3壓力檢測儀表

1、3 壓力檢測儀表,壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。,內(nèi)容安排：,3.1 概述3.2 液柱式壓力計 3.3 彈性式壓力計 3.4 壓力傳感器3.5 差壓變送器3.6 壓力儀表的選用,3.1 概述,垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”

2、。 即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,,過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均應(yīng)改成法定計量單位帕。 1 kgf/cm2 = 0.9807×105Pa 1mmH2O = 0.9807×10Pa

3、 1 mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89×103Pa,詳見表3-1,3.1.1 壓力的概念及單位,3.1.2 壓力表示方式,絕對壓力PJ大氣壓力PD表壓力PB PB= PJ －PD真空度PZ（負(fù)壓） PZ＝ PD－ PJ,3.1.3 壓

4、力檢測方法,1.彈性力平衡法：利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的彈性力 與被測壓力相平衡的原理。將壓力轉(zhuǎn)換成位移，測出形 變位移的大小就可以測出被測壓力。如：彈簧管壓力計、 波紋管壓力計。2.重力平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼

5、的重量與被測壓力相平 衡的原理測量壓力。如：U型管壓力計、活塞壓力計3.機械力平衡法：將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個集中的力，用外力與 之平衡，通過測外力的大小得到被測壓力。如：壓力變送器。4.電氣法：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。如壓電 式、應(yīng)變片式、電

6、容式、光纖式壓力計。,3.2 液柱式壓力計,利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大小優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準(zhǔn)確度。缺點：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管 容易損壞及讀數(shù)不方便,采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進行測量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的檢測。被廣泛用于實驗室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測量。,U

7、形管壓力計,△P=P1－P2 =ρg(h1+h2),提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低。,,單管壓力計,由于U形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計出一次讀取液面高度的單管壓力計。,,因 則 故 由于 D>>d，所以 P =ρgh2,斜管微壓計,主要用于測量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏

8、度，減少讀數(shù)相對誤差。,傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。,液柱式壓力計的測量誤差及其修正,1. 環(huán)境溫度變化2. 重力加速度變化3. 毛細(xì)管現(xiàn)象,,3.3 彈性式壓力計,用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)

9、生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓差）信號的遠傳。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。,彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。,3.3.1 彈性元件,上圖給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管

10、多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。,彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當(dāng)開口端通入被測壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′，而產(chǎn)生位移，輸入壓力越大，位移越大。,3.3.2 彈簧管壓力表,彈簧管壓力表：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便

11、，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬可測負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓精度有0.5、1.0、1.5、2.5等,3.4.1 霍爾式壓力傳感器,測壓原理：利用霍爾片式傳感器（根據(jù)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng) 的原理）實現(xiàn)壓力-位移-霍爾電勢的轉(zhuǎn)換。霍爾片：是一種半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換元件?；魻栃?yīng)：把一塊霍爾元件置于均勻磁場中，并使霍爾片與磁 感應(yīng)強度B的方向垂直，在沿著霍爾片的左右兩個

12、 縱向端面上通入恒定的控制電流I，則會在霍爾片 的兩個橫向端面之間形成電位差VH，此電位差稱為 霍爾電勢。,,,,,,,3.4 壓力傳感器,,,彈簧管,霍爾片,K——霍爾式壓力傳感器輸出系數(shù) χ——自由端霍爾元件的位移量,磁鋼,霍爾片 + 彈簧管,磁場由一對特殊幾何形狀的馬蹄型磁鋼產(chǎn)生。右側(cè)磁場方向向下，左側(cè)向上，大小相等方向相反，構(gòu)成差動磁場。當(dāng)霍爾片處于中心平衡位置時，因磁通大小相等

13、方向相反，且對稱，所以霍爾電勢代數(shù)和為零。當(dāng)彈簧管自由段帶動霍爾片偏離平衡位置時，產(chǎn)生電勢的代數(shù)和不為零。完成位移-電勢轉(zhuǎn)換。,壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電 荷，其電荷量與所受的壓力成正比。壓電材料：單晶體、多晶體特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線 性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣,3.4.2 壓電式壓力傳感器,測量范圍：0～

14、70MPa應(yīng)用：加速度、壓力等,,3.4.3 電容式壓力傳感器,壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用基成電路工藝制成的擴散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。,3.4.4 壓阻式壓力傳感器,優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好。缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。,作用:(1)變送

15、：將被測參數(shù)成 比例轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一 信號，并能將信號一 定距離遠傳。 (2)可調(diào)量程：同一參數(shù) 的不同范圍轉(zhuǎn)換為成比 例的統(tǒng)一信號。,3.5 差壓變送器,,測壓原理:是利用轉(zhuǎn)換元件將壓力變化轉(zhuǎn)換成電容變化，再通過檢測電容的方法來測量壓力的。特點：結(jié)構(gòu)簡單（小型化、輕量化）、性能穩(wěn)定、可靠，具有較高的精度。,3.5.1 電容式壓力變送器,差動平板電容

