第3章 压力测量

1、华中科技大学控制系测控所*测控技术与系统测控技术与系统第三章 压力测量 物性测量仪表测控技术测控技术与系统与系统一、压力的基本概念一、压力的基本概念一、压力的基本概念工程压力概念压力是生产过程的重要参数之一，工程中所指的压力是垂直而均匀的作用于单位面积上的力。和物理学上的压力的区别？SFp测控技术测控技术与系统与系统动压力是流速的函数流体的压力:生产过程中通常测量的是测定流体压力。测控技术测控技术与系统与系统二、压力的分类二、压力的分类 通常按所取的基准点不同，压力可分为：绝对压力以绝对真空为基准点表压力以当地大气压为基准点差压两压力的差值测控技术测控技术与系统与系统三、压力的单位三、压力的单

2、位22225 帕斯卡(Pa)“牛顿/米 ” 工程大气压“Kg/cm ” 标准大气压温度为0，纬度45度海平面处大气压 毫米水柱(mmH2O)，毫米汞柱(mmHg) 巴(bar) 1bar = 1105 帕斯卡 磅/英寸 Psi，英制单位测控技术测控技术与系统与系统1、液体压力平衡法通过液体产生和传递压力来平衡所测 压力的方法，通常采用水或水银作为介质制成液柱式压力计。结构简单，精度也较高，但是测量范围有限。2、机械力平衡法将被测压力转换为一个集中力，并用一个外力来平衡这个集中力，并通过测量所用外力的方法来测量压力。精度高，但结构复杂。3、弹性力平衡法弹性力平衡法利用弹性元件受到压力作用后产生变

3、形，当平衡时通过测量弹性元件的变形或者应变来测量压力的方法。由于容易转换为电信号，并且通过有效的电路处理，也可以达到较高精度，是当前应用最广泛的方法。弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管。4、电子式压力检测利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量，如电阻、电荷量等。5、活塞式压力检测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法码的质量。被用作标准仪器对压力仪表进行校准和检定。（第1章part2）四、压力的基本测量方法四、压力的基本测量方法测控技术测控技术与系统与系统（一）液柱式压力计（一）液柱式压力计U型管压力计关于误差的考虑：1、高度的测量误差2、密度的误差3、重力加速度的误

4、差4、温度影响5、安装误差U型管压力计单管式压力计斜管式压力计例：U型管压力计21ppp测控技术测控技术与系统与系统被测压力作用于弹性元件波纹管的外部，使波纹管产生一个集中力，用电磁力平衡该压力，通过控制系统的平衡，并测量所用的电磁力来测量所测压力。其中：IC为放大器输出电流K为比例常数F0为被测压力产生的集中力IC= K F0（二）力平衡式压力计（二）力平衡式压力计测控技术测控技术与系统与系统弹性式压力计是压力测量中应用最广泛的一种。弹性元件的形式有：单圈弹簧管、多圈弹簧管、波纹管、平膜片、波纹膜片、扰性膜等其中，弹簧管式由于精度高、测量范围宽等优点，应用最广泛。典型弹性元件示意图（三）弹性

5、式压力计（三）弹性式压力计平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管测控技术测控技术与系统与系统1、基本测量原理：受力：其中：A为有效面积，C 为刚度系数当位移量较小时，二者均可视为常数，压力与位移成线性关系。但是在比较大的范围内，一般都不是常数，需要进行非线性校正。F=Ap位移：pCACFx测控技术测控技术与系统与系统2、膜片式压力计结构：根据位移转换的方式不同，可以实现：电容式压力传感器光纤式压力传感器 光纤式压力传感器：由于光纤可以实现数据的远传， 抗干扰性能好，所以可以在许多特殊的场合使用， 比如微波环境，条件恶劣的环境（如油井）等， 具有很好的发展前景。测控技术测控技术与系统与系统光纤式

6、压力传感器基本原理：采用光纤及其调制机构实现“位移光强”的转换，当入射光纤的光束照射到膜片上，其反射光的一部分被接收光纤1和光纤2接收，其光强 I1 和 I2 分别是 x1 和 x2 以及光纤至膜片间的距离 d 的函数。选取适当的比值x1 /x2 ，则光强比值 IlI2随被测压力线性下降。进一步用光电转换元件以及有关电路处理，可把光信号转换成电信号。用光纤调制方法实现位移-光强转换测控技术测控技术与系统与系统3、弹簧管压力计以单弹簧管压力计为例：其中心角的变化量和压力之间存在函数关系：f(p)222220)1(1kabbhREp单圈弹簧管结构单圈弹簧管结构测控技术测控技术与系统与系统根据以上原

