自动检测技术压力测量(及课后答案)ppt课件.ppt

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1、4 压力测量,主要内容：,4.1 概述,压力的检测与控制是保证生产安全和经济的重要环节。,垂直并且均匀作用在单位面积上的力称为“压强”。工程技术上一般称其为“压力” 。,4.1.1 压力的概念,国际单位 :帕斯卡，简称帕（Pa） 1 Pa = 1 N/m2,常用单位：工程大气压（公斤力），kgf/cm21 kgf/cm2 = 9.80065 104 Pa 1105 Pa = 0.1 MPa,工程上经常使用兆帕（MPa） 1 MPa = 1106 Pa,生产和生活中不同的压力概念,(1)大气压力：大气压力是地球表面上空气的重量所产生的压力。 符号：P0表示影响因素：气象情况、海拔高度和地理纬度测

2、量仪表：气压表压力单位之一：标准大气压，atm,1 atm = 101 325 Pa= 0.1MPa,托里拆利16081647,(2) 表压力：如果测压仪表所指示的压力是以大气压力为0起点算的压力，则测量结果称为表压力。,符号PG,领域：工程中,(3) 绝对压力：是指不附带任何条件的全压力，它等于大气压力和表压力之和。,符号：Pa,如：液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力。,(4) 真空压力：当绝对压力小于大气压力时，大气压力与绝对压力之差。,(5) 差压（压差）：两个相关压力之差。,又称：真空度、负压力、疏空压力。,符号：P,注意：基准点任意且相同,不同压力间的关系,4.1.2 压力的单位换算

3、,1工程大气压=9.80665104牛顿/米2（帕斯卡）=0.980665巴=0.967841标准大气压=10米水柱（4，g=9.80665米/秒2）=735.559毫米汞柱（0，g=9.860665米/秒2）=14.223磅/英寸2,1巴=105牛顿/米2（帕斯卡）=10197.2公斤力/米2=1.01972公斤力/厘米2 =14.5038磅/英寸2=750.062毫米汞柱（0，g=9.80665米/秒2）=1.01972104毫米水柱（4，g=9.80665米/秒2）,1公斤力/米2 =1.000028毫米水柱（4，g=9.80665米/秒2）=1.001797（20，g=9.80665/

4、米秒2）毫米水柱。1标准大气压=101325牛顿/米2（帕斯卡）=10332.27公斤力/米2=760毫米汞柱（0，g=9.80665米/秒2）,4.1.3 压力测量系统的分类,静重式,弹性式,远传式,静重式,U型管单管斜管钟罩,单活塞双活塞圆柱形活塞球形活塞,液柱式压力计,活塞式压力计,4.2 液柱式压力计,4.2.1 原理4.2.2 误差,4.2.1 液柱式压力计的原理,原理：利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，根据液柱高度来确定被测压力的大小。,封液： 水、酒精、水银,特点：结构简单，物理本质清晰。,4.2.2 液柱式压力计的测量误差及其修正,（2）重力加速度变化的影响,标准地点封液高度

5、,gN标准重力加速度，9.80665m/s2H海拔高度，m； R地球半径，6356766m；海拔纬度, 。,（1）环境温度变化的影响,（3）毛细现象造成的影响,毛细现象使封液表面形成弯月面，不仅引起读数误差，还会引起液柱的升高或降低。通过加大管径来解决。,酒精：管径D=3mm；,水银：管径D=8mm,（4）安装、读数、刻度等方面的误差,4.3 弹性式压力计,全不锈钢压力表,充液防震压力表,弹性元件,弹簧管,膜片,波纹管,波纹管,单圈弹簧管压力计,结构：弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘。,4.3.1 弹簧管压力计,单圈弹簧管压力表,受力变形分析,受压后短轴长度增加：,整理得：,增大灵敏度的方法

6、？,特点：精度等级：普通型： 级；精密：0.10.5 级。测量范围：真空109 Pa；工作范围：1/31/2量程(波动大)；1/32/3量程(波动小)；注意：防尘、防爆、防腐等问题，并要定期校验。,弹性式压力计,4.3.2 膜式压力计,膜片式测量腐蚀性介质、非凝固、非结晶介质；,膜盒式测量气体的微压和负压。,精度：2.5 级测量范围：,膜片式：真空或06106 Pa膜盒式：04104 Pa,特点,4.3.3 波纹管式压力计,波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时线性输出范围比受拉时大，故常在压缩状态下使用。,用途：做流量和液位测量的显示仪表。,4.3.4 弹性式压

