5 压力检测.ppt

5 压力检测,Contents,5.1.1 压力的单位,定义：垂直均匀地作用在单位面积上的力，用p表示。 即物理学中定义的压强。 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。 Pa帕斯卡为压力法定单位，还用有千帕（k Pa）、兆帕（ M Pa ） 其他压力单位有工程大气压、标准大气压、毫米水银柱、毫米水柱等，需进行换算。,5.1.2 压力的几种表示方法,绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力 大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力 表压力：绝对压力和大气压力之差 真空度：绝对压力小于大气压力时，表压力为负值（负压力），其绝对值称为真空度 差压：设备中两处的压力之差 实际应用时可通过测差压，间接测量流量、物位,图示各种压力表示法之间的关系,绝对零压力,绝对压力,大气压力,表压力,绝对压力,负压力(真空度),差压,pb= pi-pd,pz=pdpi,绝对压力,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,重力平衡方法： 液柱式压力计：基于液体静力学原理 。,原理：基于液体静力学原理，被测压力与一定高度的工作液体产生的重力平衡，被测压力可转换成液柱高度。如U形管压力计。,特点：,(1)基本特点：适用于低压、负压和压力差的测量，上限0.10.2MPa；精度达0.02%0.15%，可用作标准仪器；,(2)优点：结构简单，价格低；,(3)缺点：不易远传，填充液为水银，有毒，且玻璃管易碎.,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,重力平衡方法： 负荷式压力计,原理：基于重力平衡原理。如：活塞压力计，将被测压力转换为平衡重物的重量来测量。,特点：,(1)基本特点：适用于测量正压、负压和绝对压力，测压上限高,多用作校验仪表；,(2)优点：测量范围宽,如单活塞压力计测量范围达0.042500MPa、精度高( 0.01%)、性能稳定可靠;,(3)缺点：结构复杂，成本较高。,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,机械力平衡方法,原理：将被测压力经变换元件转换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量外力得到被测压力。,特点：,(1)基本特点：多用于电动和气动组合仪表中；,(2)优点：可达较高的精度；,(3)缺点：结构复杂，成本较高。,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,弹性力平衡方法,原理：利用弹性元件弹性变形的特性，变形产生的弹性力与被测压力相平衡，测变形即可知压力。,弹簧管式压力计、波纹管差压计等。,特点：,(1)基本特点：可测压力、负压、绝对压力和压差；,(2)优点：类型多，应用广。,5.1.3 压力检测的主要方法及分类,物性测量方法 原理：在压力作用下，测压元件的某些物理特性会随之发生变化的特性，压阻效应、压电效应。 分类 电测式压力计 压力变成电量，测电量知压力 其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等,5.2 常用压力检测仪表,5.2.1 弹性压力计 原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。,弹性压力计的组成框图,受力变形,位移信号变换,显示,调整仪表零点和量程,5.2.1 弹性压力计,测压弹性元件 工作原理：感受液体或气体的压力或压力差，输出位移 1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示，弹性特性具有良好线性关系。 2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系 3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面金属管，自由端位移,测压弹性元件,1)种类 弹性膜片、波纹管、弹簧管,弹性膜片,弹性特性是中心位移与压力的关系。,平膜片,波纹膜片,挠性膜片,测力弹簧,波纹管,弹性特性是封闭端位移与压力在一定的范围内成线性关系。,注意：,（1）使用应在线性段，可内加螺旋弹簧改善特性,（2）用波纹管作弹性元件的压力计，一般用于测量较低压力或压差。,测压弹性元件,弹簧管,弹性特性是自由端的位移量与所加压力的关系。,单圈弹簧管,多圈弹簧管,测压弹性元件,弹性敏感元件（弹簧管）,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动指针角位移。,其他各种弹性敏感元件,在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。,2)材料,弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，不同的材料适用于不同的测压范围和被测介质。,近年来随着新材料的出现和发展，半导体硅材料得到了更多的应用。