7、理制成的弹簧管压力计结构如图所示，其机构设计为将转变为仪表指针的角度变换。为了增大仪表的灵敏度，用多圈弹簧管可以增加 。弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表的精度等级最高为o.15级。弹簧管压力计弹簧管压力计1-弹簧管；弹簧管；2-控杆；控杆；3-扇形齿轮；扇形齿轮；4-中心齿轮；中心齿轮；5-指针；指针；6-面板；面板；7-游丝；游丝；8-调节螺钉；调节螺钉；9-接头接头测控技术测控技术与系统与系统可分为三种基本类型1. 压电式压力传惑器：压电效应 弹性体 压电材料 压力力电荷2. 应变

8、式压力传感器：应变效应应变效应 弹性体 应变片 压力应变电阻3. 压阻式压力传感器：压阻效应压阻效应 弹性体 硅电阻 压力力电阻（四）电子式压力计（四）电子式压力计新型新型测控技术测控技术与系统与系统1、应变式压力传感器切向应变：基本原理：弹性元件圆形膜片受压力产生弹性形变后，在其上将产生径向应变和切向应变：径向应变：)3)(1(8322022rrEhpr)(1(8322022rrEhpt测控技术测控技术与系统与系统应变式压力传感器的弹性元件是一个圆形的弹性膜片，其上用镀膜工艺形成四个圆膜应变片，构成全桥式的测量结构。特点：体积小、重量轻、测量范围宽、 精度较高，抗振动、抗冲击。温漂和时漂：

9、应变式压力计的温漂和时漂是误差的最主要的影响因素。 为减小温漂和时漂的影响，需要进行温度补偿和定期标定。测控技术测控技术与系统与系统 单晶硅膜片：既是弹性元件，又是敏感器件。 在单晶硅膜片上制作4个扩散电阻，形成全桥测量结构 * 发展：集成的智能化压力计。 特点：灵敏度高；硅片上可集成处理电路。2、压阻式压力传感器测控技术测控技术与系统与系统四、压力检测仪表的选用四、压力检测仪表的选用v量程的选择： 被测压力较稳定的情况下最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4；在被测压力波动较大或测量脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3；最小工作压力不应低于满量程的1/3。v仪表精度的选择 仪表

10、的基本误差应小于实际检测压力允许的最大绝对误差v其他 被测介质：腐蚀性介质 输出信号：直接显示；远传 使用环境：防爆；高温，低温测控技术测控技术与系统与系统五、井下高温压力计举例五、井下高温压力计举例测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 1、关于420mA信号的问题 现行国际现场模拟信号标准，自DDZ III 型仪表开始采用； 早期的信号标准还有010mA的标准（DDZ II） 更新的仪表互连标准为数字化的现场总线标准； *为何是为何是420mA信号？信号？（1）采用电流信号的原因是不容易受干扰;（2）上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足

11、以引燃瓦斯;（3）下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 2、变送器的连线类型 四线制变送器 电源线2根；电流信号2根 三线制变送器 电源和电流信号共用地线 两线制变送器 两根导线既起到为变送器供 电的作用，也起到电流信号 传输的作用 测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 2、两线制变送器的结构和原理 基本原理：利用420mA信号为自身提供电能。基本设计原则：要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5

12、mA关键部件：两线制V/I转换电路测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 2、两线制变送器的结构和原理 关键部件：两线制V/I转换电路，其作用有二：（1）为传感器和调理电路提供稳压电源；注意：变送器外部电源和内部电路电源的地不一致（2）完成测量信号 Vi 到输出电流 Is 的转换注意：Rs为V/I转换的采样电阻，Rs上流过的电流不仅包括V/I转换调节部分，也包括变送器自身耗电电流测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 3、两线制变送器的举例 其中：AD623为仪用放大器测控技术测控技术与系统与系统六、两线制变送器六、两线制变送器 3、两线制变送器芯片及其应用常用的芯片有：ADI公司的AD693，AD694；BB公司的XTR101、XTR104等这些新型的两线制变送器芯片的特点：同时包括了可编程调理电路和两线制V/I转换电路；可方便构成单芯片的两线制变送器。测控技术测控技