参数检测的般方法与压力测量.ppt

第一节参数检测的一般方法和原理,一、自然规律,守恒定律场的定律物质定律统计法则,第一节参数检测的一般方法和原理,一、自然规律,1.守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、动量守恒、电荷量守恒等等。例如：比托管流量计、孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化(能量守恒)来测量流体的流速。参见P23,第一节参数检测的一般方法和原理,一、自然规律,2、场的定律:是关于物质作用的定律,如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容传感器。C=S/d两平行板间物质的介电常数，S平行板面积，d两平行板之间的距离。、如果把一个极板固定，把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连，即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小。、改变面积测物位。,第一节参数检测的一般方法和原理,一、自然规律,3.物质定律是关于各种物质本身内在性质的定律、法则、规律。如电阻的热阻效应，温度变化其电阻会变化。4、统计法则是利用统计方法把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。,二、参数检测的一般方法参数的检测是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示参数检测一般可分为：光学法力学法,热学法电学法声学法磁学法射线法,压力测量,三种压力表示方法,绝对压力pa表压力p负压或真空度ph,3.1压力的表示方法,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。,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。,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力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。,3.2压力检测方法的分类,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的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)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测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。,(3)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表，如电阻、电荷量等。(4)负荷式压力检测它是根据静力平衡原理进行测量，典型仪表有活塞式、浮球式和钟罩式三种。,3.2压力检测方法的分类,3.3液柱式压力检测,液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量。,特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：1、温度误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10变到20时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。2、安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如若倾斜5，读数误差约0.38。,液体压力计的误差,3、重力加速度变化误差；4、传压介质误差:传压介质是指工作液上方的介质（一般是气体），当U形管两个引压管的高度差相差较大，而气体的密度又较大时，引压管内传压介质对工作液的压力作用会引起测量误差。5、读数误差；,其他液柱式压力计,测量原理：P=h所以h=P/,单管压力计：P=P0+gh,P0,P,斜管压力计：P=P0+gh,P,P,P0,P,P0,P,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。,特点：应用范围广、结构简单、稳定可靠、准确度高、重复性好、用途：1、用作检验、检定压力表和压力传感器的标准仪器2、标准压力发生器,3.4负荷式压力检测,活塞式压力计测量原理：P=G/S所以G=PS精确度高，允许误差可以小到0.050.02。常用作标准仪表，检验其它压力计参见下图,活塞式压力计,活塞式压力计,1、手轮2、手摇泵3、活塞4、被校压力表5、7、切断阀8、标准压力表9、贮油杯、10、测量活塞、11、砝码托盘、12、砝码压力表的示值：P=(m1+m2)g/AP-被测压力；m1-活塞及托盘的质量；m2-砝码质量；A-活塞承受压力的有效面积；g-重力加速度,10,12,11,活塞式压力计,活塞式压力计误差分析1、重力加速度的影响：重力加速度与所在的海拔、纬度有关；2、空气浮力的影响：空气对砝码会产生浮力；3、温度变化的影响：当环境温度不是20度时，要引入温度修正因子；,活塞式压力计,浮球式压力计浮球式压力计的用途：在气体压力仪器仪表的生产、科研和各级计量检定、校准机构使用。可用于测量各种气体压力，大多用来检验各种气体压力测量仪器仪表。特点：传压介质是压缩空气，克服了活塞式压力计因油的表面张力、粘度等产生的摩擦力，也没有活塞式压力计的漏油问题，特别适用于禁油类压力计和传感器的检定。组成：浮球、喷嘴、砝码支架、专用砝码、流量调节器、气体过滤器、底座、水平调节器等。,工作原理：浮球式压力计是以气体作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计。精密浮球置于气流喷嘴内部，专用砝码通过砝码架作用在浮球体的顶端，当喷嘴内的气体压力作用在浮球体下部时，会使浮球在喷嘴内飘浮起来。在浮球处于飘浮状态下时，专用砝码质量所产生的重力与气压的作用力相平衡，浮球式压力计便输出一个稳定而精确的压力值。,3.5弹性式压力检测,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。,膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。位移较小，灵敏度低，精度一般为2.5级。波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽。仪表精度最高可达0.15级。,弹簧管和弹簧管压力表,弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270）的空心管子。,管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。,弹簧管和弹簧管压力表,位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；,1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弹簧管压力表,弹簧管自由端的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管。,弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压。,精度等级一般为1.5级或2.5级,电接点压力表在普通弹簧管压力表的基础上改进而成，除能就地显示外，还能进行上限值与下限值的报警。,电磁效应:衔铁在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。,电磁继电器,电磁继电器,波纹管差压计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,双波纹管压力表,结构：膜片式压力表由膜片部件，机芯部件，指针部件及外壳连接部件四大部分组成。