最新压力仪表-员工培训ppt课件.ppt

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1、压力仪表压力仪表-员工培训员工培训o压力压力 垂直作用于物体表面上的力垂直作用于物体表面上的力o压强压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力垂直作用于单位面积物体表面上的力o 在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指和压强。通常所说的压力实际上是指压强压强。o压差压差 测量两个压力之差称压差测量两个压力之差称压差o 表压力表压力 压力仪表指示的压力值压力仪表指示的压力值 缺省情况下，缺省情况下，所说的压力值即指表压力所说的压力值即指表压力 表压力可正表压力可正可负，为负时其绝对值称为可负，为负时其绝对值称为真空度真空度。

2、 概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念弹性式压力计弹性式压力计一、概述一、概述o 原理：原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表形制成的测压仪表o 特点：特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传传o 常用弹性压力表：常用弹性压力表：n 膜片（盒）式膜片（盒）式n 波纹管式波纹管式n 弹簧管式弹簧管式二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性1膜片式膜片式：使用时周边

3、夹紧，测低压、微压。：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式膜盒式微压计微压计通常用于测量炉膛和烟道尾通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为部负压。精度等级为2.5，最高可达，最高可达1.5级。级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2 2波纹管波纹管：开口端固定，封闭端：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（常用于测量较低的压力（1.0-1.0-10106 6PaPa） 精度等级精度等级1.51.5级。级。Px

4、3弹簧管弹簧管： 单圈弹簧管单圈弹簧管 多圈弹簧管多圈弹簧管二弹性元件及其特性二弹性元件及其特性弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力计电气式压力检测电气式压力检测一一电容式压力传感器电容式压力传感器： 将弹性元件的位移转变成电信号。将弹性元件的位移转变成电信号。运算放大器式电路运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 uC-ACxu0电容式差压/压力变送器 二压

5、电式压力传感器二压电式压力传感器 压电效应压电效应：压电材料在受压时会在其表面：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。正比。 压电材料压电材料： 单晶体单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等，例如石英、酒石酸钾钠等 多晶体多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。的压电系

6、数，为石英的几百倍。二压电式压力传感器二压电式压力传感器v 特点特点：结构简单、紧凑，：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围具有线性度高量程范围大等优点。大等优点。v 缺点缺点：但是由于产生的：但是由于产生的电荷量少，因此后续需电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于电现象，因此不能用于稳态测量。稳态测量。压电式压力压电式压力传感器结构传感器结构二压电式压力传感器二压电式压力传感器三固体压阻式压力压差传感器三固体压阻式压力压差传感器原理原理： 电阻的尺寸发生变化，例如电阻

7、的长度、横截面电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面积发生变化将引起电阻的变化。积发生变化将引起电阻的变化。 电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。分类分类：应变片应变片：受压或受拉时，电阻的尺寸：受压或受拉时，电阻的尺寸L、S 发生变化，引起电阻的变化。发生变化，引起电阻的变化。 半导体扩散硅半导体扩散硅：在压力的作用下，电阻率发：在压力的作用下，电阻率发 生变化。生变化。o 通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为应变片，大约为100100倍。倍。SLR/公式：公式：n 应变效应

8、的理论基础应变效应的理论基础l金属导体的电阻定律金属导体的电阻定律( (线材线材) )2 2r A A = =r 2 2L L：导线截面积。：导线的电阻率、均匀导线的长度、总电阻、式中ALRALR:.其全微分：其全微分：AdAdLdLRdR给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，力的作用下，L L、A A、均可发生变化。均可发生变化。1.1.应变式电阻传感器应变式电阻传感器l材料的泊松比材料的泊松比 与与 dL/LdL/L、dA/AdA/A 在力的作用下的相互关系在力的作用下的相互关系xxxxyKcRdRLdL

