第二章压力检测

1、Ch2 压力检测(Pressure Measurement),1 概述 一、压力的概念及单位 （2-1） 式中：P压力（压强）Pa F均匀垂直作用力(N) S受力的面积（）,常用压力单位之间换算关系： 1MPa=1103=1106 Pa 1mmH2O=9.807 Pa 1mmHg=133.32 Pa 1标准大气压1.01105 Pa 我国目前生产的各种压力仪表都用统一的KPa或MPa为基本单位。,二、压力的表示方法 （1）绝对(absolute)压力 P绝:表示物体所承受的实际压力比绝对压力零压高出的压力。 （2）表压(gauge) P表:比大气压高出部分的压力，为绝对压力与大气压之差。 （3

2、）真空度(vacuum) P真（负压）：表示实际压力比大气压低 出部分的压力，数值上为P大与P绝之差。 P表=P绝-P大 P真=P大-P绝,图2-1 表压、绝压和负压关系,压力测量仪表按其作用、转换原理和结构分成： 1、 柱式压力仪表(Manometers) 把被测量压力表式成液柱高度测压力。 如U型管压力计、单管压力计。在工业生产过 程中较可用。 特点：读数直观、数据可靠、准确度高，不仅能测表压、差压、还能测负压。 但只能测较低的压力或差压。只能进行现场指示。,三、压力测量仪表的分类,把被测压力转换成弹性元件受压变形所产生的位移大小来测量。(pressure to displacement)

3、 如单圈弹簧管压力计、多圈弹簧管压力计、波纹管压力计和簧片式压立计等。在工业过程中较常用。,2、弹性式(elastic)压力仪表,弹簧管压力表,螺旋弹簧管、盘簧管,3、电气式压力仪表(Pressure to electric signal),根据各种非电量电测量技术，把被测压力转换成各种电量变化来测量的。如：应变片式，电阻式，电容式(capacitance)，电感式(inductance)，霍尔片式，振频式等，广泛用于现代工业压力测量与自控系统中。,把被校仪表（压力）转换成活塞上所加平衡砝码的重量大小来测量。 常见的有单活塞和双活塞标准压力表。是高精度标准压力计，常用于检验其他类型压力计。,4

4、、活塞式压力标准仪表(dead-weight gauge),2 弹性式压力检测,(1)弹性式压力表特点 方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压。精度等级最高达到0.15。,(2)缺点： 弹性元件有滞后，不宜测量变化频繁的脉动压力，如果元件对温度变化敏感，需加温度校正。,弹性式压力表再增加记录结构、附加装置、电气变换装置、控制元件后，能实现压力的指示、记录、信号报警，自动控制等功能。,一、弹性元件,弹性元件作为测压的敏感元件，当所测压力范围不同时，所选的弹性元件也不同，常用的测压元件如图22所示。 工艺介质不同，弹性元件的材料也不同。 普通介质：铜合金 腐

5、蚀性，氨介质：不锈钢，非金属材料。,图2-2 弹性元件示意图,波纹管,波纹管,双波纹管压力表,波纹管示意图,膜片,金属膜片,膜盒压力表,膜片压力表,二、弹簧管压力计,1、单圈弹簧管压力计 单圈弹簧管结构如图2-3 。,图2-3 单圈弹簧管结构,结构原理图,k 弹簧管几何参数， ，与比值 有关的参数 上式仅适用于计算薄壁（即 ）弹簧管。,式中： ，E弹簧管材料的泊松系数和弹性模数 h弹簧关壁厚,被测压力作用于弹簧管，弹簧管产生形变，使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变）与所加压力的关系为：,（2-2）,讨论,要求P与形变成正比关系，必须使式中其余参数为定值。 b=a，r

6、=0.即有均匀壁厚的圆形弹簧管不能作测压元件。 影响参数的因素包括两个方面：弹性材料物性参数，弹性材料的形状（几何尺寸）。 为了扩大弹簧管受压时的位移，可采用多圈弹簧管。,三、弹簧管压力表的结构,图2-4 弹簧管压力表,四、电接点压力表,在压力超出上下限范围时，发出报警信号。电接点是一种既可以正常指示压力，又可在压力超过上下限规定时发出各种报警信号的压力表。,在单圈弹簧式压力表上增加了一套电接点装置，指针设计成一个动触点。在刻度上设两个可调节的上下限静触点1和2。动静触点构成上下限开关电路。 越限时发出声光报警，越限信号也可送至SCADA系统，触点控制部分的供电电压小于380V AC或220V

