第二节压力检测及仪表

1、山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表电动压力（差压）变送器电动压力（差压）变送器弹簧管压力表弹簧管压力表乙炔表乙炔表电接点压力表数字压力表数字压力表山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 在工业生产过程中，特别是在化工、炼油等生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。 如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。 此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位、

2、流量等往往是通过测量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便可确定物位或流量。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室压力检测仪表的内容压力检测仪表的内容一一、压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表二二、弹性式压力表弹性式压力表三三、电气式压力表电气式压力表四、压力变送器压力变送器五、压力表的选择与安装压力表的选择与安装山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室一一、压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表压力是指垂直作用在单位面积上的力压力是指垂直作用在单位面积上的力SFPP 表示压力F 表示垂直作用力S 表示受力面积2a1m1N1P 1MPa= 103 KPa1K

3、Pa= 103 Pa山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室1、大气压力、表压力和绝对压力、大气压力、表压力和绝对压力大气压力是大气作用在地球表面的压力。绝对压力的零线大气压力线绝P绝P表P真P大气压力绝对压力表压PPP绝对压力大气压力真空度PPP山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室压力的测量方法及压力表的分类压力的测量方法及压力表的分类1、用已知压力去平衡未知压力的方法、用已知压力去平衡未知压力的方法（平衡法（平衡法 ）2、用弹性元件的弹性力与被测介质的作用力相平衡的测、用弹性元件的弹性力与被测介质的作用力相平衡的测 量方法量方法 （平衡法）（平衡法）液柱

4、式压力计U 型管式压力计单管式压力计斜管式压力计弹性式压力计弹簧管式单圈式多圈式膜盒式波纹管式活塞式压力计 平衡介质是砝码平衡介质是工作液山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室3、用通过机械和电气元件把压力信号转换成电量的测量、用通过机械和电气元件把压力信号转换成电量的测量 方法方法 （偏差法）（偏差法）电气式压力计霍尔式应变片式扩散硅式力平衡式电容式智能式另外还可用测量范围分类 压力表、微压计、真空表。用精度等级分类 精密表、标准表、工业用表用安装及指示特点分类 基地式（现场）压力表、远传 压力表、 指示型压力表、记录 型压力表等。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化

5、工系仪表教研室 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。结构形式：U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。 特点：结构简单、使用方便。 缺点：精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量校低压力、真空度或压力差。 1、液柱式压力计液柱式压力计山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室（1）U型管式压力计型管式压力计 U型管式压力计是由带有刻度的U型玻璃管和工作液组成。)hg(hghPP21A当g为常数时f(h)P因此可以用工作液的液位高度H表示压力P的大小。PA0（大气压）山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室由于U

6、型管压力计存在二次读数问题，我们可以用单管式压力计。U型管压力计可以用来侧压力P也可以用来测差压 PPPA（2）单管式压力计）单管式压力计)hg(hghPP21A221hhh2ghghPPA0山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室（3）斜管式压力计）斜管式压力计gLsinghP2f(L)P因为Lh因此提高了仪表的灵敏度。一般我们可以用斜管式压力计斜管式压力计测微压。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室液柱式压力计在读数时应当注意：对于侵润型工作液（水、酒精等）应在最低点读数（切线）对于非侵润型工作液（水银）应在最高点读数（切线）山东师范大学化工系仪表教研室

7、山东师范大学化工系仪表教研室二、弹性式压力计二、弹性式压力计 弹性式压力计是以弹性元件受压后所产生的弹性形变为测量基础的。特点：结构简单，使用可靠，读数清晰，价格低廉，测量范围广有足够精度之优点。另外增加附加装置，可实现压力的记录，远传、信号报警、自动控制等。在工业上应用最广。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室1、弹性元件 弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件，其作用是将压力信号转换成位移信号。 当测量范围不同所用的测量元件也不一样。常见的弹性元件有；弹簧管、膜片、膜合和波纹管。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室2、弹簧管式压力计、弹簧管式压力计（1

8、）弹簧管压力表的组成P弹簧管二次放大系统指针、面板XP（2）弹簧管压力表的工作原理 弹簧管的作用：将压力信号P转换成位移信号X扇形齿轮、中心齿轮组成二次放大系统，其作用是：将位移信号X放大成角位移指针、面板是指示部分，其作用是指示压力P山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室一端为密封端（自由端），另一端为敞开端（固定端）。当压力作用于弹簧管内部时由于弹簧管的特殊结构，在自由端就会产生位移，且位移量与压力成比例，如能测出位移量，就能测出压力的大小。截面为扁圆或椭圆的空心管子，将其弯成2700，（1）弹簧管山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室弹簧管产生位移的条

9、件： a、截面为椭圆或扁圆的空心管子。 b、要弯成一定弯度，一端密封（自由端）一端敞开（固定端）c、管内压力不为零。 （2）二次放大原理 二次放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。 弧放大角放大山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室i、弧放大 LXab X为弹簧管产生的位移量 L为放大后的位移量 XLab1KxabL山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室ii 角放大角放大是通过扇形齿轮和中心齿轮实现的。 显然： 为中心齿轮产生的角位移 为扇形齿轮的圆心角 c 为中心齿轮的半径 cb= cb 将 = X 代入= a1cb则kkkc1aba1cb21调整a 即可调

