自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測課件

自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測2024/3/15自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測一、壓力的單位定義垂直均勻地作用于單位面積上的力，通常用p來表示。單位在國際單位制中為“帕斯卡”簡稱“帕”，符號為Pa，定義為1Pa=1N/m2。還有“千帕”、“兆帕”等。我國規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位，目前仍在使用的壓力單位還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、標準大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等。P67表5-1給出了各壓力單位之間的換算關系。標準大氣壓：0℃時，水銀密度為13.5951g/cm3,在標準重力加速度980.665cm/s2下，高760mm水銀柱對底面的壓力。工程大氣壓：每平方厘米面積上垂直作用1公斤力的壓力。5.1.壓力單位及壓力檢測方法自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測為了不同場合使用方便，有相應的測量儀表

絕對壓力被測介質作用在容器表面積上的全壓力，用符號pi表示。用絕對壓力表測量。大氣壓力由于地球表面空氣重量形成的壓力，隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用氣壓計測定，用符號pd表示。表壓力為絕對壓力和大氣壓力之差，用符號pb表示。即：pb=pi-pd

常用的壓力測量儀表測得的壓力值，一般都是此。真空度絕對壓力小于大氣壓力表壓力為負值時的其絕對值，用符號pz表示。即：pz=pd

–pi 用真空表測量。差壓設備中兩處的壓力之差稱為差壓。二、壓力的幾種表示方法自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測

根據工作原理的不同而進行分類：1.重力平衡法液柱式壓力計原理是基于液體靜力學原理-被測壓力與一定高度的工作液體產生的重力相平衡，將被測壓力轉換為液柱高度來測量，如U形管壓力計。特點是測壓范圍小于0.1~0.2MPa的壓力、差壓和負壓；精度高，有時用作標準儀器；結構簡單，價格低，不易遠傳；填充液常為水銀，有毒，且玻璃管易碎。負荷式壓力計原理是基于重力平衡原理?；钊綁毫τ?。將被測壓力轉換為平衡重物的重量來測量。特點是測量范圍寬（0.04~2500MPa）、精度高、性能穩(wěn)定可靠，多用作校驗儀表。三、壓力檢測的主要方法及分類自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測2.機械力平衡法原理：將被測壓力經變換元件轉換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量外力得到被測壓力。特點：可達較高的精度，但是結構復雜。多用于電動和氣動組合儀表中。3.彈性力平衡法原理：利用彈性元件的彈性變形特性進行測量，彈性力與被測壓力相平衡，測變形就可知壓力。特點：類型多，可測壓力、負壓、絕對壓力和壓差，應用最廣泛。4.物性測量法

原理：在壓力作用下，測壓元件的某些物理特性會發(fā)生變化。分類：電測式壓力計（利用壓阻、壓電或其它物理特性將壓力轉換為各種電量）和其它新型壓力計（集成式壓力計和光纖壓力計）自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測彈性壓力計—彈簧管壓力計、電位器式壓力變送器、霍爾式壓力變送器力平衡式壓力計（后面介紹）壓力傳感器-應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、振頻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和集成壓力傳感器5.2.常用壓力檢測儀表自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測感受壓力，產生變形（核心部分）調整儀表的零點和量程 利用彈性元件受壓變形的原理。彈性壓力計的組成一般包括幾個主要環(huán)節(jié)，如圖5-2所示。給出壓力示值是指針或刻度尺一、彈性壓力計自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測1.測壓彈性元件彈性膜片外緣固定的片狀的彈性膜片，其彈性特性是中心位移與壓力的關系。分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片，各有其特點。波紋管壁面有多個同心環(huán)狀波紋，一端封閉，開口端固定，封閉端位移與壓力成正比。彈簧管圓弧狀，軸截面為扁圓形或橢圓形，一端封閉且處于自由狀態(tài)，自由端位移與壓力有關。詳見P71.表5-2。材料銅合金、彈性合金、不銹鋼及半導體硅材料自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測2.彈簧管壓力計

