压力仪表员工培训

1、压力仪表员工培训压力仪表-员工培训o 压力压力 垂直作用于物体表面上的力垂直作用于物体表面上的力o 压强压强 o 在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指通常所说的压力实际上是指压强压强。o 压差压差 测量两个压力之差称压差测量两个压力之差称压差o 表压力表压力 压力仪表指示的压力值压力仪表指示的压力值 缺省情况下，缺省情况下，所说的压力值即指表压力所说的压力值即指表压力 表压力可正可负，为表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。负时其绝对值称为真空度。 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念o 帕帕(

2、Pa) N/m2，国际单位，国际单位o 兆帕兆帕(MPa) 106Pao 工程大气压，工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pan 约等于一个大气压（约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来自来水压头是水压头是5公斤公斤”，用的就是这个单位。，用的就是这个单位。o mmH2O， 9.81 Pao mmHg ，133 Pa压力单位压力单位二压力测量仪表的分类二压力测量仪表的分类o 1液柱式压力计液柱式压力计o 2弹性式压力计弹性式压力计o 3电气式压力计电气式压力计o 4活塞式压力计活塞式压力计液柱式压力计液柱式压力计v 分类分类 U型管压力计型管压力计 单管压力计单管压力计

3、斜管式微压计斜管式微压计v 特点：结构简单，使用方便，准确度比较特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。高，常用于测量低压、负压、差压。v 缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。坏。一一U型管压力计型管压力计o 假设被测的介质为气体，可忽略假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为型管内径一般为5-20mm，为，为了减少毛细现象，管子内径一了减少毛细现象，管子内径一般不少于般不少于10mm，P2P1U型管h1h20二单管式压

4、力计二单管式压力计 因为因为A1、A2为常数，这样可通过一次读为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当数进行压差测量。当A2/A1很小时，很小时，h1可忽略，公式简化为：可忽略，公式简化为： PdPx直管h1h2三、斜管式微压计三、斜管式微压计P1P2斜管h1h2L主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。置。 弹性式压力计弹性式压力计一、概述一、概述o 原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹

5、性变感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表形制成的测压仪表o 特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传传o 常用弹性压力表：常用弹性压力表：n 膜片（盒）式膜片（盒）式n 波纹管式波纹管式n 弹簧管式弹簧管式二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性1膜片式：使用时周边夹紧，测低压、微压。膜片式：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾

6、部负压。精度等级为部负压。精度等级为2.5，最高可达，最高可达1.5级。级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2 2波纹管：开口端固定，封闭端的位波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（较低的压力（1.0-101.0-106 6PaPa） 精度等级精度等级1.51.5级。级。Px3弹簧管：弹簧管： 单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计电气式压力检测电气式压力检测一一电容式压力传感器电容式

7、压力传感器： 将弹性元件的位移转变成电信号。将弹性元件的位移转变成电信号。运算放大器式电路运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知 uC-ACxu0电容式差压/压力变送器 二压电式压力传感器二压电式压力传感器 压电效应压电效应：压电材料在受压时会在其表面：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。正比。 压电材料压电材料： 单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等 多晶

8、体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。的压电系数，为石英的几百倍。二压电式压力传感器二压电式压力传感器v 特点特点：结构简单、紧凑，：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等有线性度高量程范围大等优点。优点。v 缺点缺点：但是由于产生的电：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高荷

9、量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。因此不能用于稳态测量。压电式压力压电式压力传感器结构传感器结构二压电式压力传感器二压电式压力传感器三固体压阻式压力压差传感器三固体压阻式压力压差传感器原理原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面积发生变化将引起电阻的变化。积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分类：分类：应变片应变片：受压或受拉时，电阻的尺寸：受压或受拉时，电阻的尺

10、寸L、S 发生变化，引起电阻的变化。发生变化，引起电阻的变化。 半导体扩散硅半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发：在压力的作用下，电阻率发 生变化。生变化。o 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为大约为100100倍。倍。SLR/公式：公式：n 应变效应的理论基础应变效应的理论基础l金属导体的电阻定律金属导体的电阻定律( (线材线材) )2 2r A A = =r 2 2L L其全微分：其全微分：AdAdLdLRdR给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化

11、的关系。在力的作用下，用下，L L、A A、均可发生变化。均可发生变化。1.1.应变式电阻传感器应变式电阻传感器l材料的泊松比材料的泊松比 与与 dL/LdL/L、dA/AdA/A 在力的作用下的相互关系在力的作用下的相互关系得得: :A A = =r 2 2yxyyxrdrLdLemmeeee则有，、径向应变为设轴向应变为K K为灵敏系数为灵敏系数c c 是一个与材料性质和加工方是一个与材料性质和加工方法有关的常数。法有关的常数。xe2.2.半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，且满足史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具

