压力检测仪表(PPT 92页).ppt

3.3压力检测仪表,黄平捷huangpingjie2013年12月5日,自动化专业课程现代传感技术和过程检测系统,浙江大学控制科学与工程学系,2013年12月5日,2,过程检测系统,温度检测仪表,压力检测仪表,物位检测仪表,流量检测仪表,成分检测仪表,掌握检测技术和检测仪表共性问题、基本原理、选型、配置方法，进行自动化系统设计,2013年12月5日,3,压力检测仪表,压力检测的重要性,压力的表示方法,压力检测的主要方法和工作原理,压力检测仪表的使用与注意事项,2013年12月5日,4,压力检测与控制的重要性,保证化学反应过程的正常进行压力影响物料平衡压力影响化学反应速度保证安全生产防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸,化学反应,安全生产,2013年12月5日,5,2013年12月5日,6,主要内容,3.3.1概述压力表示方法压力检测方法及仪表的分类3.3.2液体压力计3.3.3弹性压力检测仪表3.3.4电远传式压力检测仪表3.3.5物性型压力传感器3.3.6压力检测仪表的使用问题与思考,要点各种压力检测仪表的特点选用和使用时需注意的事项准确度等级量程迁移,2013年12月5日,7,3.3.1概述,（1）压力的定义（2）压力的表示方法（3）压力检测的主要方法及压力检测仪表的分类,2013年12月5日,8,一些工程问题,压力单位帕斯卡-1N/m3巴1*105Pa1kgf/cm2公斤压力-1kgf/cm20.1MPa=100kPa标准大气压-1.01325105Pa工程大气压0.98105Pa1kgf/cm2压力检测仪表选用？类型？量程、准确度等级？压力检测系统？注意事项？量程迁移？,1公斤压力大约是多少？,如何测量压力？,2013年12月5日,9,（1）压力的定义,压力的定义（物理学中的压强）p压力单位帕斯卡（Pa）-1Pa=1N/m3（法定）工程大气压1工程大气压=1kgf/cm2=“1公斤压力”0.1MPa=100kPa物理大气压1atm=1.01325105Pa=1.033104mmH2O巴1bar=105Pa=1kgf/cm2毫米汞柱毫米水柱,atmosphere,压力单位换算表详见课本P466附录4,2013年12月5日,10,2013年12月5日,11,1巴（bar）1标准大气压（atm）=1公斤/平方厘米=100千帕（kPa)=0.1兆帕（MPa）,压力单位近似换算公式,国家统一规定的仪表准确度等级：，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，（P11）,仪表的最大允许误差=（测量范围的上限值-下限值）准确度等级100）,目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表的统一量程系列（P178)1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的10n,倍数（n为整数）。,2013年12月5日,12,压力表示方法绝对压力pa表压力p=pa-p0真空度或负压ph=p0-pa差压p=p2-p1大气压p0,工程上，一般用表压和真空度来表示压力,（2）压力的表示方法,ph,2013年12月5日,13,（3）压力检测方法及仪表的分类,根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式充水或水银等的玻璃U形管或单管(2)弹性式根据弹性元件受力变形的原理，将压力转换成位移如：弹簧管、膜片和波纹管等(3)电远传式将与被测压力成正比的敏感元件（弹性元件）的位移转换为电信号输出，实现信号的远距离传输。如力平衡式、电容式、霍尔式。(4)物性型在压力的作用下，敏感元件的某些物理特性发生变化。应变式、压阻式、压电式等。均有电远传功能。还有：活塞式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平衡砝码的质量来进行测量。（测量精度较高，0.050.02，一般用作标准表）,2013年12月5日,14,绝压表、真空表、气压表、差压计统一称为：压力表等术语,2013年12月5日,15,3.3.2液体压力计,（1）工作原理（2）误差分析温度：标尺长度、工作液密度安装：安装不垂直重力加速度传压介质：密度（引压管高度差、温度、溶解和化学反应）读数：毛细现象（3）使用注意事项重力加速度垂直安装：否则修正工作液选择：相溶或发生化学反应；P密度大的瞬时工作压力不可超过量程,2013年12月5日,16,特点：直观、可靠、准确度较高等，只能测量较低的压力或差压，易破损，只能进行现场指示。,误差来源主要有：温度误差由环境温度的变化引起工作液密度变化。如水温度1020，密度从999.8-998.3kg/m3(0.15)安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。传压介质误差（对工作液产生压力；温度）读数误差（毛细现象）,液体压力计,p2=p1+gh,2013年12月5日,17,U形管,2013年12月5日,18,注意事项：gh垂直被测介质不反应，高压，低压被测瞬时压力值不可超过测量范围,2013年12月5日,19,3.3.3弹性式压力检测仪表,（1）弹簧管压力表（2）波纹管差压计（3）其它弹性式压力表膜片式膜盒式,原理动画,用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统称弹性式压力表。,2013年12月5日,20,弹簧管压力表,螺旋弹簧管、盘簧管,波纹管,双波纹管压力表,膜片式,膜盒式,金属膜片,2013年12月5日,21,弹性式压力检测,弹簧管简单、方便、便宜，测量范围宽，可以测量负/微/低/中/高压，应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。膜片可直接带指示机构，更多是和其他转换元件结合把压力转换成电信号。波纹管位移相对较大，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），迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。,膜片,波纹管,弹簧管,2013年12月5日,22,2013年12月5日,23,弹簧管和弹簧管压力表,横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形）圆弧状(中心角常为270)空心管子,一端封闭(自由端)，一端开口(固定端),介质从开口端进入弹簧管内腔非圆截面使它变圆并伴伸直的趋势自由端产生位移.中心角改变量和压力有关：,式中0为弹簧管中心初始角；为受压后中心角改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,2013年12月5日,24,1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,单圈弹簧管自由端位移量一般很小，需要放大机构，也可采用多圈弹簧管（原理与单圈管相似）,单圈弹簧管压力表是最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出）,简单、方便、便宜、测量范围宽,一般工业用弹簧管压力表的精度多为1.5或2.5级，最高可达0.15级,2013年12月5日,25,高压,低压,补偿,2013年12月5日,26,3.3.4电远传式压力检测仪表,一般弹性式压力仪表的不足现场安装就地指示电远传式压力检测仪表将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传压力传感器压力变送器,2013年12月5日,27,力平衡式压力变送器,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒(膜片),杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,构成框图,气动140kPa气源，20100