是最常用的直讀式測壓儀表（還有波紋管差壓計和膜盒式壓力計）結構如圖5-3所示特點結構簡單，使用方便，價格低廉，測壓范圍寬（-105~109Pa），精確度可高達到±0.1%，應用廣泛。3.波紋管差壓計自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測4.彈性測壓計信號的遠傳方式彈性測壓計可以在現場指示，但是更多情況下要求信號遠傳至控制室。將測壓點取出的壓力信號，通過長距離導壓信號管，將信號傳到很遠的壓力表上去的遠傳方式實際上不可能應用，遠傳多采用電遠傳方式，即在測壓點附近的壓力敏感件上面，附帶有將位移變換為輸出電信號的裝置，通過電信號的傳輸，將壓力指示和記錄下來。常用的轉換方式有電位器式、霍爾元件式、電感式、差動變壓器式。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測原理：將彈性元件的輸出位移變?yōu)殡娢黄骰瑒佑|點的位移，故被測壓力的變化就轉換成了電位器阻值的變化。將電位器與其它電阻組成一個電橋，當電位器阻值變化時，電橋輸出電壓就變化。特點：簡單、線性輸出但滑線電位器易磨損腐蝕。電位器式自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測霍爾元件式原理：基于半導體材料的霍爾效應，將自由端的位移通過霍爾元件轉換成電壓信號輸出。B霍爾電勢控制電流-++-霍爾效應：在霍爾元件（一種特殊的半導體元件）的縱向端面上通以一定的控制電流I，在與I垂直的方向上加一磁場其強度為B，則在與電流和磁場垂直的霍爾元件的橫向端面上產生電位差VH的現象。VH叫霍爾電勢，與I、B成正比，與沿磁場方向的厚度d成反比。（電荷受羅淪茲力和電場力的作用）結構原理如圖5-5自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測三、壓力傳感器能夠檢測壓力值并能提供遠傳信號的裝置統稱為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分。它的結構形式有：應變式、壓阻式、電容式、壓電式、光電式、光纖式等許多種。1.應變式壓力傳感器組成應變元件和彈性元件配用應變元件的工作原理導體和半導體的“應變效應”，即導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。實際的電阻應變片是一根電阻絲被彎曲而并行地排成柵形，貼在基板上成為電阻柵。可以寫成自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測應變元件的結構絲狀、片狀或體狀。應變絲或應變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受力變形時，應變元件也發(fā)生形變，其電阻值將有相應的改變。測量方法采用4個特性相同的應變元件，粘貼在彈性元件的適當位置上（兩個受拉，兩個受壓），并分別接入電橋的4個臂，則電橋的輸出信號可以反映被測壓力的大小。彈性元件的選擇根據被測介質和測量范圍的不同而采用不同的型式，圓膜片（柱式壓力傳感器）、彈性梁和應變筒（筒式），如圖。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測2.壓阻式壓力傳感器原理基于半導體的“壓阻效應”-當半導體的某一軸向受外力作用時，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化導致載流子遷移率及濃度的變化，從而引起電阻率的變化。結構用集成工藝直接在硅平膜片上按照一定晶向制成擴散壓敏電阻。工作原理硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，當硅片受壓后，它的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：式中πe為壓阻系數，σ為應力。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測測量電路-電橋簡單的壓阻式壓力傳感器結構如圖。杯狀硅膜片上用擴散工藝設有4個阻值相等的電阻，其配置位置按膜片上徑向應力和切向應力分布情況確定（與晶體有關）還可以在電橋上接入一溫度補償電阻自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測特點靈敏度高，頻率響應高；結構比較簡單，可以小型化；可用于靜態(tài)、動態(tài)壓力測量；應用廣泛，測量范圍在0~0.0005MPa、0~0.002MPa、至0~210MPa；其精確度為±0.2%~±0.02%。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測3.電容式壓力傳感器測量原理：將彈性元件的位移轉換為電容量的變化。圖5-9為一種兩室結構感壓元件示意圖。對于差動平板電容器，其電容與板間距變化的關系可表示為：自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測特點此電容量的變化經過適當的轉換電路，可以輸出標準信號（4~20mA）。這種傳感器結構堅實，靈敏度高，過載能力大；精度高，其精確度可達±0.25%~±0.05%；可以測量壓力和差壓，儀表測量范圍0~0.00001MPa至0~70MPa。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測4.振頻式壓力傳感器工作原理 利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關系，通過測量頻率信號的變化來檢測壓力型式振筒、振弦、振膜和石英晶體諧振。振筒式壓力傳感器由振筒組件和諧振電路組成。如圖5-10，其感壓元件是薄壁金屬圓筒，本身具有一定的固有頻率，當筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應改變：特點體積小，輸出頻率信號，重復性好，耐振；精確度高，為±0.1%和±0.01%；測量范圍0~0.014MPa至0~50MPa；適于氣體測量自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測5.壓電式壓力傳感器工作原理壓電材料（石英、壓電陶瓷、鈦酸鋇）的壓電效應將被測壓力轉換為電信號的。它是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，不適宜測量緩變化的壓力和靜態(tài)壓力。壓電效應：壓電材料（具有壓電效應的材料）受到外力作用時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內部極化，表面上還會有電荷出現，形成電場；當外力去除后，材料回復到原來的狀態(tài)的現象。在彈性范圍內，壓電元件產生的電荷量與作用力之間呈現線性關系。電荷輸出為：q=kSp式中，q為電荷量；k為壓電常數；S為作用面積；p為壓力。通過測電荷量可知被測壓力大小。