,测压弹性元件,结构,工作过程,接头,自由端,拉杆,扇形齿轮,中心齿轮,指针偏转,指示压力,消除两啮合齿轮间隙，减小仪表变差,调整仪表机械零点,改变机械传动的连接点，调整仪表量程,被测压力,5.2.1.2 弹簧管压力计,问题：如何改变仪表灵敏度与量程？,特点,结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压，应用广泛；精确度可达0.1级。,弹簧管压力计,优点：,缺点：,只能就地指示，是现场直读式仪表。,5.2.1.3 波纹管差压计,结构,测量机构包括波纹管（1、10）、量程弹簧组（11）和扭力管（6）等。,5.2.1.3 波纹管差压计,工作过程,差压信号,低压波纹管自由端带动连杆右移,挡板推动摆杆,扭力管逆时针偏转,芯轴逆时针转,显示机构,三阀组合作用？,补偿波纹管作用？ 量程弹簧作用？,5.2.1.4 弹性测压计信号的远传方式,弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送。 电位器式：结构简单，线性化好，电位器易磨损，可靠性差。 霍尔元件式：霍尔效应，通电导体在磁场中产生电动势，在不均匀磁场中运动，输出电势对应位移。结构简单，灵敏度高，寿命长，但易受外部磁场干扰。,不均匀磁场,霍尔元件式,原理：,霍尔效应：,5.2.1.4 弹性测压计信号的远传方式,霍尔元件图,基于半导体材料的霍尔效应，将自由端的位移通过霍尔元件转换成电压信号输出。,霍尔元件输出的电势正比与磁感应强度，对应于自由端位移，由此得出被测压力值。,特点：,结构简单、灵敏度高，寿命长。 对外部磁场敏感，耐振性差。,局部放大图见右图,霍尔元件工作原理,霍尔开关,霍尔传感器,5.2.2 力平衡式压力计,原理：反馈力平衡,力平衡式压力计的基本框图,压力,位移或力,比较输出,信号转换,最终稳定输出,力平衡式压力计工作原理图,uC,p1、p2差压Fp使杠杆转动，差动电容变换器，电桥输出电压uC,伺服电动机（执行电动机），在控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。,uC经放大后，驱动（脉冲信号）伺服电机转动，带动输出轴转动指示杠杆转角的大小；另一方面使螺栓转动，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力Fxs。,当Fp的力矩与Fxs的力矩相平衡时，系统重新处于平衡状态。 力矩平衡时：输出轴转角 （螺栓旋转周数） 与压力差 p 成比例。,5.2.3 压力传感器,检测压力值并提供远传信号的装置。 常见形式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式。 5.2.3.1 应变式压力传感器 原理：基于“应变效应”，导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化 金属材料的K值约为 26，半导体材料K值 60180 应变元件可做成丝状、片状和体状,金属应变片,为材料的应变大小 k为材料的电阻应变系数,应变式压力传感器应用,各种电子秤 吊秤,高精度电子汽车衡,几种应变式测量的结构示意,各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。多应变片起到测量均衡与补偿作用。,平行双孔梁传感器,5.2.3.2 压阻式压力传感器,固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为“压阻效应”。 是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新型传感器。 硅平膜片受压变形,2019/11/17,34,可编辑,压阻式压力传感器结构示意图,利用桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系,1硅平膜片；2低压腔；3高压腔； 4硅杯；5引线,P1,P2,应力分径向应力r和切向应力t ，与位置有关，适当安排扩散电阻位置，可以组成差动电桥。,测量桥路及温度补偿,为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。 常设电桥中两个支路的电阻相等（对称互补），即 RABC=RADC=2（R+RT）故有 因此，电桥的输出为,USC=IR,电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关，不受温度的影响。,相邻桥臂应力方向相反,5.2.3.3 电容式压力传感器,利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置。 测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 电容式传感器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量。,电容式传感器应用,电容式接近开关,电容式指纹传感器,差压传感器,电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式压力传感器原理,d、S和 中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C的变化。 