《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第三节 压力检测仪表第三节 压力检测仪表1、概述（1）压力压力压力压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力压力压力压力的单位为帕斯卡，简称帕（的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）第三节 压力检测仪表（2）压力的表示方法绝对压力：表压力：真空度：压差表压（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（负压）第三节 压力检测仪表（3）、压力检测的主要方法及压力仪表分类液体压力计:根据流体静力学原理，把被测压力或差压转换成液体的高度（差）弹性式压力计:根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移，并通过机械传动机构直接带动指针指示电远传式压力仪表:这类仪表的敏感元件一般也是弹性元件，通过进一步应用转换元件和转换电路将与被测压力成正比的弹性元件的位移转换成电信号，实现信号的远距离输送物性型压力传感器:它是基于在压力的作用下，敏感元件的某些物理特性发生变化的原理第三节 压力检测仪表2、液体压力计（1）、工作原理:根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量第三节 压力检测仪表D D 杯形容器的内直径杯形容器的内直径d d 玻璃管的内直径玻璃管的内直径避免二次读数带来的误差！避免二次读数带来的误差！第三节 压力检测仪表避免小读数造成的误差！避免小读数造成的误差！（2）液体压力计的误差分析温度误差：标尺长度、工作液密度安装误差：垂直度重力加速度误差：准确测量当地的重力加速度传压介质误差：密度、溶解等读数误差：毛细现象第三节 压力检测仪表第三节 压力检测仪表（3）液体压力计的使用 液体压力计在使用时，须注意以下问题：压力计工作时，如实际工作温度和当地重力加速度偏离仪表设计值；应对仪表读数进行修正 压力计应垂直安装使用 应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液 在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围 3、弹性式压力检测仪表以弹性元件作为压力敏感元件，将压力转换为位移，经适当的机械传动和放大机构，用指针指示压力的大小（1）弹簧管压力表（2）波纹管压差计（3）膜盒、膜片压力计第三节 压力检测仪表弹性元件结构和特点 弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管拉杆指针中心齿轮扇形齿轮接头游丝刻度盘调整螺钉第三节 压力检测仪表波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压)，但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为00.4MPa，仪表的准确度等级为1.52.5级。波纹管波纹管双波纹管差压表双波纹管差压表膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为-2040kPa，仪表的准确度等级一般为1.52.5级。膜片压力表膜片压力表膜盒压力表膜盒压力表金属膜片金属膜片（1）弹簧管压力表：结构简单、使用方便、价格低廉。测量范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压（可达1000MPa）。应用十分广泛，准确度等级最高可达0.1级。（2）波纹管压差计：测量范围较小，一般为00.4MPa,仪表准确度等级为1.52.5级。（3）膜盒压力计：主要用于测量较低压力或负压的气体压力，测量范围一般为-2040kPa,仪表准确度等级一般为1.52.5级。膜片压力表与膜盒压力表相近，准确度差不多，但膜片压力表的可测范围较宽，最高可达2.5MPa。第三节 压力检测仪表4、电远传式压力检测仪表力-位移-电量信号（1）力平衡式压力变送器（2）电容式压差变送器（3）霍尔式、电感式、谐振式压力传感器第三节 压力检测仪表（1）力平衡式压力变送器）力平衡式压力变送器 根据输出信号的不同分：气动压力变送器和电动压力变送器 第三节 压力检测仪表气动压力变送器使用140kPa的空气压力作为气源，输出为20100kPa的空气压力信号。电动压力变送器包括DDZ-II和DDZ-III型，DDZ-II使用220V交流电压，输出为010mA的电流信号。DDZ-III使用24V直流电源，输出为420mA的电流信号。第三节 压力检测仪表力平衡式压力变送器气动压力变送器 电动压力变送器 DDZ-III型差压变送器型差压变送器 力力平平衡衡式式压压力力变变送送器器 1 1低压室低压室 2 2高压室高压室 3 3测量元件（膜盒、膜片）测量元件（膜盒、膜片）4 4轴封膜片轴封膜片 5 5主杠杆主杠杆 6 6过载保护片过载保护片 7 7静压调整螺钉静压调整螺钉 8 8矢量机构矢量机构 9 9零点迁移弹簧零点迁移弹簧 1010平衡锤平衡锤 1111量程调整螺钉量程调整螺钉 1212检测片（衔铁）检测片（衔铁）1313差动变压器差动变压器 1414副杠杆副杠杆 1515放大器放大器 1616反馈动圈反馈动圈 17 17永久磁钢永久磁钢 1818电源电源 1919负载负载 2020调零弹簧调零弹簧 测量机构杠杆机构检测 放大 机构反馈 机构第三节 压力检测仪表（2）电容式压差变送器第三节 压力检测仪表电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力(或差压)的。