7、力计的误差来源,迟滞误差：相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形不一样；弹性后效误差：弹性元件变形落后于被测压力变化； （动态响应误差）间隙误差：仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不完全对应；摩擦误差：仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力；温度误差：环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化。,达到0.1%的精度是极为困难的。,4.3.5 弹性式压力计的改善途径,采用“全弹性”和“恒弹性”材料：减小迟滞误 差 和 后 效 误 差 ； 如 合 金 Ni42CrTi 、Ni36CrTiA、熔凝石英；采用新的转化技术，减小中间环节，如电阻应变技术、差动变压器技术；采用无干摩擦的弹性轴承或磁

8、悬浮轴承；改善制造工艺 。,4.4 电远传式压力计,根据测量原理分类：,电阻式电容式电感式振弦式,4.4.0 远传式弹簧管压力计,差动变压器式压力计,霍尔片式压力传感器,图3-9 霍尔效应,霍尔效应：霍尔片为一半导体材料制成的薄片。在霍尔片的Z轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场，在Y轴方向加一外电场（接入直流稳压电源），便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子逆电流方向运动，由于受洛伦兹力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个断面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，称霍尔电势。这一现象称为霍尔效应。,霍尔电势表示为,式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常

9、数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。,霍尔电势与磁感应强度B 和电流I成正比。提高B 和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。,导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。,注意,将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图所示。,霍尔片式压力传感器,1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片,当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和

10、自动控制。,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。,4.4.1 电阻应变式压力变送器,箔式应变片： 0.0030.01,（1）金属电阻丝应变片式传感器,在均匀应力的作用下,导线电阻的相对变化量为,单根导线的电阻 ：电阻率、长度和截面积，其关系：,对于圆导线， ，故近似有,受拉时，l 增大的同时 d 减小，反之，受压时，l 减小，同时 d 增大，定义材料的泊松比：, 材料的泊松比， 金属:.2.4 半导体:0.35,定义应变,：导线每单位应变引起的电阻值的相对变化量。 越大越好！,应力引起,材料应变灵敏系数,金属材

11、料应变灵敏系数K,影响很小,式中： 为应变，,材料的泊松比。,K =1.73.6,材料 康铜 （Ni 45%,Cu 55%）灵敏系数约为1.92.1，铁铬铝合金 （Fe70%，Cr2%，AL）灵敏系数约为2.42.6；直径 0.050.15 mm。,纸或胶质：0.02-0.04mm,应变片分布设计？,分析边缘固定膜片上的应变分布状况！,切向应变t和径向应变r既和压力有关，又和该点距膜片中心的远近有关。,在膜片中心，径向应变和切向应变都达到最大值；当x=0.58r时，径向应变r =0；当x=r时，径向应变达到负最大值，而切向应变为0；,切向应变：,径向应变：,测量电桥,应变片粘帖位置,平膜片上的

12、应变分布,举例：用电阻应变片制作电子秤,金属电阻丝应变片贴牢在悬臂梁上下表面，悬臂梁远端加砝码使它弯曲，上表面受到拉伸，下表面受到压缩。所以上表面电阻阻值变大，下表面电阻阻值变小。,应变片的结构示意图1 敏感栅 ；2 引线；3 粘结剂 ；4 盖层； 5 基底,分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥（所谓 单臂、半桥或全桥 ）,以电压表为平衡检测器。未加砝码时，调节电桥平衡，输出电压为零。随着负载增加，电桥不平衡性加大，电压表读数越大。,m p R U om = f (U o )线性关系,金属电阻丝应变片式传感器的特点：优点：金属丝或箔式应变片性能稳定，精确度高，已得到广泛应用。缺点

13、：灵敏度系数较小（2.42.6），对粘贴工艺要求严格，不利于使用。,粘贴位置：防止受被测介质污染、氧化、腐蚀，贴在弹性元件不和被测介质接触的一面。,（2）半导体压阻式传感器, 半导体的定义：是指常温下导电性介于导体和绝缘体之间的材料。 半导体材料：掺杂质的单晶硅或锗，具有晶体属性，即各向异性。 导电特性：半导体通过电子或空穴传导的方式传输电流。 扩散硅压阻式传感器制作工艺：在半导体材料上用扩散方法形成的电阻； 特点：灵敏度系数大、弹性元件和应变电阻集成在一起，易大批量生产，利于微型化、集成化和智能化。,半导体材料应变灵敏系数K,影响很小,压阻系数,应力,弹性模量,应变,半导体材料的 、E、K均

