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1、,项目二 压力信号的检测与控制,在化工生产、冶金生产等工业生产中，检测压力和控制压力可以保障其安全运行和提高产品质量、提高劳动生产率。例如冶金企业中，很多轧机的轧制力是靠液体压力来控制的，当压力增大时工作辊的间距减小，轧制钢材厚度降低，所以测量并控制液体的压力就控制了产品钢材厚度，控制了质量。而高炉煤气管道的气体压力高低事关煤气的安全传输，正确检测和控制压力就起到了保障安全的作用。本项目主要对压力信号检测方法、检测装置的安装调试与检修进行阐述。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,1.了解弹性式传感器的结构原理、选择、检测电路、显示仪表的选择知识；2.学会安装弹性式传感器压力检测控制系统
2、；3.掌握弹性式传感器压力检测控制电路的调整调试方法。,一、目的要求,二、相关知识,1.压力相关知识,压力指垂直作用于单位物体表面的力，国际单位制（SI）中的单位是帕斯卡（符号Pa）。表示每平方米表面上垂直作用1牛顿的力（N/m2）。工程常用单位有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱等。它们与国际单位制帕斯卡的关系是：1工程大气压=98066.5 Pa 1标准大气压=101325 Pa 1毫米汞柱=133.322 Pa,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,1.压力相关知识,压力的表示方法较多，常用表压力、绝对压力和负压力表示。表压力指被测流体压力高出大气压力的部分；绝对真空为绝
3、对零压，绝对压力是指用绝对零压做起点的压力；负压力指低于大气压的压力部分。工业检测中，常用的表示方法是表压力。,2.弹簧管压力表,弹簧管压力表具有结构简单、安装维护方便、测量范围广（单圈弹簧管压力表量程高达109Pa），精度等级多（1.04.0级的都有）的优点。常用于就地测量气体或液体压力或简单的压力控制。,（1）弹簧管压力表弹簧管压力表主要有弹簧管、拉杆、扇形齿轮、中心齿轮、指针、面板、游丝、调整螺钉、管接头等组成，如图2.1.1所示。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,（1）弹簧管压力表 弹簧管是一个弯成圆弧的金属管子，截面为椭圆形。当被测流体通过管接头通入弹簧管时，
4、椭圆截面趋于圆形，弹簧管的自由端挺直变形产生位移，位移量的大小与流体压力成比例。弹簧管的变形拉动拉杆，从而带动扇形齿轮偏转、扇形齿轮将运动传给中心齿轮并带动指针偏转指示压力。游丝的作用是克服齿轮传动引起的仪表变差，调整螺钉的作用是调整拉杆和扇形齿轮的连接位置，改变传动机构的传动比，达到调节量程的目的。,2.弹簧管压力表,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,（2）电接点弹簧管压力表,2.弹簧管压力表,在需要把生产过程中的流体压力控制在一定范围内时，采用电接点弹簧管压力表，就是在压力表的表盘上另装两个可以调节的指针，可调节指针上装上静触点设定上下限，指示指针上装上动触点，当被测
5、流体的压力达到下限或上限值时，指示指针上的动触点和静触点接通控制电路进行控制或报警电路给出报警信号，实现控制要求。电接点弹簧管压力表如图2.1.2所示。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,（3）霍尔片式远传压力表,2.弹簧管压力表,霍尔片式远传压力表是在弹性元件的自由端安装霍尔元件。被测流体通入时自由端产生的位移，经霍尔元件转换成霍尔电势输出，霍尔电势经压力变送器转换成标准信号供指示或控制用。YSH-3型霍尔片式远传压力表的结构示意图2.1.3所示。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,（3）霍尔片式远传压力表,2.弹簧管压力表,霍尔电势,把N型半导体
6、材料的薄片置于磁场B中，在垂直于磁场方向上通入电流I时，则在垂直于磁场和电流的方向上出现电势差的现象叫霍尔效应。N型半导体材料中的电子移动时受到磁场的洛伦兹力而移动产生霍尔电势，霍尔电势产生电场给电子相反方向的力，当两力平衡时霍尔电势保持不变。霍尔电势产生的原理图2.1.4。,霍尔电势UH可以用公式表示为：,式中，KH叫霍尔元件的灵敏度，是与材料和结构有关的常数；I是通入的控制电流强度；B是磁场的磁感应强度。注意，此式仅用于定性分析，不做定量计算。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,（3）霍尔片式远传压力表,2.弹簧管压力表,压力与霍尔电势的转换,图2.1.3YSH-3型