平行极板电容器的电容量C与极板间介质的介电常数、极板面积S以及极板间距d的关系为：C=S/d只要保持上式中任何两个参数为常数，电容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压力(差压)传感器器常采用变间隙式。Sd第三节 压力检测仪表电容式压力电容式压力/差压变送器差压变送器 电容式压力传感器结构与检测原理图电容式压力传感器结构与检测原理图 I0测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量原理：将被测压力的变化转换成电容量的变化；再将电容的变化通过电容/电流转换电路，即可得到与压力成正比的420mADC输出信号。填充液(硅油)固定电极可动电极P1转换放大单元 P2隔离膜片电容式压力变送器的压力-电容转换关系(1)压差P与移动距离d 近似线性关系：d=K1P (K1-比例系数)(2)P使一个平板电容器的极板间距增加，变为d1=d0+d；另一个电容器的间距减少至d2=d0d。电容量分别为：C1=K2/(d0+d)C2=K2/(d0-d)(K2-比例系数)(3)d很小，满足d02-d 2d02，则电容的变化量与压差P成正比：C=C2-C1=K3P(K3=2K1K2/d02)（3）霍尔式、电感式、谐振式压力传感器霍尔压力传感器主要有弹簧管、霍尔元件和磁极组成，不直接输出被测压力值，而是输出电势信号，实现信号远传，显示时需要配专门的二次仪表。电感式压力传感器在电感式压力传感器中，首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出。谐振式压力传感器谐振式压力传感器是依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号，根据谐振原理的不同，谐振式压力传感器有振弦式、振膜式及振筒式几种。第三节 压力检测仪表霍尔压力传感器属于位移式压力(差压)传感器。它是利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号，实现压力信号的远传。霍尔效应 把半导体单晶薄片(霍尔片)置于磁场B中，当在晶片的y轴方向上通以一定大小的电流I时，在晶片的x轴方向的两个端面上将出现电势，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称为霍尔电势UH。霍尔效应原理霍尔电势UH与电流I以及磁场强度B的关系如下：UH=RHIB式中RH为霍尔系数，与霍尔片材料、结构尺寸有关。改变磁场强度B或电流I都可使UH发生变化。它由压力-位移转换部分、位移-电势转换部分和稳压电源等三部分组成。霍尔片式压力传感器结构原理图1弹簧管；2磁钢；3霍尔片5、物性型压力传感器测量原理是基于物质定律基础上的，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。由于该物理量常常是一种电量信号，因此这类传感器也是电远传式的。分类：应变式；压阻式；压电式第三节 压力检测仪表第三节 压力检测仪表(1)应变式压力传感器（导体）应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成 非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝(应变元件)在弹性元件上，且构成一个简单桥路粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的变化（p148图）应变式压力传感器是基于应变效应工作的一种压力敏感元件。应变效应：当金属导体受力(拉伸或压缩)，导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化，从而引起电阻值的相对变化，且阻值变化与应变成正比。测量原理受到压力作用后，应变片电阻发生变化：式中为应变材料的泊松比；=dl/l为应变。电阻率的变化与电阻丝体积V的变化成正比：式中m 为电阻丝材料固有的比例系数。应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量电路【通常采用桥式电路】组成，应变片粘贴在弹性元件上，弹性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其它弹性体；电路输出电压的大小，就反应了被测压力的变化。圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路第三节 压力检测仪表(2)压阻式压力传感器（半导体）压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单 和应变式压力传感器一样，压阻 式压力传感器的缺点也是敏感元 件易受温度的影响。（p149图）压阻式压力变送器压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。它实际上就是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻。由于单晶硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，因此常作为弹性元件使用。它具有精度高、工作可靠、动态响应好、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等特点，可在恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。