通过电容量测量可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化； 的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,两室结构的电容式压力传感器原理,原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化 对于差动平板电容器，其电容变 化与板间距离变化的关系为,1，4隔离膜片；2，3不锈钢基座；5玻璃绝缘层；6固定电极； 7弹性膜片；8引线,P1,P2,硅油,硅油,差动平板电容器工作原理,初始状态：两侧压力相等，可动极板位于中间。则：,测压状态：设右侧压力大于左侧，中间可动极板向左移动d。则：,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p = g h,投入式水位计,5.2.3.4 振频式压力传感器,原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力变化的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力 在一定的压力作用下，变化 后的振筒频率可以近似表示为 传感器由振筒组件和激振电路组成。 体积小，输出频率信号，精度高，适用气体测量,振筒式压力传感器结构示意 1激振线圈；2支柱；3底座；4引线；5外壳； 6振动筒；7检测线圈；8压力入口,P,振筒式压力传感器的结构示意图,特点：适用于气体压力的测量，其体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精度高，且有良好的稳定性。,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，不适应缓慢变化与静态压力。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。,5.2.3.5 压电式压力传感器,压电材料：石英晶体，压电陶瓷，压电半导体，高分子压电材料 原理：压电材料受到压力作用时产生电荷，外力去除后电荷消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系。,q为电荷量，k为压电常数 S为作用面积，p为压力,石英晶体,压电陶瓷,正压电效应（动画显示）,逆压电效应（动画显示）,压电式压力传感器结构示意,1绝缘体； 2压电元件； 3壳体； 4膜片,压电式传感器体积小，结构简单，工作可靠，不需外加电源，测量范围大，精度高。但输出阻抗高，需特殊信号传输线，温度效应大。,压电式传感器在交通监测中应用,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,压电式玻璃破碎报警器,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,5.2.3.6 集成式压力传感器,采用微机械加工、微电子集成工艺制成集成化传感器，形成各种智能仪表。 可以同时检测差压、静压、温度三个参数。,集成传感器的敏感元件示意 1温度元件；2静压元件；3差压元件；4硅杯；5固定台,集成式压力传感器组成框图,预存针对此传感器的修正公式，采入三种信号后进行处理，可以给出修正后的被测差压值、静压值以及温度值。,新型传感器：压阻式、微电容式、微谐振式 特点：重量轻、功耗低、响应快、集成化。,5.3 测压仪表的使用及压力检测系统,5.3.1测压仪表的使用 5.3.1.1测压仪表的选择 类型 测量对象、原理、使用环境、功能 测量范围 一般在量程的 1/3 2/3 估算被测压力上下限后，按压力仪表的标准系列选定量程。 测量精度 注意经济性，满足需求，工业测量在0.5级以下。,例题,有一压力容器在正常工作时压力范围为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精度等级。,解：由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设弹簧管压力表的量程为A，则根据最大工作压力有：,根据最小工作压力有：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：,要求所选仪表的相对百分误差为：,按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。,例题（续）,5.3.1.2 测压仪表的校验,仪表出厂前需检定，常用压力校验仪器有液柱式压力计、活塞式压力计或配有高精度标准表的压力泵。 标准仪表的选择原则：其允许绝对误差要小于被校仪表允许绝对误差的1/31/5。,活塞式压力校验系统 1测量活塞；2砝码；3活塞筒；4螺旋压力发生器；5工作液； 6被校压力表；7手轮；8丝杆；9工作活塞；10油杯；11进油阀；a、b、c切断阀；d进油阀,原理：螺旋压力推进器产生压力，活塞砝码重力平衡，压力表读数，校验,5.3.2 压力检测系统,一套测量系统包括测量仪表、取压口、引压管路。 5.3.2.1 取压点位置和取压口形式 取压点的选取原则： 1）