10、整放大系统的放大倍数。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室三、电接点压力表 电接点压力表就是在普通弹簧管压力表的基础上，增加了一个动触点，两个静触点。常用于压力测量、压力报警和压力控制。 应用电接点压力表，可以将压力控制在一定范围内。maxminPPP可以调整压力下限和压力上限两个静触点。指针连接动触点。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室当压力 时，上限报警电路接通，上限报警灯亮maxPP 当压力 时，下限报警电路接通，下限报警灯亮minPP 这样就实现了压力的测量与报警。例如 压力测量与报警系统山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室

11、三、电气式压力表三、电气式压力表把压力信号转换成电信号输出，然后测量电信号的压力表叫电气式压力表。测量范围 MPa105Pa1072-5允许误差0.2%主要是介绍压力传感器：霍尔式、应变片式、压阻式、压力变送器：力平衡式、电容式、扩散硅式山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室1、霍尔片式压力传感器（1）霍尔效应 将通有电流的半导体片放入磁场中，当磁力线穿过半导体片时，在半导体片的两端会产生电动势。称此电动势为霍尔电势，半导体片叫霍尔片，此物理现象叫霍尔效应。Y方向加电场Z方向加磁场X方向产生电动势山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室BIRUHHUH 霍尔电

12、势RH 霍尔常数B 磁感应强度I 电流强度若 RH、I 均为常数 则 UHf (B)当确定了霍尔片的材料、几何形状后，RH 就是常数当采用恒流源供电 I 也为常数。 那么霍尔式压力传感器如何将压力的变化转换成磁感强度B的变化呢？山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室霍尔效应，是由美国地质学家，古生物学家。 科学家爱德文霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室（2）霍尔压力表的组成电流表弹簧管磁靴系统霍尔片U/I 转换器PXBUHI (420mA)PPUH 传感器P I 变送器

13、P P 压力表山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室（3）磁靴系统BX1/2X0-1/2X0X00KX 0X1/2X00 X=0-KX -1/2X0 X0 霍尔片右移H2H1UU0UH当压力P0 霍尔片左移H2H1UU0UH测正压测真空山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室思考题： 某压力容器压力的工作范围是0160KPa，当压力为83KPa时，若用霍尔片式传感器测量（020mV)电压表的指示值为 毫伏 ，若用霍尔片式压力变送器测量（420mA)电流表的指示值为 毫安。解：根据公式KPBIRUHH当P 160KPa时 UH 20mV K0.125当P=83时

14、 UHKP10.375（mV ）12.3mAmA 416PminPmaxPminPI山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室2、应变片式压力传感器（1）、应变效应 导体或半导体材料受外力的作用压缩或拉伸后，会影响其电阻值的变化。这种物理现象叫应变效应。 SLR当受压时 L SR当拉伸时 LSR 这样就把力的变化转换成电阻的变化了。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。2rLR山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研

15、室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室（2）、应变式压力计的组成传感筒电桥毫伏计Pr1r2UabP应变式压力传感器（3）、应变片式压力传感器的工作原理 1、应变筒 2、外壳 3、密封膜片（不锈钢） r1、r2 用康铜丝绕成的应变片阻值 r10r20 320r1 用缩醛胶沿应变筒轴向贴放。(0.015-0.05mm) 山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室r2 用缩醛胶沿应变筒经向贴放。 粘结时注意：（1）应变片与应变筒无相对滑动现象。（2）应变片与应变筒保证电气绝缘。当压力P时r1受拉伸阻值增大r2受

16、压缩阻值减小r1= r10+r1r2= r20r2这样通过压力传感器将压力的变化，转换成r1、r2电阻的变化。 山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室应变片的粘贴应变片的粘贴山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：采用手去污：采用手持砂轮工具除去构件持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加叉打磨出细纹以增加粘贴力粘贴力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表

17、教研室 2.2.贴片：在应贴片：在应变片的表面和处理变片的表面和处理过的粘贴表面上，过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘各涂一层均匀的粘贴胶贴胶 ，用镊子将，用镊子将应变片放上去，并应变片放上去，并调好位置，然后盖调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡 。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 3.测量测量 ：从分开的端子从分开的端子处，预先用万处，预先用万用表测量应变用表测量应变片的电阻，发片的电阻，发现端子折断和现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 4.焊接：

18、焊接： 将将引线和端子用烙铁引线和端子用烙铁焊接起来，注意不焊接起来，注意不要把端子扯断。要把端子扯断。 山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 5.固定：固定： 焊接后用胶布焊接后用胶布将引线和被测将引线和被测对象固定在一对象固定在一起，防止损坏起，防止损坏引线和应变片。引线和应变片。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室电桥 电桥的作用就是将r1、r2的变化转换成桥路的不平衡电压的输出Uab电源电压为 U10V DCr3、r4 为桥路固定电阻（金属膜电阻）当压力 p在PminPmax 变化时UAB输出05mv山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系

