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1、第3章 压力和差压测量,3.1 基本概念3.2 液柱式压力计3.3 弹性原件及弹性压力表3.4 压组、压电式温度计3.5 压力计的选择、安装和校正,在工业生产、科学研究等各个领域中，压力是经常需要测量的重要参数。本章介绍压力的测量方法、测量中所用的仪器设备及所用典型传感器的基本原理及结构。,3.1 压力的测量压力的基本概念 压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低耗及安全生产的重要环节。,1.压力的定义 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为:,2.压力的表
2、示方法由于参照点不同，在工程上压力有几种不同表示方法。(1)绝对压力(2)大气压力(3)表压力(4)真空度(负压)(5)差压(压差),图3-1 各种压力之间的关系,这几种表示法的关系如图3-1所示。此外，工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。,3.压力的计量单位 压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)表示。我国已规定
3、帕斯卡为压力的法定单位。,由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的差异，压力还有多种不同的单位。目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。,4.压力检测的基本方法根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：(1)重力平衡方法:利用一定高度的液体产生的重力或者砝码的重量与被测压力相平衡。如液柱式或者活塞式压力计(2)弹性力平衡方法：利用弹性元件受压变形产生变形，弹性力被测压力(3)物性测量方法：利用敏感元件在压力，物理特性发生变化。应变式、电容式压力传感器(4)机械力平衡方法 压力 转换为集中力,3.2.液柱式压力计 应用液柱测量压力的方法是以
4、流体静力学原理为基础的。一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的，其结构形式如图所示。,(1)U形管压力计(2)单管压力计(3)斜管压力计,弹性式压力仪表,3.3.弹性压力计 当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形(即机械位移)。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值。弹性压力计的组成环节如图3-4所示:弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用何种形式要根据测量要求选择和设计；在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值；调整机构用于调整零点和量
5、程。,图3-4 弹性压力计组成框图,(1)弹性元件 同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等，如表3-1所示。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量。,表3-1 弹性元件的结构和特性,弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质。通过各种传动放大机构直接指示被测压力值。这类直读式测压仪表有弹簧管压力计、波纹管差压计、膜盒式压力计等。,弹性式压力表,弹性式压力表工作原理:是基于以弹性受压后弹性元件产生弹性变形(位移)为基础的压力测量仪表,弹性元件:
6、,膜片；膜盒；波纹管；单、多圈弹簧管,膜片,膜盒组件,单、多圈弹簧管,波纹膜片,弹性式压力表,弹性元件的特性,弹性元件：弹簧管将压力P转换为角位移x,x,x,虎克定律:,性能指标：1、刚度；2、灵敏度；3、弹性滞后；4、弹性后效,弹簧管压力表,2.工作原理自由端B的位移与被测压力之间是比例关系，因此弹簧管压力表的刻度时线性的。,1.单圈式压力表的结构组成测量元件、传动放大机构、显示机构,游丝的作用:克服由于机械传动结构的间隙而产生的测量误差(变差)。,调整螺钉的作用:实现量程的调整。,(2)弹簧管压力表 弹簧管式压力表是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般
