第二節(jié)壓力檢測及儀表

1、山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測及儀表壓力檢測及儀表電動壓力（差壓）變送器電動壓力（差壓）變送器彈簧管壓力表彈簧管壓力表乙炔表乙炔表電接點壓力表數(shù)字壓力表數(shù)字壓力表山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 在工業(yè)生產過程中，特別是在化工、煉油等生產過程中，壓力是重要的操作參數(shù)之一。經常會遇到壓力和真空度的測量，其中包括比大氣壓力高很多的高壓、超高壓和比大氣壓力低很多的真空度的測量。 如果壓力不符合要求，不僅會影響生產效率，降低產品質量，有時還會造成嚴重的生產事故。 此外，壓力測量的意義還不局限于它自身，有些其他參數(shù)的測量，如物位、

2、流量等往往是通過測量壓力或差壓來進行的，即測出了壓力或差壓，便可確定物位或流量。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室壓力檢測儀表的內容壓力檢測儀表的內容一一、壓力單位及測壓儀表壓力單位及測壓儀表二二、彈性式壓力表彈性式壓力表三三、電氣式壓力表電氣式壓力表四、壓力變送器壓力變送器五、壓力表的選擇與安裝壓力表的選擇與安裝山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室一一、壓力單位及測壓儀表壓力單位及測壓儀表壓力是指垂直作用在單位面積上的力壓力是指垂直作用在單位面積上的力SFPP 表示壓力F 表示垂直作用力S 表示受力面積2a1m1N1P 1MPa= 103 KPa1K

3、Pa= 103 Pa山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室1、大氣壓力、表壓力和絕對壓力、大氣壓力、表壓力和絕對壓力大氣壓力是大氣作用在地球表面的壓力。絕對壓力的零線大氣壓力線絕P絕P表P真P大氣壓力絕對壓力表壓PPP絕對壓力大氣壓力真空度PPP山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室壓力的測量方法及壓力表的分類壓力的測量方法及壓力表的分類1、用已知壓力去平衡未知壓力的方法、用已知壓力去平衡未知壓力的方法（平衡法（平衡法 ）2、用彈性元件的彈性力與被測介質的作用力相平衡的測、用彈性元件的彈性力與被測介質的作用力相平衡的測 量方法量方法 （平衡法）（平衡法）液柱

4、式壓力計U 型管式壓力計單管式壓力計斜管式壓力計彈性式壓力計彈簧管式單圈式多圈式膜盒式波紋管式活塞式壓力計 平衡介質是砝碼平衡介質是工作液山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室3、用通過機械和電氣元件把壓力信號轉換成電量的測量、用通過機械和電氣元件把壓力信號轉換成電量的測量 方法方法 （偏差法）（偏差法）電氣式壓力計霍爾式應變片式擴散硅式力平衡式電容式智能式另外還可用測量范圍分類 壓力表、微壓計、真空表。用精度等級分類 精密表、標準表、工業(yè)用表用安裝及指示特點分類 基地式（現(xiàn)場）壓力表、遠傳 壓力表、 指示型壓力表、記錄 型壓力表等。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化

5、工系儀表教研室 根據(jù)流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。結構形式：U型管壓力計、單管壓力計、斜管壓力計等。 特點：結構簡單、使用方便。 缺點：精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍較窄，一般用來測量校低壓力、真空度或壓力差。 1、液柱式壓力計液柱式壓力計山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室（1）U型管式壓力計型管式壓力計 U型管式壓力計是由帶有刻度的U型玻璃管和工作液組成。)hg(hghPP21A當g為常數(shù)時f(h)P因此可以用工作液的液位高度H表示壓力P的大小。PA0（大氣壓）山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室由于U

6、型管壓力計存在二次讀數(shù)問題，我們可以用單管式壓力計。U型管壓力計可以用來側壓力P也可以用來測差壓 PPPA（2）單管式壓力計）單管式壓力計)hg(hghPP21A221hhh2ghghPPA0山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室（3）斜管式壓力計）斜管式壓力計gLsinghP2f(L)P因為Lh因此提高了儀表的靈敏度。一般我們可以用斜管式壓力計斜管式壓力計測微壓。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室液柱式壓力計在讀數(shù)時應當注意：對于侵潤型工作液（水、酒精等）應在最低點讀數(shù)（切線）對于非侵潤型工作液（水銀）應在最高點讀數(shù)（切線）山東師范大學化工系儀表教研室