9、AdAVdVVdVcd)21 (21)21 (2得：drdrLdLAdAdLdLRdR2得得: :ddRdRxxx)(212A A = =r 2 2yxyyxrdrLdL则有，、径向应变为设轴向应变为K K为灵敏系数为灵敏系数c c 是一个与材料性质和加是一个与材料性质和加工方法有关的常数。工方法有关的常数。x2.2.半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，且满史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，且满足：足：xEd 单晶体的轴向应力单晶体的轴向应力x 单晶体的轴向应变单晶体的轴向应变E E 弹性模量弹性模量 单晶

10、体的压阻系数单晶体的压阻系数( (不是圆周率不是圆周率)= = EEx ( (胡克定律胡克定律) )xSxxKEdRdR)21 ()21 (半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：EKS)21 (最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数 ：* * * 讨论：一般材料讨论：一般材料= 0.20.4、E =(0.12.1)1011N/m2、=(4080)10-11m2/N，所以：，所以：mSKK)8050(由此可见半导体材料的应变电阻效应要更大些。由此可见半导体材料的应变电阻效应要更大些。l分类分类 ( (按敏感栅的结

11、构特点和构成材料进行分类按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类) )丝式丝式箔式箔式半导体式半导体式n电阻应变片的结构及工作方式电阻应变片的结构及工作方式l基本结构基本结构xKRdR1-5l工作方式工作方式 ( (工作原理工作原理) ) 应变片在使用时，用粘合剂粘在试件应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变的。粘贴表面，用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。时需使栅丝的轴线沿应变方向。应变方向应变方向应变片与试件的粘结应变片与试件的粘结试件试件应变片应变片RdRKx1注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。3

12、3、电阻应变片应变电阻的测量、电阻应变片应变电阻的测量)(dIdURdRx或或 实际使用中均用实际使用中均用电测法电测法，即，即1 1直流电桥法直流电桥法当负载电阻当负载电阻R R L L时，输出电压时，输出电压U U0 0 4332110RRRRRREU1-6 431421432321432132414314214323214321324101RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRREULLL 当负载电阻当负载电阻R L为有限值时的输出电压为有限值时的输出电压U0 43142143232143211RRRRRRRRRRRRRRRRRL 实际使用

13、中负载电阻实际使用中负载电阻R L虽然无法满足，但下式很容易满足：虽然无法满足，但下式很容易满足：此时输出电压此时输出电压U0仍可表示为：仍可表示为： 4332110RRRRRREU电桥的平衡条件电桥的平衡条件: : 这是我们熟知的：这是我们熟知的：U0=0 R1R4-R2R3=0n电压灵敏度电压灵敏度 根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：根据电桥的平衡条件，在平衡条件下有：nRRRR3412应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始，应变片受应变作用，电桥从平衡状态开始， R R 1 1 R R 1 1+R R 1 1， U U0 0 为：为： nRRnnRREnnRRnnRRERRRRRRRRR

14、RRRERRRRRRRRRREU 111111111111111134121112113443211324110112011)1 (1RRnnEURR时实际应用中，可用电阻应变片来代替实际应用中，可用电阻应变片来代替R1，设桥臂比，设桥臂比n :(1)单臂电桥单臂电桥(2)半桥差动电路半桥差动电路11114332211110111111RRnnEnnnRRERRRRRRRRREU2112RRRR时应变为零平衡)(,由于由于n = 1 所以所以。、ESRREUV2121110输出输出U 0为纯线性，且灵敏度提高了一倍。为纯线性，且灵敏度提高了一倍。11RR22RR3R4R0U1-7(2)全桥电路

15、全桥电路114433332211110RRERRRRRRRRRRRREU43214312RRRRRRRR时应变为零平衡)(, 输出输出U 0为也纯线性，且灵敏度又为也纯线性，且灵敏度又提高了一倍。提高了一倍。11RR44RR33RR22RR0U1-84.4.应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用p 应变式压力传感器应变式压力传感器l薄板式薄板式( (膜片式膜片式) )压力传感器压力传感器 当流体的压强作用在薄板上，薄当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变板就会产生形变( (应变应变) )，贴在另一侧，贴在另一侧的应变片随之形变的应变片随之形变( (应变应变) )，通过桥式，通过桥式等