14、为各向异性，是随晶向而变的参数。,（）单晶硅的晶向和晶面表示及其压阻系数,举例1：图中，为某一晶面，晶面的法线方向就是晶向(为 ），与x,y,z轴的方向余弦分别为:cos,cos,cos；该平面在x,y,z轴的截距分别为r,s,t,则,ABC 晶面的晶向ABC 晶面（）,h,k,l为密勒指数，它们为无公约数的最大整数, 晶向和晶面表示方法, 压阻系数, l 纵向应力； t 横向应力； l 纵向压阻系数；t 横向压阻系数。,独立的正应力,独立的剪应力,六个独立的应力将引起六个独立的电阻率的相对变化量。,压阻系数,剪应力不引起正向压阻效应,正应力不引起剪切压阻效应,剪切应力只在自身剪切平面内产生压

15、阻效应无交叉影响。,由于正立方晶体的对称性，正向压阻效应相等。,由于对称性，正应力产生横向压阻效应并且相等。,由于对称性，剪切压阻效应相等。,正向电阻率相对变化量 (1 , 2 , 3 ) 由正向压阻效应和横向压阻效应构成；剪切电阻率相对变化量 (4 , 5 , 6 ) 仅由剪切压阻效应构成。,典型压阻系数, 影响压阻系数大小的因素,杂质浓度,压阻系数,温度,压阻系数,（4）固态压阻器件,金属丝应变片金属丝电阻具有一定的温度系数；弹性元件（基底）与金属丝的线膨胀系数不等；扩散硅压阻应变片温度特性,（5）测量桥路及温度补偿,温度补偿,差动结构（2个应变片）电桥（相邻桥臂） 实现：温度补偿，输出电

16、压灵敏度1倍。电桥结构（4个应变片）电桥（4个桥臂）温度补偿，电压灵敏度2倍。,恒压源供电电桥,假设1：个电阻的初始值为，当有压力时，应力变化，电阻值两个，两个。,假设2： 温度变化则每个电阻值会变化；电桥输出电压为,整理,若,说 明：电桥输出Uo R /R P(被测压力)；与U的大小和精度有关；当0时，还与温度有关；恒压源供电原理的测量桥路，不能消除温度的影响。,恒流源供电电桥假设：两个支路的电阻相等，即,电桥输出 Uo R P(被测压力 )；与电流源 I的大小和精度有关；与 无关；恒流源供电原理的测量桥路，能消除温度的影响 。,桥路输出,说 明:,零点温度补偿,零点温度漂移，是由于4个扩散

17、电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。,串联电阻主要起调零的作用，并联电阻主要起补偿的作用。当温度升高时，如果R2增加比较大，就会使D点电位低于B点电位，B、D两点间的电位差即为零点漂移。如何消除呢？在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻Rp,Rp和Rs如何计算？,零点温度补偿,Rp和Rs如何计算？,由以上四式求得Rp，Rs,和，再计算出常温下Rp和Rs的值，然后选择该温度系数的电阻即可。,灵敏度温度补偿,为什么要进行灵敏度补偿？,如何进行灵敏度补偿？,答：因为压阻系数随温度变化引起灵敏度温度漂移。,答：在电源回路中串联二极管。,4.4.2 电容式压力（差压）变送器,微位移式变送器,压力,

18、测量膜片,微位移,电容变化,测量电路,标准信号,(1) 结构形式,（2）特点,精度可达0.075。可测压力、差压、绝对压力、带开方器的差压（流量测量）以及高差压、微差压、高静压。灵敏度高：利于微压测量。/相对变化量大:3050输出信号大、抗干扰能力强。环境适应性强，工作稳定性优良。抗过载能力强，过载消除后可恢复正常工作。,安装方位有影响；存在分布电容的影响；测量膜片工作特性存在非线性。制造难度大：(微位移：0.1mm)，加工精度要求高。开环误差按1:1传递。膜片微小蠕变、测量电路误差影响整机性能。,优点：,缺点：,（3）工作原理, 检测元件,检测元件工作原理,膜片半径,任意半径,求出C0和CA

19、就可求出CL和CH了,输出电流与压差呈线性关系,振荡器激励电压,补充：,干式陶瓷电容压力传感器（变送器）传感器基底和膜片都采用陶瓷，基底和膜片电极构成电容，中间无传递液，压力直接作用在陶瓷膜片上，使膜片产生0.03mm的位移,电容的变化值经激光微调,传感器专用信号调理电路ASIC放大 。电极材料：采用钯银电极浆料（Pd-Ag 电极）。优点：零力学滞后、高弹性、无污染，抗腐蚀性好、蠕变和迟滞小、温漂小、过载能力强，抗磨损、蠕变小；兼有较高的热导率和电绝缘强度；安装位置无影响；可测量低微压力。缺点：差压传感器制作困难。,硅电容压力传感器（变送器）,对称的差动电容被刻蚀到单晶硅片上，压力使硅片弯曲，

