动力工程及仪器-第3章

1、学习要求 掌握流体稳态压力测量的基本原理、 弹性压力计的测压原理，几种压力信号变送 方法;电容式压力变送器的特点、结构原理、 调整及使用方法，智能型压力变送器 。,第三章 压力测量及仪表,3.1 压力的概念及单位 一、压力的定义 1 、法向压力,而静止流体中某点压力与在该点所取的面方向无关，即某点各方向上的压力相等。 (各向同性,静压),表3-1 压力单位换算表,二、压力分类 1. 从测量的角度分： 静定压力 (稳态压力) 、变动压力、脉动压力 2. 按测量的方法分： 绝对压力 (abs) ，表压力 (G),差压力,3.按信号转换原理分,1液柱式压力测量:根据流体静力学原理，把被测压力转换成液

2、柱高度差进行测量。一般常用仪器是充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管等。 2弹性式压力测量:根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移或力进行测量。常用的弹性元件有弹簧管、弹性膜片、弹性膜盒和波纹管等。 3电气式压力测量:利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电参量进行测量，例如电阻、电容、电流及电压等。 4活塞式压力测量:根据液压机械中液体传递压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的重力进行测量。它被普遍用作标准仪器对其它压力测量仪表进行检定，例如压力校验台等。,3.2.液柱式压力计 一、液柱式压力计 应用流体静力学知识，通过液柱高与压力的关系设计而成，基本原理比较

3、简单。,问题：与直管式 比较，斜管式微 压计的优点是什 么？,3.3. 弹性式压力计 利用材料在弹性范围内变形与外力为线性关系的原理，制成不同形式及满足不同要求的压力计。,一、弹性元件,弹性膜片（膜盒）,波纹管,、弹簧管的泊松系数和弹性模量 h 弹簧管的壁厚 弹簧管的几何参数ha2 、与a和b有关的参数,弹簧管,二、常用弹性式压力计,1膜片式压力计,可用于测量对铜和钢及其合金有腐蚀作用或粘度较大介质的压力或真空度（采用不锈钢膜片）。若采用敞开式法兰结构或隔膜式结构，可用于测量高粘度、易结晶或高温介质的压力或真空度。膜片式压力计的测量范围一般为05.88106Pa，精度为2.5级。,2、膜盒式压

4、力计,膜盒压力表的弹性感压元件为膜盒，适用于测量空气或其他无腐蚀性气体的微压或负压。例如电厂锅炉风烟系统中风、烟压力测量及锅炉炉膛负压等参数的测量。,膜盒式压力计的测量范围为15040000Pa，精度一般为2.5级，较高的可达1.5级。,3波纹管压力计,双波纹管差压表就是一种机械位移变换就地显示压差的波纹管压力计，它主要作为流量和水位等测量的中间变换或显示仪表。由于波纹管在轴向容易变形，所以灵敏度较高，在测量低压时它比弹簧管和膜片灵敏得多。其缺点是迟滞值太大,4弹簧管压力计,弹簧管压力计主要由感压元件弹簧管、齿轮机械传动放大机构、指针标尺等部分构成 ，弹簧管压力计分为普通型压力计、精密压力计、

5、密封型压力计、充油型压力计、差压计、双针型压力计等。,5 、电接点压力计,电接点压力计测量工作原理和弹簧压力计相同。 报警信号可以显示、连接继电器联锁，但不能远距离 传送。,3.4 电气式压力测量,电气式压力测量是利用压力敏感元件将被测压力信号直接转换成各种电参数量的测量方法，在集中测量、自动控制等自动化场合得到广泛应用。电气式压力测量方法有电位器式、应变式、电感式、电容式、压电式、压阻式、压磁式、霍尔效应式、振弦式、光纤式 。,3.4.1 电位器式压力测量,电位器式压力测量的原理是把被测压力信号转换成电位器电阻变化，通过测量电阻值达到测量压力目的的一种测量技术。适用于压力变化比较大的场合。,

6、电位器式压力传感器在测量过程中，弹性元件的形变端与电位器的滑动触点刚性相连，弹性元件承受压力，产生形变，从而带动滑动触点移动，把弹性元件的输出位移转换成电位器滑动触点的位移，从而把被测压力的变化变换成电位器电阻值的变化。通过测量电位器电阻值的变化，就可以得知被测压力的大小。对于电位器电阻值的测量，常采用不平衡电桥测量法或恒流源测量法,一. 应变式压力传感器,1 、基本思路,压力作用,电阻材料与受力材料同时变形,电阻阻值变化,电桥失衡,比较得压力值,输出电压变化,关键在于: 材料变形与压力的关系,3.4.2 应变式压力测量,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机