7、山東師范大學化工系儀表教研室二、彈性式壓力計二、彈性式壓力計 彈性式壓力計是以彈性元件受壓后所產生的彈性形變?yōu)闇y量基礎的。特點：結構簡單，使用可靠，讀數(shù)清晰，價格低廉，測量范圍廣有足夠精度之優(yōu)點。另外增加附加裝置，可實現(xiàn)壓力的記錄，遠傳、信號報警、自動控制等。在工業(yè)上應用最廣。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室1、彈性元件 彈性元件是一種簡單可靠的測壓敏感元件，其作用是將壓力信號轉換成位移信號。 當測量范圍不同所用的測量元件也不一樣。常見的彈性元件有；彈簧管、膜片、膜合和波紋管。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室2、彈簧管式壓力計、彈簧管式壓力計（1

8、）彈簧管壓力表的組成P彈簧管二次放大系統(tǒng)指針、面板XP（2）彈簧管壓力表的工作原理 彈簧管的作用：將壓力信號P轉換成位移信號X扇形齒輪、中心齒輪組成二次放大系統(tǒng)，其作用是：將位移信號X放大成角位移指針、面板是指示部分，其作用是指示壓力P山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室一端為密封端（自由端），另一端為敞開端（固定端）。當壓力作用于彈簧管內部時由于彈簧管的特殊結構，在自由端就會產生位移，且位移量與壓力成比例，如能測出位移量，就能測出壓力的大小。截面為扁圓或橢圓的空心管子，將其彎成2700，（1）彈簧管山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室彈簧管產生位移的條

9、件： a、截面為橢圓或扁圓的空心管子。 b、要彎成一定彎度，一端密封（自由端）一端敞開（固定端）c、管內壓力不為零。 （2）二次放大原理 二次放大是通過扇形齒輪和中心齒輪實現(xiàn)的。 弧放大角放大山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室i、弧放大 LXab X為彈簧管產生的位移量 L為放大后的位移量 XLab1KxabL山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室ii 角放大角放大是通過扇形齒輪和中心齒輪實現(xiàn)的。 顯然： 為中心齒輪產生的角位移 為扇形齒輪的圓心角 c 為中心齒輪的半徑 cb= cb 將 = X 代入= a1cb則kkkc1aba1cb21調整a 即可調

10、整放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室三、電接點壓力表 電接點壓力表就是在普通彈簧管壓力表的基礎上，增加了一個動觸點，兩個靜觸點。常用于壓力測量、壓力報警和壓力控制。 應用電接點壓力表，可以將壓力控制在一定范圍內。maxminPPP可以調整壓力下限和壓力上限兩個靜觸點。指針連接動觸點。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室當壓力 時，上限報警電路接通，上限報警燈亮maxPP 當壓力 時，下限報警電路接通，下限報警燈亮minPP 這樣就實現(xiàn)了壓力的測量與報警。例如 壓力測量與報警系統(tǒng)山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室

11、三、電氣式壓力表三、電氣式壓力表把壓力信號轉換成電信號輸出，然后測量電信號的壓力表叫電氣式壓力表。測量范圍 MPa105Pa1072-5允許誤差0.2%主要是介紹壓力傳感器：霍爾式、應變片式、壓阻式、壓力變送器：力平衡式、電容式、擴散硅式山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室1、霍爾片式壓力傳感器（1）霍爾效應 將通有電流的半導體片放入磁場中，當磁力線穿過半導體片時，在半導體片的兩端會產生電動勢。稱此電動勢為霍爾電勢，半導體片叫霍爾片，此物理現(xiàn)象叫霍爾效應。Y方向加電場Z方向加磁場X方向產生電動勢山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室BIRUHHUH 霍爾電

12、勢RH 霍爾常數(shù)B 磁感應強度I 電流強度若 RH、I 均為常數(shù) 則 UHf (B)當確定了霍爾片的材料、幾何形狀后，RH 就是常數(shù)當采用恒流源供電 I 也為常數(shù)。 那么霍爾式壓力傳感器如何將壓力的變化轉換成磁感強度B的變化呢？山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室霍爾效應，是由美國地質學家，古生物學家。 科學家愛德文霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產生的電勢差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾傳感器山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室（2）霍爾壓力表的組成電流表彈簧管磁靴系統(tǒng)霍爾片U/I 轉換器PXBUHI (420mA)PPUH 傳感器P I 變送器