20、电容器两极间的距离发生了改变，传感器的电容值相应的也变了。这种传感器兼有电容式和硅传感器的优点，国内外都是研究热点，并有相关产品，如富士、沈阳传感器研究所等都在研究生产，具有很大发展前景。,微机械加工技术 :MEMS,4.4.3 电感式压力（差压）变送器,（1）工作原理,组成：1线圈，2铁芯，3衔铁,空气隙的磁阻,导磁体的磁阻,自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。目前常用的自感式传感器有变气隙式和变面积式两种。,非线性项,非线性项,（2）结构,4.4.4 振弦式压力（差压）变送器,以拉紧的金属弦作为敏感元件。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测

21、量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号（频率信号）。,4.4.4 振弦式压力（差压）变送器,弦振动的激励方式：连续激励法和间歇激励法,因为 中，频率与张力是非线性关系，所以,需加装线性化变换电路。,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。 测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4 测量脉动压力

22、：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜。（经验要求而已）,4.5 压力表的选择、校验和安装4.5.1 压力表的选择,仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求仪表的基本误差应小于实际被测压力允许的最大绝对误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测

23、量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa ，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。,仪表类型,正确选用仪表类型是保

24、证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表

25、的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,仪表类型,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,举例,例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解由于往复式压缩机的出口压

26、力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,由于 ，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为 所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,4.5.2 压力表的校验,（1）取压口的选择原则：, 取压口要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管道弯曲、分叉及流束形成涡流的地方。 当管道中有突出物（如温度计套管）时，取压口应在

27、突出物的上游方向一侧。 取压口处在管道阀门、挡板之前或之后时，其与阀门、挡板的距离应大于2D及3D（D为管道内径）。 流体为液体介质时，取压口应开在管道横截面的下侧部分，以防止介质中气泡进入压力信号导管，引起测量延迟，但也不宜开口在最低部，以防沉渣堵塞取压口。 如果是气体介质，取压口应开在管道横截面上侧，以免气体中析出液体进入压力信号导管，产生测量误差，但对水蒸气压力测量时，由于压力信号导管中总是充满凝结水，所以应按液体压力测量办法处理。,4.5.3 压力表的安装,（）压力信号导管安装, 为了减小管道阻力而引起的测量迟延，导管总长一般不应超过60 m，内径一般在610 mm。 应防止压力信号导

28、管内积水（当被测介质为气体时）或积气（被测介质为液体时），以避免产生测量误差，因此对于水平敷设的压力信号导管应有3%以上的坡度。 当压力信号管路较长并需要通过露天或热源附近时，还应在管道表面敷设保温层，以防管内介质汽化或结冰。为检修方便，在取压口到压力表之间应装切断阀，并应靠近取压口。,（）压力表的安装, 压力表应安装在易观察和检修的地方。 安装地点应避免振动、高温、潮湿和粉尘等影响。 测量蒸汽压力时应加凝液管，以防高温蒸汽直接与测压元件接触；测量腐蚀性介质压力时，应加装充有中性介质的隔离罐等。总之针对具体情况，要采取相应的防护措施。 压力表连接处要加装密封垫，一般低于80及2MPa压力，用石

29、棉纸板或铝片，温度和压力更高时用退火紫铜或铅垫。另外还要考虑介质影响。,作业：4.3 ，4.8，4.9，4.11,4.3,答：将金属应变片贴在弹性元件上，或在半导体硅片上生成应变电阻，应变电阻感受弹性变形产生应变，引起电阻值变化，通过测量电流转换成电流信号。金属应变片的原理是应变效应，其应变灵敏度系数为常数，且较小，一般为2左右；半导体应变片的原理是压阻效应，其应变灵敏度系数较大，有正有负，一般是金属应变片的50100倍，其值随晶向及半导体内杂质不同而变化，；,4.8 答：压力表的选择原则：1.确定仪表量程；2.确定仪表精度；3. 考虑特殊情况或介质特性；4.本着经济实用的原则。,解：由题意可

30、知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa ，则,根据工作压力的要求：,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.5*5%=0.025 MPa这就要求所选仪表的相对百分误差满足：（2.5-0）*1%=0.025， （2.5-0）*1.5%=0.0375（4-0）*1%=0.04， （4-0）*1.5%=0.06按照仪表的精度等级，可选择1级的0-2.5MPa压力表。,4.9 若被测压力变化范围为0.51.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的5%，可供选择的压力表规格：量程为01.6MPa， 02.5MPa， 04MPa，精度等级为1.0，1.5，2.5级三种，试选择合适量程和精度的压力表。,故量程选02.5MPa,或,4.11,证明：设初始状态,当,