7、械变形时，其电阻值随着所受机械变形 (伸长或缩短) 的变化而发生变化。,2 、基本原理：,应变片,应用电桥电路，将微小的电阻变化转换为电压或电流的变化，通过放大进行测量，由测得的应变推算出应力值。,K 应变片的灵敏系数,全微分,相对变化量,二、应变片结构及性能,金属应变片,半导体压阻片,三应变片的温度误差及补偿,（1）线路补偿法,（2）温度自补偿法,应变片的温度补偿,四应变式压力传感器,应变式压力传感器是将应变片粘贴在感压弹性元件上构成的，它可将被测压力的变化转换成电阻的变化。,五、固态压力传感器,固态压力传感器采用半导体应变式压力测量原理，其敏感元件是用单晶硅制成的硅杯。硅杯的结构有C型和E

8、型等，其中C型适用于压力传感器，E型适用于测量静压力。,六、应变测量中的电桥电路,将应变片作为 R1 接在电路中，调整其他电阻阻值，使电桥平衡。 当应变片阻值变化时，电桥失衡。输出,电桥平衡条件,半桥接法:相邻的两个桥臂，一个受拉,一个受压,全桥接法: R1,R4增加，R2 和R3 减小,3.4.3. 电感式压力传感器,1、结构和工作原理,2自感式压力传感器,图3-22 自感式压力传感器原理结构图 1电感线圈 2衔铁 3测量膜片 4隔离膜片 5温度传感器 6、7引线 8非磁性套管 9测量室 10基座,按照传感器敏感元件结构形式的不同，可分为变气隙、变截面和螺管式三种，其中螺管式量程最大，虽然灵

9、敏度低，但结构简单、便于制作，因而应用比较广泛。下面以螺管式压差传感器为例，简要介绍自感式压力传感器的工作原理。螺管式压差测量原理结构如图,3互感式压力传感器,图3-23 差动变压器式压力传感器原理结构图 1初级线圈 2、3次级线圈 4衔铁 5骨架,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,S,d 或发生变化时，都会引起电容的变化。,3.4.4. 电容式压力传感器,一)极距变化型,b)面积变化型,2 平面线位移型,3 柱面线位移型。,c) 介质变化型,电容式压力传感器分析举例,(1) 改变两极板的距离,输出的非线性失真不超过1%, 灵敏度提高一倍!,当,

10、(2) 改变两极板间有效工作面积,当极板受被测机械量作用移动 后，两极板间电容量的变化为:,?,(3) 改变介电常数,两极板的宽度为d,?,介电常数：空气.00054，硅油2.7,水80,陶瓷103,4. 1151系列电容式压力传感器,3.4.5 压电式压力传感器,1 、基本原理,压力作用,晶体产生电荷,产生电压或电流,特点：频率响应特性好，电荷不持久,切片产生的电菏与尺寸无关,切片产生的电菏与尺寸有关,压电陶瓷的压电特性及测压原理,感压弹性膜片、支持片、压电晶体及引出线、绝缘套管等组成。,2、压电式压力传感器结构,3 、压电式压力传感器测量电路,输出电荷的充要条件：,外电路负载无穷大,内部无

11、漏电,电压放大器或电荷放大器电路,什么是电荷放大器？,一种具有电容负反馈的输入阻抗非常高的高增益运算放大器,反馈电容,活塞式压电压力传感器,3.4.6 压阻式压力传测量,1.基本原理:材料的电阻值随压力变化而变化。如:半导体、铂、锰、康铜和钨等材料。,2. 优点:结构简单、体积小、稳定性好、动态响应快、耐振耐冲击、精度高、线性度好，是传感器的主流产品。,MPM380 型压阻式压力传感器,压阻式压力变送器,接流体,接输出信号,可显示的压阻式压力变送器,微型压阻式压力变送器,3.4.7. 压磁式压力传感器,图3-30 压磁式压力传感器结构示意图 1外壳 2弹性膜 3线圈 4铁芯,被测压力通过感压弹