19、仪表教研室)r(r)rrEI2201101（432rrEI)r(r)r(r)r(rEC)r(rI -rIU220220110220142AB)r ,(r f U )r,r( fU21AB21AB或C、E、r10、r20均为常数当压力作用时：山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室r2的温度补偿作用 因为应变片是用铜材料双向无感绕制的，当应变片所处的温度发生变化时，会影响应变片的电阻值的变化。从而产生测量误差。 根据测量原理，只有应变片r1就可以满足测量要求，为什么在相邻的桥臂上还要粘贴r2呢？r2的作用是用来对r1进行温度补偿。)t -(t 1rr010t1rt1 环境温度为t

20、时的电阻值r10环境温度t=t0时的电阻值C1025. 43铜电阻的温度系数山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室因为r10、t0、 均为常数，所以应变片电阻r1是环境温度t的函数。(t) fr1根据应变效应，r1还是被测压力P的函数。(P) f r1因而P)(t, fr1 这样不管是被测压力变化还是环境温度变化，均可以使r1变化，必然要产生测量误差。要想保持应变片电阻与被测压力的单值对应关系，必须要消除环境温度对应变片电阻的影响，因此要对r1进行温度补偿。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室将r2接在与r1相邻的桥臂上。由于r2与r1的材料、几何形状相同

21、，当环境温度t变化时，由温度变化产生的电阻变化相等，因而会相互抵消。3t224t11)rr(r)rr(r当压力p=0时，电桥平衡由于 r3= r4t2t1rr可以相互抵消，使之与环境温度变化无关。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 压阻式压力传感器是利用半导体的应变效应，采用单晶压阻式压力传感器是利用半导体的应变效应，采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅片上采用集成电路的工艺在单晶硅片为弹性元件，在单晶硅片上采用集成电路的工艺在单晶面的特定方向扩散一组等值电阻。并将电阻接成桥路。面的特定方向扩散一组等值电阻。并将电阻接成桥路。 当压力发生变化时单晶硅片变形，半导体当压力发生变

22、化时单晶硅片变形，半导体因受压因受压引起阻引起阻值变化值变化称为称为压阻效应压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。半导体材料的压阻效应比较明显。 用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。泛的使用。 山东师范大学化工系仪表

23、教研室山东师范大学化工系仪表教研室构成框图：构成框图：扩散硅扩散硅电桥电桥VI转换转换PRABCDUSIO山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室把被测差压把被测差压P成比例地转换为不平衡电压成比例地转换为不平衡电压US 1.负压室负压室 2.正压室正压室 3.硅杯硅杯4.引线引线 5.硅片硅片RARBRCRD山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室RARBRCRDUSRARDRBRCIS不受压时：不受压时：RARBRCRDR山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室 US RARDRBRCIS受压时：受压时：RARDr1RBRCr224()2ii

24、SSRRIU21()2Srr I受压时，流经受压时，流经2桥臂的电流始终相等桥臂的电流始终相等P1K P山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室RA、RB、RC、RD为应变电阻US桥路输出电压。50-100mV 通过集成运放IC和三极管BG在RL上输出420mA的电流信号。当压力最小时Pmin,桥路输出电压US最小，此时 电流I0= 4mA当压力最大时Pmax,桥路输出电压US最大，此时电流I0=20mA。R0、R1为调零电阻，使I1=I2=0.5 mA。I=1 mA。BG电流Ie=319 mA。I0= I+Ie(mA)特

25、点：精度高，工作可靠、频率响应高，迟后小、尺寸小、重量轻、结构简单。 416PPPPIminmaxmin0山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室PASBR0VE以下是电阻式远传称重仪：以下是电阻式远传称重仪：3个方案中你认为那一个更合理？为什么？（A）（C）PASBR0VE（B）思考题思考题EPASBR0A山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室思考题思考题r1r2山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室压力表的选用依据：1、工艺对压

26、力的测量要求（量程、精度、现场测量还是远传、是否需要报警、记录等）2、被测介质的物化性质（温度、粘度、是否有毒、有腐蚀性、是否易燃易爆等）3、现场安装条件（温度、粉尘、振动、腐蚀、易燃易爆等）山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室被测参数的正常值一般要求工作被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程在仪表量程1/32/3为宜。（经验为宜。（经验要求而已）要求而已）山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室9(MPa). 06 . 023P23Pmax工上验证MPa)33. 00 . 131P314 . 0Pmin（上工量程选择合适。山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室注意：在量程一定的情况下，用最小工作压力选注意：在量程一定的情况下，用最小工作压力选择的精度高。若用最大工作压力选择的精度，在择的精度高。若用最大工作压力选择的精度，在最小工作压力时，不能满足误差要求。最小工作压力时，不能满足误差要求。MPa016. 0%44 . 0max%6 . 1%10001016. 0山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室山东师范大学化工系仪表教研室