7、霍尔片式远传压力表的结构示意图可知，被测流体压力充入弹簧管后，弹簧管自由端带动霍尔薄片在一对U形磁铁的磁极间移动，穿过薄片的磁感应强度发生变化，霍尔电势的值也就跟着变化。当压力为0时，霍尔薄片在U形磁铁的中央，两侧磁感应强度B大小相等，方向相反，霍尔电势UH为0。压力增加时，弹簧管自由端带动霍尔薄片移动，此时两侧磁感应强度B大小不再相等，所以霍尔电势也不再为0。霍尔电势正比于霍尔薄片的移动量，而霍尔薄片的移动量正比于通入弹簧管的流体压力。一般测量时输出的霍尔电势为020mV，可直接提供给动圈式仪表或自动平衡记录仪进行压力显示，也可以通过压力变送器转换成标准信号来对压力进行自动检测和控制。,任务
8、一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,三、压力仪表及测量电路选择,1.压力仪表的选择,正确选择压力仪表，是保证正确测量生产中流体压力的第一步。根据生产工艺对压力的测量要求、安装环境、流体性质等选择仪表。选择时注意以下几点。,（1）类型选择,根据生产工艺对压力的测量要求选择仪表类型。一般只是现场指示时，用弹簧管式压力计；需要两位控制或报警时采用电接点弹簧管压力表；需要自动显示或控制时，选用霍尔片式远传压力表。被测压力较小时选多圈式弹性元件压力表，被测压力较大时选单圈式弹性元件压力表。腐蚀性和粘稠度高时，选择膜片式压力表。压力测量仪表的类型及性能特点如表2.1.1。,任务一 弹性式传感器的压力信号
9、检测与控制,三、压力仪表及测量电路选择,1.压力仪表的选择,（1）类型选择,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,三、压力仪表及测量电路选择,1.压力仪表的选择,（2）量程选择,根据被测流体的压力上下限值选择定型生产的仪表的量程。一般仪表的上限值大于被测流体的压力上限值。为保证仪表不被损坏，被测压力变动不大情况下，仪表压力上限值等于4/3被测压力上限值；被测压力变动较大情况下，仪表压力上限值等于3/2被测压力上限值。仪表量程的下限值，低于被测压力的下限值。被测压力下限值不低于仪表量程的1/3。,（3）精度等级选择,合理选择仪表的精度等级是保证经济准确测量的必要条件。一般情况下，精度高的仪表
10、误差小、价格高，不易维护；精度低的仪表误差大、价格低廉，易维护。所以，在满足工艺要求的前提下，选择精度低的仪表可以实现经济测量。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,三、压力仪表及测量电路选择,1.压力仪表的选择,2.测量电路的选择,压力传感器的测量电路根据测量工艺要求和所选测量仪表形式选择。弹簧管就地测量仪表直接显示，不需要测量电路。实现两点测量和调节及报警的电接点弹簧管压力表直接显示，调节和报警采用有触点的继电器、接触器控制电路。实现远程自动测量和连续控制的霍尔式远传压力表（变送器）输出020mV的直流信号，可以配用XMY-40型压力数字显示仪表实现压力的自动测量；配用WXD自动电位
11、差计实现自动记录；配用XMY-42型数字显示控制仪，实现自动显示和输出执行元件所需调节信号以便自动调节。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,1.压力检测仪表安装注意事项,（1）选择有代表性的取压点。压力测量仪表应安装在能反映工艺过程要求压力的取压点上。一般装在被测流体流动平稳或无干扰的地方，取压管和被测管道内部链接平齐、光滑以防影响流体的流动。（2）测量蒸汽时加冷凝管图2.1.5（a），测量粘度大、腐蚀性或结晶沉淀介质时，加充有隔离液的隔离罐体图2.1.5（b），避免压力表内的弹性管和表外的导压管阻塞。（3）导压管上装上关闭阀门，以便方便检修。（4）被测压力较小，
12、取压口和压力表不在同一水平高度时2.1.5（c），应对液柱高度差产生的附加误差进行修正。P=H，H为取压口和压力表的高度差，为流体的密度。（5）被测介质压力波动较大时，加缓冲器。（6）定期进行校验，一般每6个月校验一次。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,1.压力检测仪表安装注意事项,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,2.压力检测仪表的校验和检修,（1）校验 检查仪表的外观正常后,检修人员可将被检表安装在检定装置上,缓慢升压至各检定点（表测量范围的35%、50%、75%三处）,观察指针行走现状。校验时，先检查压力偏差，如合格，即可校验
13、各检定点，先做线性刻度校验，再做刻度上限耐压检定3分钟。每个校验点分别记录被校表的示值和标准表示值，并以同样方式作反行程校验和记录。分析误差和故障情况后，进行调整和检修。,（2）调整和检修,零位调整 观察被测流体未通入弹簧管压力表时，指针所在的位置，若没有对准表盘零位刻度线，则可用特制的取针器将指针取下对准零位，重新固定。对有零位指针挡的压力表，一般应升压到第一个数字刻度线后再改装指针，以实现调零。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,2.压力检测仪表的校验和检修,（2）调整和检修,零位调整 观察被测流体未通入弹簧管压力表时，指针所在的位置，若没有对准表盘零位刻度线