16、器的工作原理:,差動平板電容器共有三個極板，其中中間一個電極板為活動電極板，兩端為固定電極板。電容器在初始狀態(tài)下，活動極板正好位于兩固定電極板的中間，如圖 (a)所示。此時上下兩個電容容量完全相等，其差值為零。而每個電容的容量為,當(dāng)受到外界作用，使中間的活動電極板產(chǎn)生一個微小的位移后，如圖 (b)所示。,≈,變送器構(gòu)成方框圖,電容式壓力傳感器,結(jié)論：,擴散硅壓力變送器屬應(yīng)變式壓力變送器。它是基于電阻應(yīng)變原理測量壓力的。當(dāng)電阻體在外力作用

17、下，產(chǎn)生機械變形時，其電阻值也將隨之發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱之為電阻應(yīng)變效應(yīng)。通過對電阻變化量的檢測，即可得知其受力情況。 擴散硅壓力變送器檢測部件的原理結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。它的感壓元件叫做擴散硅應(yīng)變片。其電阻布置如圖(b)所示、杯內(nèi)腔承受被測壓力p，杯的外側(cè)為大氣壓力。如用來測量差壓，則分別接 p1及p2。,3.5.2 擴散硅壓力變送器,硅杯設(shè)計時，取R1=R2=R3=R4=R ，所以此時橋路平衡時，當(dāng)壓力為零時，橋路輸出

18、為U=0當(dāng)外界有壓力時，由于四個電阻的位置經(jīng)過精確選擇，使得電阻變化量相等，即： △R1=△R2=△R3=△R4=△R 這時橋路失去平衡輸出電壓信號為：,上式表明橋路的輸出電壓與應(yīng)變電阻的變化量成正比。這個信號再經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換，變成 4~20mA 直流電流信號作為顯示和調(diào)節(jié)儀表的輸入。,,,,3.5.3 智能型壓力變送器,為適應(yīng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的要求，近年來出現(xiàn)了采用微處理器和先進傳感器技術(shù)的智能變送器，有智

19、能溫度變送器、智能壓力變送器、智能差壓變送器等。智能變送器可以輸出數(shù)字和模擬兩種信號，其精度、穩(wěn)定性和可靠性均比模擬式變送器優(yōu)越，并且可以通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與上位計算機相連。智能變送器具有以下特點：,① 測量精度高;② 具有較寬的零點遷移范圍和較大的量程比；其量 程范圍為100 : 1；③ 具有溫度、靜壓補償功能（差壓變送器）和非線 性校正能力（溫度變送器），以保證儀表精度；④ 具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向

20、數(shù) 據(jù)通訊；⑤ 通過手持通信器（手持終端）能對1500m之內(nèi)的現(xiàn) 場變送器進行遙控操作。對現(xiàn)場變送器進行各種 工作參數(shù)的設(shè)定，遠程組態(tài)調(diào)零、調(diào)量程和自診 斷，維護和使用十分方便。,以3051C 為例： 組成：傳感膜頭：被測壓力--- A/D轉(zhuǎn)換----數(shù)字信號 電子線路板：對信號進行修正，線性化處理---D/A轉(zhuǎn)換-- 4～20mA信號,3.6 壓力檢測儀表的選用,3.6.1 壓力檢測

21、儀表的選擇3.6.1.1 儀表量程的選擇被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3；被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的1/2；為保證測量準(zhǔn)確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。,3.6.1.2 儀表精度的選擇 壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。,3.6.1.3

22、儀表類型的選擇從被測介質(zhì)壓力大小來考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)對儀表輸出信號的要求使用的環(huán)境,3.6.2 壓力表的安裝,3.6.2.1 取壓口的選擇測管道靜壓應(yīng)該避開壓力擾動處、保證測量管路內(nèi)為單相流體。開孔：壓力穩(wěn)定處，即不要有閥，彎頭等阻力件。方位：液體在管道下方45度區(qū)域取壓，氣體在管道上方。,導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓差信號的。1、內(nèi)徑一般6~10mm，長度盡可能短，最長<50m。減少壓力指示遲緩。2、導(dǎo)壓管水平安裝應(yīng)保

23、證有一定角度。以便積存的液體、氣體排出。3、取壓口和壓力計之間要有切斷閥。以備檢修。,3.6.2.2 導(dǎo)壓管的鋪設(shè),,3.6.2.3 壓力、壓差計的安裝,3.6.3 壓力儀表的校驗,校驗就是將被校驗壓力表和標(biāo)準(zhǔn)壓力表通以相同壓力，比較它們的指示數(shù)值，如果被校表對于標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)誤差，不大于被校表規(guī)定的最大準(zhǔn)許絕對誤差時，則認(rèn)為被校表合格。常用的校驗儀器是活塞式壓力計，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有0.02、0.05和0