7、结构如图3-5所示。被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移，通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的刻度标尺上指示出被测压力值。,图3-5 弹簧管压力计结构1-弹簧管；2-连杆；3-扇形齿轮；4-底座；5-中心齿轮；6-游丝；7-表盘；8-指针；9-接头；10-横断面；11-灵敏度调整槽,通过调整螺钉可以改变拉杆与扇形齿轮的接合点位置，从而改变放大比，调整仪表的量程。转动轴上装有游丝，用以消除两个齿轮啮合的间隙，减小仪表的变差。直接改变指针套在转动轴上的角度，就可以调整仪表的机械零点。弹簧管压力计结构简单,使用方便，价格低廉，
8、测压范围宽，应用十分广泛。一般弹簧管压力计的测压范围为-105109Pa；精确度最高可达0.1。,(3)弹性压力计信号远传方式 弹性压力计可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。一般可以在已有的弹性压力计结构上增加转换部件实现信号的远距离传送。弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动变压器式等，下图给出两种电远传弹性压力计结构原理。,(a)电位器式(b)霍尔元件式 弹性压力计信号电远传方式原理,电气式压力仪表,压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。,图3-7 压阻式压力传感
9、器,压阻式压力传感器的特点:(1)灵敏度高，频率响应高；(2)测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的 高压；(3)精度高，工作可靠，其精度可达0.20.02；(4)易于微小型化，目前国内生产出直径1.82mm的压阻式压力传感器。,(3)压电式压力传感器 某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。,图3-8压电式压力传感器,压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)
10、频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。,3.5 压力计的选择、安装和校准压力仪表的选择 压力仪表的选择应本着经济合理的原则综合考虑仪表类型、测量范围和精度等方面。仪表的类型应根据被测介质情况、现场环境及生产过程对仪表的要求 仪表的量程要根据被测压力的大小及其在测量过程中变化的情况来选取。仪表的精度应根据工艺生产的要求在规定的精度等级中选择确定。所选精度等级应小于或至少等于工艺要求的仪表允许最大引用误差。,压力测量系统(包括测取压力的取压口、传递压力的引压管路和测量仪表)安装的正确与否直接影响测量结果的准确性。
11、应根据具体被测介质、管路和环境条件，选取适当的取压口位置、正确安装引压管路和测量仪表。一些常用压力仪表的性能和用途见下表。,2.压力仪表的安装,3.压力检测仪表的校准 压力检测仪表在出厂前均需经过校准，使之符合精度等级要求。(1)静态校准 静态标准环境下，采用一定标准等级的校准设备，对仪表重复进行全量程逐级加载和卸载测试(2)动态校准,(1)静态校准一种是将被校表与标准表的示值在相同条件下进行比较；另一种是将被校表的示值与标准压力比较。,(2)动态校准 对用于动态压力测量的传感器或测压系统必须进行动态校准，以确定其动态特性参数，如频率响应函数、固有频率、阻尼比等。,稳态校准图3-10所示为产生
12、稳态周期性校准电磁式正弦压力源的装置。当流过电磁式力发生器中的电流成正弦规律变化时便产生正弦力，使输给传感器的介质压力按正弦规律变化。图3-10 电磁式正弦压力发生器,电测式压力表（补充）,概述,1.原理,压力pi电量 R、C、L、U、E、f,2.电测式压力的种类,3.电测式压力仪表的构成原理,1）快速测压式：利用物体的某一物理性质与压力相关的特性来测量其压力，如压电式、压阻式、压磁式等2)敏感元件加传感元件：将被测压力转换成相应的电量，如电阻式、电感式、电容式、霍尔式、应变式、振弦式。,p,电量：R.C.L.,电测式压力表,压力(差压)变送器,压力(差压)变送器的作用：将各种被测工艺变量（P
13、、P、F、L、T）转换成相应的统一标准信号（420mA DC,15V DC）传送到指示记录仪、运算器、调节器，以实现自动检测与自动控制。模拟量输出的差压变送器一般为级；智能型和现场总线型差压变送器通常为0.2级以上。,1.压力(差压)变送器的作用,电测式压力表,压力(差压)变送器,1.压力(差压)变送器的作用,施加在高压侧腔体内的压力p与液位h成正比：,p=g h,利用差压变送器测量液体的液位高度h,压力变送器,h,p,电测式压力表,压力(差压)变送器,1.压力(差压)变送器的作用,p=K Q2,利用差压变送器测量液体的流量Q,差压变送器,Q,Pi,I0,显示仪表,电测式压力表,压力(差压)变
