动 动
34、传 传动 动机 机构 构指 指示 示。但 但是 是膜 膜片 片的 的位 位移 移较 较小 小，灵 灵敏 敏度 度低 低，指 指示 示精 精度 度不 不高 高，一般为 一般为2.5 2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波 波纹 纹管 管的 的位 位移 移相 相对 对较 较大 大，一 一般 般可 可在 在其 其顶 顶端 端安 安装 装传 传动 动机 机构 构，带 带动 动指 指针 针直 直接 接读 读数 数。其 其特 特点 点是 是灵 灵敏 敏高 高（特 特别 别是 是
35、在 在低压区），常用于检测较低的压力（低压区），常用于检测较低的压力（1.0 1.0 10 106 6Pa Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5 1.5级；级；弹 弹簧 簧管 管结 结构 构简 简单 单、使 使用 用方 方便 便、价 价格 格低 低廉 廉，它 它使 使用 用范 范围 围广 广，测 测量 量范 范围 围宽 宽，可 可以 以测 测量 量负 负压 压、微 微压 压、低 低压 压、中 中压 压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达 和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15 0.15级
36、。级。第一章测量仪表 第一章测量仪表292.2.弹簧管和弹簧管 弹簧管和弹簧管压力表弹 弹簧 簧管 管是 是横 横截 截面 面呈 呈非 非圆 圆形 形（椭 椭圆 圆形 形或 或扁 扁圆 圆形 形），弯成圆弧状（中心角常为 弯成圆弧状（中心角常为270 270）的空心管子。）的空心管子。管 管子 子的 的一 一端 端为 为封 封闭 闭，另 另一 一端 端为 为开 开口 口。闭 闭口 口端 端作 作为自由端，开口端作为固定端。为自由端，开口端作为固定端。被 被测 测压 压力 力介 介质 质从 从开 开口 口端 端进 进入 入并 并充 充满 满弹 弹簧 簧管 管的 的整 整个 个内 内腔 腔，由 由
37、于 于弹 弹簧 簧管 管的 的非 非圆 圆横 横截 截面 面，使 使它 它有 有变 变成 成圆 圆形 形并 并伴 伴有 有伸 伸直 直的 的趋 趋势 势而 而产 产生 生力 力矩 矩，其 其结 结果 果使 使弹 弹簧 簧管 管的 的自 自由 由端 端产 产生 生位 位移 移，同 同时 时改 改变 变其 其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：式 式中 中 0 0为 为弹 弹簧 簧管 管中 中心 心角 角的 的初 初始 始角 角；为 为受 受压 压后 后中 中心 心角 角的 的改 改变 变量 量；R R为 为弹 弹簧
38、簧管 管弯 弯曲 曲圆 圆弧 弧的 的外半径；外半径；h h为管壁厚度；为管壁厚度；a a、b b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。第一章测量仪表 第一章测量仪表301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接头图3-18 弹簧管压力表弹 弹簧 簧管 管自 自由 由端 端B B的 的位 位移 移量 量一 一般 般很 很小 小，需 需要 要通 通过 过放 放大 大机 机构 构才 才能 能指 指示 示出 出来 来,为 为了 了加 加大 大弹 弹簧 簧管 管自 自由 由端 端的 的位 位移 移量 量，也 也可 可采 采用 用多 多圈 圈
39、弹 弹簧 簧管 管，其 其原 原理 理与 与单 单圈 圈弹簧管相似。弹簧管相似。单 单圈 圈弹 弹簧 簧管 管压 压力 力表 表是 是工 工业 业现 现场 场使 使用 用最 最普 普遍 遍的 的就 就地 地指 指示 示式 式压 压力 力检 检测 测仪 仪表 表（也 也有 有电 电接 接点 点输 输出 出的 的弹 弹簧管压力表）簧管压力表）弹 弹簧 簧管 管压 压力 力表 表结 结构 构简 简单 单、使 使用 用方 方便 便、价 价格 格低 低廉 廉、测 测量 量范 范围 围宽 宽，可 可以 以测 测量 量负 负压 压、微 微压 压、低 低压 压、中 中压和高压 压和高压.一 一般 般的 的工
40、工业 业用 用弹 弹簧 簧管 管压 压力 力表 表的 的精 精度 度等 等级 级为 为1.5 1.5级 级或 或2.5 2.5级 级，但 但根 根据 据制 制造 造的 的要 要求 求，其精度等级最高可达 其精度等级最高可达0.15 0.15级。级。第一章测量仪表 第一章测量仪表313.电接点信号压力表为了实现报警，可以在弹性式压力表上增加附加机构，如图所示，在单圈弹簧管压力表的表盘上装两个电极分别对应被测压力的低限和高限。第一章测量仪表 第一章测量仪表32三 三、膜盒式差压变送器、膜盒式差压变送器工作原理：力矩平衡 检测元件膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构 膜盒式差压变送器构成
41、 P P测量部分 测量部分F Fi i杠杆系统 杠杆系统 M M放大器 放大器反馈部分 反馈部分F Ff fI Io o 第一章测量仪表 第一章测量仪表33四、电容式差压变送器四、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 第一章测量仪表 第一章测量仪表34P=0Ci1=Ci2=15pF P0Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大 差动电容测量原理电容式 电容式差压变送器测量原理 差压变送器测量原理 第一章测量仪表 第一