13、P P 壓力表山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室（3）磁靴系統(tǒng)BX1/2X0-1/2X0X00KX 0X1/2X00 X=0-KX -1/2X0 X0 霍爾片右移H2H1UU0UH當壓力P0 霍爾片左移H2H1UU0UH測正壓測真空山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室思考題： 某壓力容器壓力的工作范圍是0160KPa，當壓力為83KPa時，若用霍爾片式傳感器測量（020mV)電壓表的指示值為 毫伏 ，若用霍爾片式壓力變送器測量（420mA)電流表的指示值為 毫安。解：根據(jù)公式KPBIRUHH當P 160KPa時 UH 20mV K0.125當P=83時

14、 UHKP10.375（mV ）12.3mAmA 416PminPmaxPminPI山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室2、應變片式壓力傳感器（1）、應變效應 導體或半導體材料受外力的作用壓縮或拉伸后，會影響其電阻值的變化。這種物理現(xiàn)象叫應變效應。 SLR當受壓時 L SR當拉伸時 LSR 這樣就把力的變化轉換成電阻的變化了。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長、r變小，導致變小，導致R變大變大 。2rLR山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研

15、室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室（2）、應變式壓力計的組成傳感筒電橋毫伏計Pr1r2UabP應變式壓力傳感器（3）、應變片式壓力傳感器的工作原理 1、應變筒 2、外殼 3、密封膜片（不銹鋼） r1、r2 用康銅絲繞成的應變片阻值 r10r20 320r1 用縮醛膠沿應變筒軸向貼放。(0.015-0.05mm) 山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室r2 用縮醛膠沿應變筒經向貼放。 粘結時注意：（1）應變片與應變筒無相對滑動現(xiàn)象。（2）應變片與應變筒保證電氣絕緣。當壓力P時r1受拉伸阻值增大r2受

16、壓縮阻值減小r1= r10+r1r2= r20r2這樣通過壓力傳感器將壓力的變化，轉換成r1、r2電阻的變化。 山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室應變片的粘貼應變片的粘貼山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室應變片的粘貼：應變片的粘貼： 1. 去污：采用手去污：采用手持砂輪工具除去構件持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加叉打磨出細紋以增加粘貼力粘貼力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表

17、教研室 2.2.貼片：在應貼片：在應變片的表面和處理變片的表面和處理過的粘貼表面上，過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘各涂一層均勻的粘貼膠貼膠 ，用鑷子將，用鑷子將應變片放上去，并應變片放上去，并調好位置，然后蓋調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出指揉和滾壓，排出下面的氣泡下面的氣泡 。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 3.測量測量 ：從分開的端子從分開的端子處，預先用萬處，預先用萬用表測量應變用表測量應變片的電阻，發(fā)片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。壞的應變片。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 4.焊接：

18、焊接： 將將引線和端子用烙鐵引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不焊接起來，注意不要把端子扯斷。要把端子扯斷。 山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 5.固定：固定： 焊接后用膠布焊接后用膠布將引線和被測將引線和被測對象固定在一對象固定在一起，防止損壞起，防止損壞引線和應變片。引線和應變片。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室電橋 電橋的作用就是將r1、r2的變化轉換成橋路的不平衡電壓的輸出Uab電源電壓為 U10V DCr3、r4 為橋路固定電阻（金屬膜電阻）當壓力 p在PminPmax 變化時UAB輸出05mv山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系

19、儀表教研室)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均為常數(shù)當壓力作用時：山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室r2的溫度補償作用 因為應變片是用銅材料雙向無感繞制的，當應變片所處的溫度發(fā)生變化時，會影響應變片的電阻值的變化。從而產生測量誤差。 根據(jù)測量原理，只有應變片r1就可以滿足測量要求，為什么在相鄰的橋臂上還要粘貼r2呢？r2的作用是用來對r1進行溫度補償。)t -(t 1rr010t1rt1 環(huán)境溫度為t

20、時的電阻值r10環(huán)境溫度t=t0時的電阻值C1025. 43銅電阻的溫度系數(shù)山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室因為r10、t0、 均為常數(shù)，所以應變片電阻r1是環(huán)境溫度t的函數(shù)。(t) fr1根據(jù)應變效應，r1還是被測壓力P的函數(shù)。(P) f r1因而P)(t, fr1 這樣不管是被測壓力變化還是環(huán)境溫度變化，均可以使r1變化，必然要產生測量誤差。要想保持應變片電阻與被測壓力的單值對應關系，必須要消除環(huán)境溫度對應變片電阻的影響，因此要對r1進行溫度補償。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室將r2接在與r1相鄰的橋臂上。由于r2與r1的材料、幾何形狀相同