kPa空气压力信号电动DDZ-II(I:220VACO:010mA)DDZ-III(I:24VDCO:420mA),2013年12月5日,28,DDZ-III型差压变送器,检测部分:P输入力Fi,杠杆系统:力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器:位移输出Io,电磁反馈装置:输出反馈力Ff,2013年12月5日,29,(1)测量部分,差压P输入力Fi,(A1=A2=Ad),=Ad(P1-P2)=AdP,Fi=A1P1-A2P2,2013年12月5日,30,(2)杠杆系统,进行力的传递和力矩比较,主杠杆,将Fi转换为F1,矢量机构,将F1转换为F2,副杠杆,将F2产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，生成位移变化,z,z,2013年12月5日,31,主杠杆,将Fi转换为F1F1作用于矢量机构上,2013年12月5日,32,矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2,2013年12月5日,33,副杠杆,进行力矩的比较,F2产生的力矩,Ff产生的力矩,合力矩,调零力Fz产生的力矩,最终的合力矩,z,z,2013年12月5日,34,(3)电磁反馈装置,作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff,Ff=KfI0,Kf可实现3：1的量程调整,2013年12月5日,35,(4)整机特性,回放,2013年12月5日,36,2013年12月5日,37,1.I0和P间呈线性关系,2.调整调零弹簧Fz可以使I0在P0时为4mA,3.改变tg或Kf可以调整变送器的量程,4.零点和量程要反复调整,2013年12月5日,38,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,p,C,Ii,If,Iz,Io,测量部分,转换放大部分,2013年12月5日,39,P=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,2013年12月5日,40,P=0,S1=S2=S0,P0,S1=S0S2=S0,P+,P,2013年12月5日,41,2013年12月5日,42,供参考,2013年12月5日,43,框图,供参考,2013年12月5日,44,电容式压力（差压）变送器在工业现场应用非常广泛，其输出信号也是标准420mADC电流信号。,传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是由弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在空腔中充满硅油。电容式差压变送器没有机械结构，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。,2013年12月5日,45,2013年12月5日,46,3.3.5物性型压力传感器,测量原理基于物质定律基础上，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分类应变式压阻式压电式,2013年12月5日,47,物性型压力检测应变片压力(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：,当电阻体受外力作用时，电阻体的长度l、截面积S或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化（l、S）引起阻值变化称为应变效应。此时的电阻体称为应变片应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。因电阻率变化（）引起阻值变化称为压阻效应。,2013年12月5日,48,物性型压力检测应变片压力/差压变送器,应变片r1和r2用贴在应变筒的外壁r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片r2沿径向贴放，作为温度补偿片。r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受压时，r1产生轴向应变，阻值变小r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大（r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿）,2013年12月5日,49,R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。,不受压时r1=r2=r0R3=R4=r,若应变片受压，则：r1=r0+r1；r2=r0+r2(r1r2),2013年12月5日,50,受压时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出环境温度变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥平衡如果仪表能把Ui进一步转换为标准输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器,应变片式压检测仪表（多属于中低档产品）具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量虽有温度补偿，仍有比较明显的温漂和时漂，测量精度一般在0.51.0左右。,2013年12月5日,51,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半导体材料的压阻效应比较明显传感器基片材料主要为硅片和锗片扩散硅压力检测仪表应用广泛,2013年12月5日,52,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,2013年12月5日,53,整机电路图,+,RETURN,供参考,2013年12月5日,54,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,2013年12月5日,55,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,2013年12月5日,56,测量部分电压转换,受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,2013年12月5日,57,结论：体积小，结构简单，精度一般比应变片式仪表高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。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。也存在温度效应，容易受环境温度的影响，但比应变片式仪表好,2013年12月5日,58,物性型压力传感器小结,2013年12月5日,59,3.3.6压力检测仪表的使用,两个注意事项压力仪表的选用取压点及引压管路的设计取压口引压管路常用附件特殊介质的取压方式,量程准确度等级类型,生产工艺对压力检测的要求被测介质的特性现场使用环境,2013年12月5日,60,压力仪表的选用,仪表量程的选择被测压力较稳定：P工作maxP量程max3/4被测压力波动大：P工作maxP量程max2/3P工作minP量程max1/3若P工作max和P工作min难同时满足，先P工作max条件仪表准确度等级的选择仪表的基本误差实际被测压力允许的最大绝对误差MAX节约原则，满足要求即可所选仪表的相对百分误差：MAXMAX/1100%仪表类型的选择,量程系列(p178)：1kPa，1.6kPa，2.5kPa，4.0kPa，6.0kPa，以及它们10n倍数准确度等级(p11)：,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2013年12月5日,61,仪表类型的选择被测介质的性质对仪表