14、，则可用特制的取针器将指针取下对准零位，重新固定。对有零位指针挡的压力表，一般应升压到第一个数字刻度线后再改装指针，以实现调零。,量程调整 若校验时发现仪表上限值超差，就应该进行量程调整。通过调整扇形齿轮与拉杆的连接位置来达到校准量程的目的。一般要结合调整零位反复调整才能达到要求。线性调整 校验中发现各校验点非线性误差相差较大时应进行线性调整。方法是松开固定机芯的螺丝，微微转动机芯，改变拉杆与扇形齿轮的夹角。顺时针转动时，夹角变小，反之增大。经验证明，拉杆与扇形齿轮夹角为90时，线性最好。,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,2.压力检测仪表的校验和检修,（2）调整
15、和检修,对于校验和使用中发现的常见故障和检修方法列于表2.1.2,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,五、系统评价和评分标准,1.弹性式传压力感器的系统评价,（2）调整和检修,好的压力检测系统应具备如下特点：（1）满足被测介质的压力范围要求和灵敏度要求。（2）满足生产工艺的精度要求。（3）输出信号易于转换或可直接通入显示仪表或调节器，实现测量或控制。（4）结构简单价格便宜。,2.评分标准,任务一 弹性式传感器的压力信号检测与控制,练习与思考1.霍尔式远传压力表是以什么为基础的电测型压力表？2.仪表的精度主要是根据什么来确定的？3.测量液体压力时，取压点应在管道的什么位置？测量气体压力时，
16、取压点应在管道什么位置？4.弹簧管压力表指针不回零有哪些可能原因？5.怎样选择一块合适的压力表？6.如何进行压力表的鉴定和调试？,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,一、目的要求,1.了解应变式传感器的结构原理、选择、检测电路的选择知识；2.学会安装应变式传感器压力检测控制系统；3.掌握应变式传感器压力检测控制电路的调整调试方法。,二、相关知识,1.电阻应变式传感器的原理,导体在受外力变形时，电阻值发生变化的现象，叫电阻应变效应。导体受外力时，由于几何尺寸和电阻率都相应发生变化，所以阻值也发生变化。金属电阻应变片的电阻变化，主要由于几何尺寸变化引起；半导体应变电阻的电阻变化主要由于电阻变
17、化率引起。金属电阻应变片的电阻相对变化与导体的应变成正比，可以用公式表示为：,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,二、相关知识,2.电阻应式传感器的结构和类型,电阻应变式传感器，主要有两种类型，一种是金属电阻应变片，另一种是半导体硅膜片（固态压阻）。金属电阻应变片的结构如图2.2.1所示，把金属丝或金属箔用粘合剂贴在绝缘基片上而成。金属电阻应变传感器使用时，应贴在弹性元件上，随弹性元件变形，使其电阻值发生变化，其规格常用电阻值表示如120、100、50等。,半导体硅片，是在N型硅晶片上扩散P型杂质，形成4个阻值相等的电阻条如图2.2.2所示。使用时将芯片封装到传感器的壳体内，把引出的电极
18、连成电桥即可如图2.2.3。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,1.金属电阻应变片的选择,外型尺寸选择 一般情况下，尺寸大的应变片，能感受较多的平均应变量，测量精度较高；尺寸小的应变片，虽然感受平均应变量较少，但能较好地反映出“点”的应力，所以对于应变片尺寸的选择，应根据弹性元件受力后的应变分布情况和尺寸来决定，弹性元件尺寸大应变均匀应变片尺寸相应大些。,阻值选择 应变片的阻值大小，根据桥路电源电压和应变片的允许功耗选择。必须保证应变片，不过负荷和过损耗。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,1.金属电阻应变片的选择,2.半导体硅片
19、式压力传感器的选择,半导体硅片式压力传感器一般由传感器厂专业人员组装。选择时只需根据被测压力大小选择量程，根据测量工艺要求选择精度等级或误差值，根据测量电源环境选择供电电压，根据指示或调节器选择输出信号，根据被测流体压力的波动频率选择固有频率就行了。,3.金属电阻应变传感器和半导体硅片式压力传感器比较,硅片式压力传感器与金属应变片传感器相比，最突出的优点是它的灵敏度高50100倍，输出信号大，输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录或驱动调节器。硅片式压力传感器也存在着多的缺点，电阻温度系数大，灵敏系数随温度变化，它的应变电阻特性非线性较大等等。硅片式压力传感器通常用于微压力测量或控制。对压力