12、有压阻效应，且满足：xEde e 单晶体的轴向应力单晶体的轴向应力x 单晶体的轴向应变单晶体的轴向应变E E 弹性模量弹性模量 单晶体的压阻系数单晶体的压阻系数( (不是圆周率不是圆周率)= = EEx ( (胡克定律胡克定律) )半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数 ：* * * 讨论：一般材料讨论：一般材料= 0.20.4、E =(0.12.1) 1011N/m2、=(4080) 10-11m2/N，所以：，所以：由此可见半导体材料的应变电阻效应要更大些。由此可见半导

13、体材料的应变电阻效应要更大些。l分类分类 ( (按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类) )丝式丝式箔式箔式半导体式半导体式n电阻应变片的结构及工作方式电阻应变片的结构及工作方式l基本结构基本结构xKRdRe1-5l工作方式工作方式 ( (工作原理工作原理) ) 应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅，用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。丝的轴线沿应变方向。应变方向应变方向应变片与试件的粘结应变片与试件的粘结试件试件应变片应变片注：当试件的应变方向不单一时，要使用多

14、片。注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。3 3、电阻应变片应变电阻的测量、电阻应变片应变电阻的测量)(dIdURdRx或或e e实际使用中均用电测法，即实际使用中均用电测法，即1 1直流电桥法直流电桥法当负载电阻当负载电阻R R L L时，输出电压时，输出电压U U0 0 4332110RRRRRREU1-6 431421432321432132414314214323214321324101RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRREULLL 当负载电阻当负载电阻R L为有限值时的输出电压为有限值时的输出电压U0 4314214323214

15、3211RRRRRRRRRRRRRRRRRL 实际使用中负载电阻实际使用中负载电阻R L虽然无法满足，但下式很容易满足：虽然无法满足，但下式很容易满足：此时输出电压此时输出电压U0仍可表示为仍可表示为： 4332110RRRRRREU电桥的平衡条件电桥的平衡条件: : 这是我们熟知的：这是我们熟知的：U0=0 R1R4-R2R3=0n电压灵敏度电压灵敏度 根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始，应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始， R R 1 1 R R 1 1+R R 1 1， U U0 0 为：为：实际应用中，可用电阻

16、应变片来代替实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比，设桥臂比n :(1)单臂电桥单臂电桥(2)半桥差动电路半桥差动电路由于由于n = 1 所以所以。、ESRREUV2121110输出输出U 0为纯线性，且灵敏度提高了一倍。为纯线性，且灵敏度提高了一倍。11RR22RR3R4R0U1-7(2)全桥电路全桥电路 输出输出U 0为也纯线性，且灵敏度又提高为也纯线性，且灵敏度又提高了一倍。了一倍。11RR44RR33RR22RR0U1-84.4.应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用p 应变式压力传感器应变式压力传感器l薄板式薄板式( (膜片式膜片式) )压力传感器压力传感器 当流体的压

17、强作用在薄板上，薄板当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变就会产生形变( (应变应变) )，贴在另一侧的应变，贴在另一侧的应变片随之形变片随之形变( (应变应变) )，通过桥式等测量电路，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。而得到压力的大小。p 贴片位置贴片位置 在在t =r的两的两个半径处分别粘贴个半径处分别粘贴个于检测径向应变和个于检测径向应变和切向应变的应变片，切向应变的应变片，构成全差动电桥。构成全差动电桥。R1R2R3R400707021rrr.r0r等半径贴片等半径贴片 筒式应变压力传感器筒式应变压力传感器

18、DD0P筒式压力传感器筒式压力传感器性能特点：可用于高压测量。性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。环向应变环向应变p0212DDnpnEp;)(me壁厚较薄时壁厚较薄时)(;.00212501DDhpDhEpme零应变用于零应变用于温度补偿温度补偿 以上两款压力传感器均是利用弹性元件将压力以上两款压力传感器均是利用弹性元件将压力转变成应变，再用应变电阻（应变片）将这种应变转变成应变，再用应变电阻（应变片）将这种应变转变成电阻的变化，从而测得作用压力的大小。金转变成电阻的变化，从而测得作用压力的大小。金属应变片的性能较为稳定，工艺也较为成熟，但比

19、属应变片的性能较为稳定，工艺也较为成熟，但比较复杂，贴片的工艺水平对性能的影响较大，输出较复杂，贴片的工艺水平对性能的影响较大，输出较小。较小。l 固态压力传感器固态压力传感器 (1)(1)结构结构 利用半导体扩散技术，在利用半导体扩散技术，在n型硅型硅基底基底( (硅杯的圆形膜片硅杯的圆形膜片) )上扩散出上扩散出4 4个个p型电阻，利用其压阻效应，构型电阻，利用其压阻效应，构成敏感电桥，当压力作用在薄片成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。从而得到压力的大小。扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_np扩散电阻Si_nph0rrtrop薄圆板受均匀压力后的应力分布薄圆板受均匀压力后的应力分布d (2) (2) 受压圆膜的应力分布受压