14、送器,2.压力(差压)变送器的构成原理,根据“负反馈原理”构成的,变送器的组成及组成方块图,深度负反馈时:,变送器输出输入关系：,电测式压力表,压力(差压)变送器,3.变送器输出输入关系及特性曲线,结论:输入输出是线性关系。,变送器的量程调整、零点调整和零点迁移,量程调整：1.量程调整的目的：将输出信号的上限值Ymax与测量范围的上限值Xmax相对应.Xmax20mA 2.量程调整的方法：改变F或D(当敏感元件的材料和结构确定后时，D不会变化)零点调整及零点迁移 1.零点调整的目的：将输出信号的下限值Ymin与测量范围的下限值Xmin对应 2.方法：改变放大器输入端的零点调整信号Z0来实现的。
15、Xmin 4mA 3.什么叫零点迁移：零点迁移、零点调整的方法：加、减零点或零 点迁移信号Z,使用注意问题:先调整零点,后进行零点迁移;调整零点和量程时,应先粗调后细调;,扩散硅式压力(差压)变送器,1.扩散硅式压力(差压)变送器的作用,piR I(V)(420 mA 15 V),2.特点,稳定性高,每年优于0.1满量程。温度偏移小,由于取消了测量元件中的中介液，因而传感器不仅获得了很高的测量精度。可靠性好，采用大规模IC，电路可靠性好，抗干扰性能强。适用性广,产品具有多种型号，多种过程连接形式，可适应工业测量中的各种介质。安装维护简便、产品结构合理、体积小、重量轻、可直接任意位置安装。,电测
16、式压力表,扩散硅式压力(差压)变送器,3.压阻效应,当在半导体材料上施加一作用F力时，其电阻率将发生显著的变化，这种现象称为“压阻效应”。,半导体材料,l,A,压阻效应：,扩散硅式压力(差压)变送器,单晶硅片,采用的集成电路的扩散工艺，在单晶硅片上扩散杂质（硅）形成四个阻值相同的扩散电阻R1、R2、R3、R4,4.扩散硅式压力(差压)变送器的工作原理,扩散硅杯,P2,Pi,F2,F1,正应力：,r,0.635r,R1,R1、R4变小,R2,R3,R4,R2、R3变大,piR I(V)(420 mA 15 V),(2)结构组成,(1)作用,基于半导体材料的”压阻效应”原理,扩散硅式压力(差压)变
17、送器,4.扩散硅式压力(差压)变送器的工作原理,(2)结构组成,2.3.3 扩散硅式压力(差压)变送器,4.扩散硅式压力(差压)变送器的工作原理,Pi Fi,u,(3)工作原理,扩散硅式压力(差压)变送器,4.扩散硅式压力(差压)变送器的工作原理,(3)工作原理,电测式压力表,智能压力(差压)变送器,二、扩散硅式智能变送器,ST3000变送器是由美国霍尼韦尔公司开发的，利用单片机与微位移式压力(差压)敏感元件相结合而产生的智能压力(差压)变送器，实现了多功能的检测和非电量到电量的变换。它是带微处理器的智能变送器，具有优良的性能和出色的稳定性。它能测量气体、液体和蒸汽的流量、压力和液位。对于被测
18、量的差压，输出420mA模拟量信号和数字量信号。它也能通过DE协议实现SFC(智能现场通信器)与TDC3000或3000X和数据库的双向通信，从而方便了自诊断、测量范围重新设置和自动调零。,智能压力(差压)变送器,二、扩散硅式智能变送器,(3)工作原理,(4)应用,输入输出特性,零点调整,量程调整,零点迁移,线性化措施,SFC手操器,基于半导体材料的”压阻效应”原理,EJA特点单晶硅谐振式传感器采用微电子机械加工高新技术（MEMS）传感器直接输出频率信号，简化与数字系统的接口高精度，一般为0.065%高稳定性和高可靠性 连续10万次过压试验后影响量0.03%/16MPa 连续工作五年不需调校零
19、点 支持：BRAIN/HART/FF/PROFIBUS现场总线四种通讯协议 完善的自诊断及远程设定通讯功能 可无需三阀组而直接安装使用 基本品的接液膜片材质为：哈氏合金C-276 外部零点/量程调校,EJA智能差压变送器,工作原理由单晶硅谐振式传感器上的两个H形的振动梁分别将差压、压力信号转换为频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU（微处理器）进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的420mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。通过I/O口与外部设备（如手持智能终端BT200或375以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数
20、字通信方式传递数据，即高频2.4kHz（BRAIN协议）或1.2kHz（HART协议）数字信号叠加在420mA的信号线上。在进行通讯时，频率信号420mA的信号不产生任何扰动影响。,工作原理,EJA110A差压变送器:用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将其转变成4-20MADC的电流信号输出。EJA430A压力变送器:用于测量气体、液体和蒸汽的压力，然后转变成4-20MADC的电流信号输出。EJA210A,220A法兰安装差压式变送器:用于测量含有固体和沉淀性液体和蒸汽的液位和密度，然后转变成4-20MADC的电源信号输出。EJA310A绝对压力变送器:用于测量气体、液体和蒸汽的压力，然后转变成4-20MADC的电流信号输出。,