压阻效应当单晶半导体受到应力作用，其载流子的迁移率发生变化，而改变其电阻率，从而引起电阻值的相对变化，这种现象称为半导体的压阻效应。当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。其相对电阻变化可表示为：R/R=Ke式中 Ke为压阻系数；为应力。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的50100倍。压阻式压力传感器结构示意图1-单晶硅平膜片；2-低压腔；3-高压腔；4-硅杯；5-引线第三节 压力检测仪表(3)压电式压力传感器压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点 由于在晶体边界上存在漏电现 象，所以这类传感器不能用于 稳态测量 压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。输出的大小与输入压力成正比例关系，按压力指示。特点：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。压电效应压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时而发生变形，并在其表面上产生电荷；而且在去掉外力后，它们又重新回到原来的不带电状态，这种现象就称为压电效应。在弹性范围内其产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：qkSp 式中q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为被测压力。压电式压力传感器结构示意图1绝缘体；2压电元件；3壳体；4膜片第三节 压力检测仪表6、压力检测仪表的使用 压力仪表的选用 仪表量程的选择最大工作压力=仪表满量程*3/4（压力较稳定）=仪表满量程*2/3（压力波动较大、脉动压力）最小工作压力=仪表满量程1/3不能同时满足时优先考虑最大工作压力；统一量程：1、1.6、2.5、4.0、6.0KPa及10n倍数（n为整数）第三节 压力检测仪表仪表准确度等级的选择根据允许的最大误差确定仪表的精度。例3.5：有一个压力容器在正常工作时的压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和准确度等级。解：被测压力比较稳定，弹簧管压力表的量程设为A，则0.4大于等于1/3 A;0.6 小于等于3/4 A；准确度允许的最大误差/量程大小 100比如 1.5级就是对应的1.5%.第三节 压力检测仪表例3.6：若被测压力变化范围为0.5-1.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的5%，可供选择的压力表规格有量程为0-1.6MPa、0-2.5MPa，0-4MPa，精度等级为1.0级,1.5级,2.5级三种。试选择合适量程和精度的压力表。第三节 压力检测仪表仪表类型的选择 要考虑被测介质的性质，输出信号的要求，使用的环境以及各种压力测量元件的特性来决定。机械式拉力表耐震差动远传压力表第三节 压力检测仪表压力检测系统 一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表。设备取压口取压口压力仪表压力仪表引压管路引压管路一个简单的压力检测系统示意图 第三节 压力检测仪表取压口 取压口要具有代表性，能真实地反映被测对象压力的变化。取压口位置在选择时要尽可能方便引压管路和压力仪表的安装与维护，同时还应遵循以下原则。取压口位置要选在被测介质直线流动的管段或容器的壁面部分，不要靠近管路中有阻力件或容器的死角附近。取压口开孔的轴线应垂直被测设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，以保证测取的是流体的静压信号。对于水平管道和水平安装的设备，当被测介质为液体时，取压口应在设备横截面的中下侧，使引压管路内不积存气体，也不易被沉淀物堵塞取压口；被测介质为气体时，取压口应在设备横截面的上部，以免引压管路中积存液体，如图所示。第三节 压力检测仪表引压管路引压管路的内径一般为610mm 长度不得超过50、引压管路越长，介质的黏度越大（或含杂质越多），引压管的内径要求越大。引压管路水平敷设时 要保持l：10l：20的倾斜度。被测介质为液体时，从引压管到仪表方向向下倾斜；介质为气体时，则向上倾斜。当被测介质为易冷凝、易结晶、易凝固流体时。引压管路需有保温伴热措施。第三节 压力检测仪表引压管路中常用的一些附件 截止阀：引压管在靠近取压口附近常接一个截止阀（可用于维修）隔离罐：防止腐蚀性介质直接作用到检测仪表（可用于隔离腐蚀介质）集气器：防止气体进入引压管路 集液器：防止液体进入引压管路 冷凝器：被测介质为蒸汽时，在取压口附近安装冷凝器使其后的引压管路中充满冷凝水 第三节 压力检测仪表一些特殊介质的取压方式 气固两相流介质细小的固体颗粒进入取压口会造成取压口或引压管路的堵塞、如果颗粒较大，而且粉尘性颗粒含量很小，则可以在取压口上安装一个过滤网，阻止颗粒进入引压管，更常见的方法是采用反吹技术。第三节 压力检测仪表气液两相流介质如果气液两相混合介质进入引压管路。由于混合比例不确定性，会造成引压管路附加压力（引压管中流体的静压力）的变动、为此，对气液两相流介质，在引压管路中需增加分离罐。第三节 压力检测仪表高粘度、易结晶介质这种介质在进入引压管路后，一旦温度下降会造成因凝固或结晶而使引压管堵塞，为此可采用隔离罐。必要时可采用夹套方式用蒸汽加热或保温 如图所示。另外也可以采用法兰式压力（差压）变送器。