自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測結構如圖電荷量經放大可轉為電壓或電流輸出測量一般配有電荷放大器，以增加輸出可通過更改壓電元件改變測量范圍可以通過疊加壓電元件以提高靈敏度自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測特點可作動態(tài)測量，不適合于靜壓力和慢變化的壓力的測量（如果施加在壓電元件上的外力不變，電荷無內部泄漏，外電路負載無限大，那么，在外力作用期間，電荷量將始終保持不變。如果負載不是無限大，電路將會按指數規(guī)律放電，壓電效應產生的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。而在動態(tài)測量時，漏電量相對比較小）體積小，結構簡單，工作可靠；頻率響應高，不需外加電源；測量范圍0~0.0007MPa至0~70MPa；測量精確度為±1%，±0.2%，±0.06%。但是其輸出阻抗高，需要特殊信號傳輸導線。6.集成式壓力傳感器是集成化傳感器，如以壓阻式壓力傳感器為基礎的集成傳感器可同時檢測差壓、靜壓和溫度。（通過多路轉換開關和模/數轉換后由微處理器進行相應的處理和顯示）自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測5.3.測壓儀表的使用及壓力檢測系統一、測壓儀表的使用測量儀表的使用，包括選擇合適的測壓儀表及儀表的校驗等方面。測壓儀表的選擇選擇合適的儀表主要根據生產過程提出的要求，結合各類壓力表的特點綜合考慮。一般涉及類型、測量范圍和測量精度等方面。類型的選擇應滿足生產過程的要求，需要了解被測介質情況、現場環(huán)境及生產過程對儀表的要求，如信號是否需要遠傳、控制、記錄或報警等。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測測量范圍（量程）根據被測壓力的大小及在測量過程中被測壓力變化的情況來選取。選取儀表量程要留有余地，在測量穩(wěn)定壓力時，最大被測壓力不能超過測量上限值的2/3；在測量脈動壓力時，最大被測壓力不能超過測量上限值的1/2；而在測量高壓時，最大被測壓力不能超過測量上限值的3/5。一般壓力的最小值，應不低于測量上限值的1/3。根據被測壓力的最大值和最小值計算出儀表的上下限后，要按壓力儀表的標準系列選定量程。目前我國壓力儀表測量范圍的標準系列是：-0.1~0.06、0.15kPa和0~1、1.6、2.5、4、6、10×10nkPa（n為整數）。測量精度生產過程允許的被測壓力的最大絕對誤差應小于儀表的基本誤差，可在規(guī)定的精度等級中確定儀表的精度。同時要注意經濟性，不必追求高精度。工業(yè)用測壓儀表的精度通常在0.5級以下。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測測壓儀表的校驗

測壓儀表在出廠前均需進行檢定，使之符合精度等級要求。使用中的儀表則應定期進行校驗，以保證測量結果有足夠的準確度。常用的壓力校驗儀器有液柱式壓力計、活塞式壓力計或配有高精度標準表的壓力校驗泵。標準儀表的選擇原則是，其允許絕對誤差要小于儀表允許絕對誤差的1/3~1/5。如果被校儀表的讀數誤差小于規(guī)定誤差，則認為它是合格的。工業(yè)校驗不用砝碼而用標準壓力表自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測壓力檢測系統包括直接測取壓力的取壓口、傳遞壓力的引壓管路和測量儀表。是準確測量的保證。取壓點位置和取壓口形式為真實反映被測壓力的大小，要合理選取測壓點，注意取壓口形式。設置取壓點的原則：①取壓點要避開各種局部阻力如管路彎曲、分叉、死角或流動形成渦流的區(qū)域，應在突出物體的（溫度計）前方，在閥門前后遠距離處（3D以上）。②取壓孔徑要小，使流體受到的擾動小，不至于在孔內形成渦流。③取壓口開孔的軸線應垂直設備的壁面，其內端面與設備內壁平齊，否則相當于孔徑增大，擾動增大。自動檢測技術與儀表控制系統壓力檢測④要防止積灰和堵塞，測量液體介質的壓力時，取壓口應在管道下部，以避免氣體進