20、较大或温度相对较高的场合采用电阻应变压力传感器。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（1）直流电桥 金属电阻应变传感器常采用直流电桥作为测量电路，如图2.2.4所示。,电桥中RL趋于无穷大，R1、R2、R3、R4都是应变片，都随弹性元件变化时电桥的输出分析如下。电桥的输出电压表达式为：,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（1）直流电桥,讨论：当R相对较小时，电桥的输出电压与应变成线性关系。当相对两桥臂的应变极性一致时，输出电压为两者之和，否则输出电压为两者
21、之差。当相邻两桥臂的应变极性一致时，输出电压为两者之差；否则输出电压为两者之和。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（3）双臂电桥双臂电桥就是在相邻两个桥臂上连接应变片，并使它们贴在弹性元件应变极性相反的位置（常称为差动工作），也被称为差动半桥。此时：R1=-R2=R,R3=R4=0，如图2.2.5所示，,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（4）全桥 全桥时R1、R2、R3、R4都是应变片，都随弹性元件变化，而且对臂电阻应变极性相同，相邻臂的电阻应变极性相
22、反：R1=-R2=-R3=R4=R，如图2.2.6所示。,从分析结果来看其它条件相同的情况，下全桥电路的灵敏度最高。选择时根据被测量引起的应变值、桥路电源和应变片的灵敏度加以选择。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（5）电阻应变片的温度补偿 环境温度变化时，由于金属材料的电阻温度系数为正使应变片电阻值增加，会引起测量误差，所以温度变化时需要进行温度补偿，以便消除或减小由于温度变化带来的误差。下面介绍常用的温度补偿方法。,补偿块补偿法 补偿块补偿法常在单臂电桥是使用，就是把两个相同的应变片，一个贴到弹性元件上，另一个贴到和弹
23、性元件相同环境温度的补偿块上，并且接到相邻的两个桥臂上如图2.2.7。当环境温度变化时，两个应变片的阻值变化相同，在直流电桥输出表达式中一正一负互相抵消，不影响输出。这就消除了温度的影响。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,三、器件及测量电路选择,4.金属电阻应变传感器测量电路的选择,（5）电阻应变片的温度补偿 差动电桥线路补偿 差动电桥中，相邻桥臂上的应变片由于应变极性相反，在电桥输出中相加不仅提高了灵敏度，而且是应变片的温度影响得到补偿，如图2.2.8所示。当温度变化时，贴在同一弹性元件上的两个应变片产生相同的变化，在直流电桥输出表达式中一正一负互相抵消。,热敏电阻电路补偿法当温度
24、升高时，电阻应变片的灵敏度降低。把负温度系数热敏电阻Rt 与固定电阻并联后，再串入电桥输入回路如图2.2.9。温度升高并联电阻降低，使电桥的输入电压升高，灵敏度提高，这样使应变片灵敏度下降对电桥输出影响得到很好的补偿。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,1.金属应变式压力传感器的安装,选择好金属应变片、弹性试件和检测电路后首先要进行应变片的粘贴，然后进行组桥。（1）粘贴位置选择应变片应贴在弹性试件长生应变较大的地方，对于不同的弹性元件粘贴位置不同。图2.2.10给出了常用弹性元件的应变片粘贴位置。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,1
25、.金属应变式压力传感器的安装,（1）粘贴位置选择（2）应变片的粘贴工艺步骤 应变片的检查。检查应变片的外观是否平整，是否有破损，是否存在断路、短路、金属丝折断、片内是否夹有气泡或霉变现象等等。测量应变片的阻值是否符合要求。试件表面处理。清除试件表面的污物，氧化层等，保持表面平整光滑。喷砂处理消除弹性试件的表面缺陷。表面处理面积大于应变片面积的35倍。确定贴片位置。标出应变片中心线 和弹性试件粘贴位置中心线。粘贴。固化。粘贴质量检查。引线和组桥。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,1.金属应变式压力传感器的安装,（1）粘贴位置选择（2）应变片的粘贴工艺步骤（3）试件
26、封装 将贴好应变片并组好桥路的试件封装在合适的外壳里如图2.2.11所示。,（4）应变式压力传感器的安装 应变式压力传感器的安装与弹性元件压力传感器相似，不再叙述。,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,四、安装和调试及检修,2.调试及检修,（1）应变压力传感器的调试 应变压力传感器的输出信号通常较小，所以串入放大电路，如图2.2.12所示。将放大电路的输出连接显示仪表记录仪表或调节器。然后将被检表安装在检定装置上,调整零位置、满量程值和调节值等。,（2）检修,任务二 应变式传感器的压力信号检测与控制,五、评分标准,练习与思考1.应变式传感器的工作原理？2.金属电阻应变片和半导体硅片式压力传感器有什么相同和不同之处？3.单臂电桥、差动板桥和全桥的灵敏度如何排序？4.金属应变片如何粘贴？5.如何安装和调试应变式压力仪表？,