原理：膜片式压力表是膜片作为仪表的弹性元件，当被测介质的压力作用到膜片上，仪表的弹性元件（膜片）产生与压力大小成正比的弹性变形位移，借助连杆经传动机构放大，由指示装置指示被测压力值,膜片压力表,膜片压力表,技术特点：测量范围：-40-+40KPa精确度等级：2.5级使用环境温度：-40+70；工作位置：垂直安装。适用于测量有一定腐蚀性、粘稠性质和非结晶或非凝固的各种流体介质的压力或负压。,膜片压力表,膜盒压力表,工作原理:膜盒在被测介质的压力作用下，其自由端产生相应的弹性变形，再经齿轮传动机构的传动，由固定于齿轮轴上的指针逐将被测值在仪表盘上指示出来。,技术特点1.膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的压力，压力测量范围为2040kPa.2.仪表的准确度等级一般为1.52.5级。,膜盒压力表,隔膜压力表,隔膜压力表,结构:1.表头(弹簧管、拉杆、齿轮传动放大机构、指针、表盘、外壳等）2.膜座3.隔离膜片4.连接体,隔膜压力表,主要技术指标精度等级：1.5-2.5级隔膜表的耐腐蚀性：选择合适的隔膜、法兰、密封圈测量范围：0.10/0100Mpa安装方式：螺纹连接式、法兰连接式等,隔膜压力表常见故障及原因,多数就地式压力表共同问题压力表无指示原因：1弹簧管破裂2表头内机械传动机构失灵或被卡住,隔膜压力表常见故障及原因,指针不回零原因：1.游丝力矩不足2.指针松动3.零点未校正4.弹簧管变形5.机芯固定位置不当,指针跳动原因：1.表头内机械传动部分配合不好,间隙有异物2.齿轮和轴变形3.弹簧管自由段拉杆活动受阻4.游丝外圈与零件相碰5.连杆与扇形齿轮间的活动螺丝不灵活,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生应变变形时，其阻值改变，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,应变片压力传感器示意图,r1,r2应变电阻r3,r4应变电阻,应变片压力传感器,四、电气式压力检测,压电式压力传感器,压电效应：电荷量与压力成正比,石英晶体的压电效应演示,技术特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，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,霍尔压力变送器,霍尔效应：1.Y方向，有恒定的电流I通过2.Z方向，有恒定的非均匀的磁场B3.由于受电磁力的作用，电子运动的轨迹发生偏移，造成霍尔片的一个端面电子积累，另一端面正电荷过剩，这样在X方向上形成一个电位差，这一电位差称为霍尔电势。,霍尔电势：Vh=RhBIVh:霍尔电势，大小约几十mV；Rh：霍尔常数，单位：mV/mA(千高斯)I：控制电流（通过霍尔片的电流），大小约3-20mAB:垂直作用于霍尔片的磁感应强度，一般为几千高斯,霍尔压力变送器,霍尔压力变送器,将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器。,1弹簧管；2磁钢；3霍尔片,当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。,霍尔压力变送器,注意,霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。,P=0Ci1=Ci2,P0Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大,差动电容测量原理,电容式差压变送器,压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。扩散电阻正常工作需依附于弹性元件（常用的是单晶硅膜片）。测量电路：四个扩散电阻组成全桥路电路,构成框图：,扩散硅压阻传感器,前置放大器,调零电路,VI转换,P,US,U01,UZ,IO,检测部分,电磁放大部分,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1.负压室2.正压室3.硅杯4.引线5.硅片,测量部分惠斯顿电桥,US,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,测量部分电压转换,US,受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,结论：流经两个桥臂的电流始终相等；计算如下：,US,US,技术特点：1、压阻式压力传感器主要优点是体积小，结构简单。2、扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。3、压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。4、缺点是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，要采用温度补偿电路，提高传感器的性能。,压力检测仪表的选用和安装,选用安装,压力检测仪表的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3（3/4）测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1/2测量高压压力（4MPa以上）：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3,仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10的整数倍率。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,量程,仪表精度,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应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：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，设仪表量程为0AMPa，则,根据工作压力的要求：,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：max=0.4*4%=0.016MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金（氨气对铜的腐蚀性极强）；,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,输出信号类型,仪表类型,使用环境,1.对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表或非电气压力表；2.对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,仪表类型,举例,例某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为,根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。,例某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。,根据测量误差的要求，可算得允许误差为,结论：选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,例某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,讨论题,有一气体储罐最大工作压力为5MPa，当储罐压力失控，出现超高压7MPa时，工艺配置了7.5千瓦的排风机紧急泄压，试设计一个压力安全联锁仪表系统并画出电气联锁图？,压力检测仪表的安装,三方面内容：,一般压力检测仪表的安装压力变送器（差压变送器）的安装特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点：压力仪表必须经检验合格后才能安装压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰,压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正导压管的粗细合适，一般为610mm，长度