42、章测量仪表35电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准420mADC电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，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。第一章测量仪表 第一章测量仪表36五、五、应变
43、片 应变片压力/差压变送器 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 体的 的长 长度 度、截 截面 面积 积或 或电 电阻 阻率 率会 会发 发生 生变 变化 化，即 即其 其阻 阻值 值也 也会 会发 发生变化。这种 生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化 因尺寸变化引起阻值变化称为 称为应变效应 应变效应。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。r1r21 23P(a)传感器1外壳 2弹性筒 3膜
44、片应 应变 变筒 筒的 的上 上端 端与 与外 外壳 壳固 固定 定在 在一 一起 起，下 下端 端与 与不 不锈 锈钢 钢密 密封 封膜 膜片 片3 3紧 紧密 密接 接触 触，应 应变 变片 片r r1 1和 和r r2 2用 用胶 胶合 合剂 剂贴 贴紧 紧在 在应 应变 变筒 筒的 的外 外壁 壁，与 与筒体之间不发生相对滑动。筒体之间不发生相对滑动。r r1 1沿 沿应 应变 变筒 筒轴 轴向 向贴 贴放 放，作 作为 为测 测量 量片 片；r r2 2沿 沿径 径向 向贴 贴放 放，作 作为 为温 温度补偿片。度补偿片。图 图中 中应 应变 变片 片 r r1 1、r r2 2的
45、的静 静态 态性 性能 能完 完全 全相 相同 同。当 当膜 膜片 片受 受到 到外 外力 力作 作用 用时 时，弹 弹性 性筒 筒轴 轴向 向受 受压 压，使 使应 应变 变片 片 r r1 1产 产生 生轴 轴向 向应 应变 变，阻 阻值 值变 变小 小；而 而应 应变 变片 片 r r2 2受 受到 到轴 轴向 向压 压缩 缩，引 引起 起径 径向 向拉 拉伸 伸，阻 阻值 值变 变大 大。实 实际 际上 上，r r2 2的 的变 变化 化量 量比 比 r r1 1的 的变 变化 化量 量要 要小 小，r r2 2的 的主 主要 要作 作用 用是 是温 温度补偿。度补偿。第一章测量仪表
46、第一章测量仪表37是 是应 应变 变片 片阻 阻值 值变 变化 化量 量的 的测 测量 量电 电桥 桥，图 图中 中R R3 3和 和R R4 4是 是两 两个 个阻 阻值 值相等的精密固定电阻。相等的精密固定电阻。UiEr1r2R3R4A B(b)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 1r r2 2)由 由此 此可 可见 见，由 由压 压力 力作 作用 用时 时，r r1 1和 和 r r2 2一
47、 一减 减一 一增 增，使 使电 电桥 桥由 由较 较大 大的 的输 输出 出；当 当环 环境 境温 温度 度发 发生 生变 变化 化时 时，r r1 1、r r2 2同 同时 时增 增减 减，不 不影 影响 响电 电桥 桥的 的平 平衡 衡。如 如果 果仪 仪表 表能 能把 把电 电桥 桥输 输出 出电 电压 压U Ui i进 进一 一步 步转 转换 换为 为标 标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。结 结论 论：应 应变 变片 片式 式压 压检 检测 测仪 仪表 表具 具有 有较 较大 大的 的测 测量 量范 范围 围，被 被测 测压
48、 压力 力可 可达 达几 几百 百MPa MPa，并 并具 具有 有良 良好 好的 的动 动态 态性 性能 能，适 适用 用于 于快 快速 速变 变化 化的 的压 压力 力测 测量 量。但 但是 是，尽 尽管 管测 测量 量电 电桥 桥具 具有 有一 一定 定的 的温 温度 度补 补偿 偿的 的作 作用 用，应 应变 变片 片式 式压 压力 力检 检测 测仪 仪表 表仍 仍有 有比 比较 较明 明显 显的 的温 温漂 漂和 和时 时漂 漂，因 因此 此，这 这种 种压 压力 力检 检测 测仪 仪表 表较 较多 多地 地用 用于 于一般要求的动态压力检测，一般要求的动态压力检测，测量精度一般在
49、测量精度一般在0.5 0.5 1.0 1.0左右 左右。第一章测量仪表 第一章测量仪表38六、压阻式（扩散硅）压力 六、压阻式（扩散硅）压力/差压变送器 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。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。p2 p1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 第一章测量仪表 第一章测量仪表39构成框图：扩散硅压阻传感器前置放大
50、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 第一章测量仪表 第一章测量仪表40测量部分扩散硅压阻传感器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US1.负压室2.正压室3.硅杯4.引线5.硅片 第一章测量仪表 第一章测量仪表41测量部分惠斯顿电桥惠斯顿电桥Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R 第一章测量仪表 第一章测量仪表42测量部分电压转换电压转换USRi1Ri2Ri3Ri4IS受压时：Ri1Ri4r1 Ri2Ri3r2受压时，流经2桥臂的电流始终相等 第一章测量仪表 第一章测量仪表4