7、 DC。触点通过的最大电流为1A，以免烧坏触点，减小电弧。,图2-5 电接点压力表应用,3 电气式压力检测(Electric pressure measurement),特点：反应迅速，测量范围广，精度高，易实现远距离传送。 其中压力传感器有两类：,图2-6 电气式压力检测原理图,弹性式压力计的弹性元件附加一些变换装置，须弹性元件自由端的位移量转移为相应的电信号，从而构成各种弹性元件的电阻式，电感式和霍尔片式电气压力计。 非弹簧管组成的快速测压元件，如应变片式，压阻式，压电式，电容式等。,图27 电容式差压/压力变送器,干式陶瓷压力变送器 （采用压阻效应）,微差压压力变送器,图2-8 各种类型

8、压力/差压测量,一、霍尔式压力传感器,在单簧管的自由端要装半导体霍尔元件而组成，根据半导体材料的霍尔效应来测量压力的。 压力 位移 霍尔电势 当被测压力引入后，弹簧管的自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，将机械位移转换成霍尔电势，以便将压力信号进行远传和显示。,1、霍尔效应(Hall-effect),如图2-9所示，当控制电流I垂直于外磁场(磁感应强度为B)方向通过半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称霍尔效应。其形成的电动势称霍尔电动势（UH）。霍尔电动势的产生是由于运动载流子在磁场中受到洛仑兹力而在薄片两侧分列形成电子、正电荷的积累所致

9、。当电子积累所形成的电场对载流子的作用力FE与洛仑兹力FL相等时，电子积累达到平衡，霍尔电动势为：,图2-9 霍尔效应原理图,式中KH：霍尔系数 d: 霍尔片厚度 b: 霍尔片的电流通入端宽度 L：霍尔片的电势导出端长度 f( )：霍尔片的形状系数,(2-3),RH：霍尔常数， ，单位为毫伏/毫安-千高斯, 一般I=320mA，B约为几千高斯，UH约为几十毫伏。 由于半导体材料的霍尔系数远大于金属的霍尔系数，因此霍尔片主要由Si、Ge、InAs等半导体材料制成。 利用霍尔效应可进行位移、转速、压力、磁场、电流等参数的检测。,2.霍尔效应在压力传感器中的应用,如图210所示。弹簧管自由端位移使霍

10、尔片处于线性非均匀磁场中不同位置时，由于B不同，可得到与弹簧自由端位移成比例的霍尔电势，实现了位移电势的线性转换。霍尔片（半导体材料）对温度变化比较敏感，需要采取恒温或温度补偿措施，以削弱温度变化对传感器的输出特性的影响。,图2-10 基于霍尔效应的压力测量,图2-11 磁感应强度分布曲线,(2-4),K:位移传感器输出灵敏度 则对上式积分 对压力传感器 则 ： 问：位移（压力）的方向如何反映？,(2-5),(2-6),(2-7),霍尔电动势的极性反映了位移（压力）的方向。 磁场梯度越均匀，输出线性度越好 磁场梯度越大，灵敏度越高,二、应变式压力传感器(electric-resistance

11、strain gauge),压力 电阻 1、应变片原理 应变片由金属或半导体材料制成的电阻体。,图2-12 电阻应变片,(2-8),(2-9),(2-10),(2-11),(2-12),半导体材料受压力引起电阻变化称压阻效应。 由半导体材料压阻效应可知,(2-13),(2-14),(2-15),(2-16),通常，K=2， 机械应变变 则：,2.测量电路,图2-13 应变式压力传感器测量桥路,测量电路中的4个电阻，任何一个都可以是电阻应变片， = 测量前，电桥要平衡，即：使 恰当地选取各桥臂的电阻，可消除电桥恒定输出，使输出电压只与应变片的电阻变化有关。,(2-17),当 时， 分三种情况讨论

12、： 对称（对于电源，左右对称） ，,(2-18),(2-19),通常两臂接入应变片，如 ，此时称差动电桥。 另外两臂为固定电阻，则 。 此时， 。 采用差动电桥好处： 温度补偿 传感器非线性特性大大降低。,(2-20), 非对称情况，, 全等情况， ， ， 则： 若采用差动接法， 传感器电路多采用全桥式以增加灵敏度，压变利用负的应变带入，拉变利用正的应变带入。,(2-21),(2-22),三、电容式压力表,压力 电容 弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，用测量电容的方法测出电容量C便可知被测压力。 C=,(2-23),式中：电容器极板间绝缘介质的介电常数 A电容器两平行板覆盖的面积 d

13、两平行板之间的距离,变面积式电容器,变面积电容器结构原理图 1、3-定极板；2-动极板,1、改变A（角位移式）,式中Cx ：被测压力对应的电容量 C0 ：两极板重合时电容量，此时被测压力0 ：与被测压力有关,(2-24),、改变d（直线位移式）,当xd时 式中 X：被测压力引起可变电容器动极板的位移 C0：X=0时，可变电容器容量,(2-25),3、差动式电容压力传感器,图2-14 差动式电容压力表,图2-14 差动式电容压力表工作原理方框图,图2-14 差动电容膜盒,图2-14 电容极板变形,工作过程 工作时，高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给中心的灌充液，中心的灌充液将压力传递到