21、，當環(huán)境溫度t變化時，由溫度變化產生的電阻變化相等，因而會相互抵消。3t224t11)rr(r)rr(r當壓力p=0時，電橋平衡由于 r3= r4t2t1rr可以相互抵消，使之與環(huán)境溫度變化無關。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 壓阻式壓力傳感器是利用半導體的應變效應，采用單晶壓阻式壓力傳感器是利用半導體的應變效應，采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅片上采用集成電路的工藝在單晶硅片為彈性元件，在單晶硅片上采用集成電路的工藝在單晶面的特定方向擴散一組等值電阻。并將電阻接成橋路。面的特定方向擴散一組等值電阻。并將電阻接成橋路。 當壓力發(fā)生變化時單晶硅片變形，半導體當壓力發(fā)生變

22、化時單晶硅片變形，半導體因受壓因受壓引起阻引起阻值變化值變化稱為稱為壓阻效應壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。半導體材料的壓阻效應比較明顯。 用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩(wěn)定性好，單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。泛的使用。 山東師范大學化工系儀表

23、教研室山東師范大學化工系儀表教研室構成框圖構成框圖：擴散硅擴散硅電橋電橋VI轉換轉換PRABCDUSIO山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室把被測差壓把被測差壓P成比例地轉換為不平衡電壓成比例地轉換為不平衡電壓US 1.負壓室負壓室 2.正壓室正壓室 3.硅杯硅杯4.引線引線 5.硅片硅片RARBRCRD山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室RARBRCRDUSRARDRBRCIS不受壓時：不受壓時：RARBRCRDR山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室 US RARDRBRCIS受壓時：受壓時：RARDr1RBRCr224()2iiS

24、SRRIU21()2Srr I受壓時，流經受壓時，流經2橋臂的電流始終相等橋臂的電流始終相等P1K P山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室RETURN山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室RA、RB、RC、RD為應變電阻US橋路輸出電壓。50-100mV 通過集成運放IC和三極管BG在RL上輸出420mA的電流信號。當壓力最小時Pmin,橋路輸出電壓US最小，此時 電流I0= 4mA當壓力最大時Pmax,橋路輸出電壓US最大，此時電流I0=20mA。R0、R1為調零電阻，使I1=I2=0.5 mA。I=1 mA。BG電流Ie=319 mA。I0= I+Ie

25、(mA)特點：精度高，工作可靠、頻率響應高，遲后小、尺寸小、重量輕、結構簡單。 416PPPPIminmaxmin0山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室PASBR0VE以下是電阻式遠傳稱重儀：以下是電阻式遠傳稱重儀：3個方案中你認為那一個更合理？為什么？（A）（C）PASBR0VE（B）思考題思考題EPASBR0A山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室簡述壓力傳感器的測量原理簡述壓力傳感器的測量原理思考題思考題r1r2山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室

26、山東師范大學化工系儀表教研室壓力表的選用依據(jù)：1、工藝對壓力的測量要求（量程、精度、現(xiàn)場測量還是遠傳、是否需要報警、記錄等）2、被測介質的物化性質（溫度、粘度、是否有毒、有腐蝕性、是否易燃易爆等）3、現(xiàn)場安裝條件（溫度、粉塵、振動、腐蝕、易燃易爆等）山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室被測參數(shù)的正常值一般要求工作被測參數(shù)的正常值一般要求工作在儀表量程在儀表量程1/32/3為宜。（經驗為宜。（經驗要求而已）要求而已）山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室9(MPa). 06 . 023P23Pmax工上

27、驗證MPa)33. 00 . 131P314 . 0Pmin（上工量程選擇合適。山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室注意：在量程一定的情況下，用最小工作壓力選注意：在量程一定的情況下，用最小工作壓力選擇的精度高。若用最大工作壓力選擇的精度，在擇的精度高。若用最大工作壓力選擇的精度，在最小工作壓力時，不能滿足誤差要求。最小工作壓力時，不能滿足誤差要求。MPa016. 0%44 . 0max%6 . 1%10001016. 0山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教研室山東師范大學化工系儀表教