16、测量电路，可以测出与应变相对应等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。的输出电压，从而得到压力的大小。p 贴片位置贴片位置 在在t =r的的两个半径处分别粘两个半径处分别粘贴个于检测径向贴个于检测径向应变和切向应变的应变和切向应变的应变片，构成全差应变片，构成全差动电桥。动电桥。R1R2R3R400707021rrr.r0r等半径贴片等半径贴片 筒式应变压力传感器筒式应变压力传感器DD0P筒式压力传感器筒式压力传感器性能特点：可用于高压测量。性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。环向应变环向应变p0212DDnpnEp;)

17、(壁厚较薄时壁厚较薄时)(;.00212501DDhpDhEp零应变用于零应变用于温度补偿温度补偿 以上两款压力传感器均是利用弹性元件以上两款压力传感器均是利用弹性元件将压力转变成将压力转变成应变应变，再用，再用应变电阻应变电阻（应变片）（应变片）将这种应变转变成将这种应变转变成电阻的变化电阻的变化，从而测得作，从而测得作用压力的大小。金属应变片的性能较为稳定，用压力的大小。金属应变片的性能较为稳定，工艺也较为成熟，但比较复杂，贴片的工艺工艺也较为成熟，但比较复杂，贴片的工艺水平对性能的影响较大，输出较小。水平对性能的影响较大，输出较小。l 固态压力传感器固态压力传感器 (1)(1)结构结构

18、利用半导体扩散技术，在利用半导体扩散技术，在n型硅基底型硅基底( (硅杯的圆形膜片硅杯的圆形膜片) )上上扩散出扩散出4 4个个p型电阻，利用其型电阻，利用其压压阻效应阻效应，构成敏感电桥，当压，构成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压对应的输出电压，从而得到压力的大小。力的大小。扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_np扩散电阻Si_nph0rrtrop薄圆板受均匀压力后的应力分布薄圆板受均匀压力后的应力分布d (2) (2) 受压圆膜的应力分布受压圆膜的应力分布2202

19、3183rrhpr)()(220231183rrhpt)()(径向径向 切向切向。硅为：泊松比计算点半径，膜片有效半径，膜厚，压力，).(:3500rrhP 单晶体的轴向应力单晶体的轴向应力 单晶体的压阻系数单晶体的压阻系数( (不不是圆周率是圆周率)22023183rrhpr)()(220231183rrhpt)()(根据根据可知可知两侧径向应力反向。即在时00063500635031rrrrrr.,.两侧切向应力反向。即在时000812008120311rrrrrt.,. 扩散电阻位置扩散电阻位置h0rrtrop薄圆板受均匀压力后的应力分布薄圆板受均匀压力后的应力分布R1R2R3R40r2

20、1rrrt 或或在满足：在满足：rt rr r1 r2的两个半径处（应力大小的两个半径处（应力大小相等方向相反）扩散相等方向相反）扩散 4 4 个个电阻构成全桥差动电路。电阻构成全桥差动电路。压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一一压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择 测压范围，测试精度要求，被测介测压范围，测试精度要求，被测介质的物理化学性质。质的物理化学性质。1.仪表量程选用仪表量程选用 为保证安全性，压力较稳定时，为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力最大工作压力不不超过仪表量程的超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的压

21、力不超过仪表量程的2/3。 为保证准确度，为保证准确度，最小工作压力最小工作压力不低于满量程的不低于满量程的1/3。 2仪表精度的选择仪表精度的选择v 根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。引起的最大示值绝对误差。v 另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。要满足测量精度要求即可。弹簧管压力表量程和精度系列弹簧管压力表量程和精度系列 我国目前弹簧管压力表量程系列，我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表工业表 1.0, 1.5, 2.53被测介质的物理化学性质被测介质的物理化学性质选择选择l 被测介质的性质，被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，锈钢或其他耐腐蚀的材料，l 使用环境。使用环境。