14、传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件， 其位移随所受差压而变化（对于表压变送器，大气压力如同施加在传感膜片的低压侧一样）。绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.10毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容极板检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间的电容差值被转换为相应的电流、电压或数字HART输出信号。,转换部分的任务是将左边的比值转换为电压或电流,四、其它压力测量仪表,1、扩散硅压力（差压）测量 扩散硅压力（差压）变送器是电阻应变式变送器的一种。它采用IC技术，在半导体材料硅基片上用扩散工艺形成应变电阻，用作压力（差压）测量敏感

15、元件。 由于单晶硅材料的弹性性能很好，其弹性滞后和蠕变很小，压阻效应又很大，因此测压的精度高，动态特性好，工作可靠，可以测量几十千赫的脉动压力。,扩散硅压力传感器可以看作是MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)在微型压力传感器中的早期应用。 MEMS是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点。,扩散硅压力传感器可以看作是MEMS(Micro Electromechanical System，即微电子机械系统)在微型压力传感器中的早

16、期应用。 MEMS是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点。,目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。,电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位

17、移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小,与传统结构型传感器相比较，采用MEMS在技术和性能上发生了质的变化，它使传感器技术向微型化、高精确度、低功耗、智能化方向迈出了一大步，这标志着检测传感器与变送器将发生一场划时代的变革。,近年来，多种微结构的固态硅传感器已被开发出来并投入生产应用，如微型伺服加速度计、微结构加速度开关、微硅谐振式压力传感器、微硅复合应变压力传感器、微硅质量流量计等。人们预测，采用微机械加工技术可以生产出各种微结构传感器，在此基础上再实现传感器与微处理器的集成化，就可设计出新一代数字式智能变送器。 问题：轮胎胎压如何测量？,2、电感式压力计 利用电磁感应原

18、理，把被测压力转换为自感或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流输出。 其信号变换通常为压力变化衔铁位移电感参数的变化。 主要包括自感式压力计和互感式压力计。 与差动电容式压力计类似，电感压力计通常采用差动形式。,3、液柱式压力计 把压力变换转换为液柱的位移。 4、压电式压力计 利用压电效应，把压力转换为电荷。 5、振动式压力计,4 压力检测仪表的选择、校验与安装,一、压力表的选择 根据生产工艺对压力检测的要求，被测介质的特性，现场使用环境。本着节约的原则合理的考虑仪表的类型、量程、精度。,1、仪表量程的选择,在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表量程的 3/4；波动较大时，

19、不大于满量程的2/3。最小工作压力不应低于满量程的1/3。 选择仪表应首先满足最大工作压力条件。 目前我国出厂的压力检测仪表有统一的量程系列，它们是：1、1.6、2.5、5、4.0、6.0KPa及其 倍数。,2、仪表精度的选择,压力检测仪表的精度主要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。 【例23】有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求是用弹簧管压力表进行测量，并使被测误差不大预备测压力的4%，试确定该表的量程和精度等级。,解：被测压力较稳定，设压力表的量程为A, 则 据最小工作压力有 根据仪表量程系列，可选用量程范围为01

20、.0MPa.,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为 这要求仪表相对误差 按仪表的精度等级，可选1.5级的压力表。,3、仪表的类型选择,被测介质的性质 对腐蚀性数据的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件。对氧气、乙炔等介质，选用专用的压力仪表。,对仪表输出信号要求 只需观察压力变化，选好弹簧管压力表那样的直接指示型的仪表。 压力需远传，电气式压力检测仪表。 快速变化的压力变化，压阻式压力传感器 。,使用环境 爆炸性较强的环境，防爆型压力仪表。 温度高或低，温度系数小的敏感元件。 防护等级。,二、压力表的校验,为什么要进行校验 仪表在使用中，会因为弹性元件疲劳、传动机构摩擦及腐蚀、元器件老化等引起误差。 新的仪表在安装使用前要进行校验。 校验方法 （1）将被校表与标准表的指示数值在相同的条件下进行比较； （2）将被校表的示值与标准压力比较。,校验原则 标准表的允许绝对误差小于被校表的允许绝对误差的1/3。标准表的测量上限应比被校表大一挡。 在量程范围内，均匀地选择至少5各校验点，包括起点和终点。 将被校表示值与标准压力比较的方法主要用于校验0.25级以上的精密压力表。也可用于校验各种工业用压力表。,活塞式压力计,三、压力表的安装, 测压点的选择 所选测压点要能反映被测压力的真实情况。 导压