12、性膜片2传递给由坡莫合金制成的铁芯4，铁芯在压力作用下，其磁导率发生改变，从而引起线圈3阻抗变化。显然，线圈阻抗变化与被测压力有关。,3.4.8 霍尔效应压力传感器,1.基本原理:某些金属或半导体片两端通以电流,并在薄片的垂直方向加上磁场B,则会在垂直于电流和磁场平面的方向产生一个电动势。,霍尔系数，由载流材料的物理性质所决定。,霍尔元件的灵敏度系数，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关,为了保证霍尔传感器输出的霍尔电势与位移成单值函数关系，必须满足两个条件。,供给霍尔元件以恒定的工作电流。一般采用桥式整流、稳压的晶体管恒流源供电。 磁感应强度应线性变化，即磁场梯度均匀。常采用将磁钢的磁极片设

13、计成特殊形状的方法。,2. 优点:结构简单、灵敏度高、可用动圈仪表显示结果、可以远距离输送。,3. 缺点:控制电流必须恒定,容易受温度影响。,3 .5 压力测量与压力仪表校验,3.5.1 活塞式压力计,活塞式压力计能达到的准确度等级有0.02、0.05和0.2级三种，可分别用来校验0.25级精密压力表、各种工业级压力计和传感器等，校验压力最高值有0.6、6、60MPa三种。活塞式压力计是利用静力平衡原理工作的，由压力发生系统和活塞测量系统两部分组成，,3.5.2 静态标定 在被测压力稳定时， 确定测量系统的输出输 入量之间的关系。 液柱式压力计的标定,3.5.3. 压力仪表校验,1正压仪表校验

14、,按图333安装好仪表。 关闭切断阀a、b、c，开启进油阀d，并将手摇泵丝杆全部旋出泵外，使手摇泵中充满工作液；然后关闭进油阀d，开启切断阀a、b、c，此时若将手摇泵丝杆向泵内旋入，即可实现系统增压。 在被校压力表测量范围内均匀选取45个检验点，一般应选在带有刻度数字的大刻度点上。 均匀增压至量程上限，保持上限压力3分钟；然后均匀降至零压，观察整个操作过程中，被校压力表指针有无跳动、停止、卡塞现象。 单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳再读数。用同样的方法依次增压至每一个校验点进行校验；然后再单方向缓慢依次降压至每一校验点进行校验。 计算被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。,2真空仪表校验

15、,校验真空表时，其操作方法与校验正压仪表略有不同，可参考下列步骤进行： 清除活塞式压力计内部传压工作液。 关闭切断阀a、b、c，开启进油阀d，并将手摇泵丝杆全部旋入泵内。 关闭进油阀d，开启切断阀b、c（b阀上接标准真空计或U型管水银压力计），此时若将手摇泵丝杆向泵外旋出，即可使系统内产生真空。若旋出一次尚未达到所需真空时，可重复（2）、（3）直至所需的真空度为止。 其它要求与校验正压仪表相同。 用活塞式压力计校验真空仪表，设备简单、操作方便。但活塞式压力计能产生的真空度只能达到-8.6104Pa。若需校验更高的真空度，应采用真空泵作为真空源进行校验。,3.6 测压仪表的选择安装与故障分析,3

16、.6.1 测压仪表的选择,（1）从被测介质的性质考虑,（2）从被测介质压力大小考虑,（3）从工艺要求来考虑,（4）从仪表的使用环境考虑,1仪表种类的选择,2仪表量程的选择,测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3； 测量脉动压力时，最大工作压力则不应超过量程的1/2； 测高压时则不应超过量程的3/5。为了保证测量准确度，最小工作压力应不低于量程的1/3。 测压力变化范围较大，超过了上述要求，则应使仪表量程上限满足最大工作压力条件。,用01.6MPa量程的压力表测量容器的压力，若要求测量值的绝对误差不大于30kPa，试确定压力表的精度。 解：仪表精度,1.5级精度的压力表足以满足生产需要。,3.6.2. 测压仪表的安装,一、压力测点位置的选择,1、水平或倾斜管道上压力测点的安装： 气体介质,取压口管道上部(防止凝结液体)； 液体介质,取压口管道下部(防止含有气体)； 蒸汽介质,以上两点综合.,2、测点低于1个大气压的测点,标高应尽量接近测量仪表。,3、4、5、6、7电厂锅炉的具体参考点。,二、取压装置的形式和安装：,蒸汽、水、油等介质的取压装置：插座、引压管、取源阀门； 含有微尘的气体压力测量：