压力仪表-员工培训.ppt

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1、 压力测量压力测量u压力的压力的 基本概念基本概念u液柱式压力计液柱式压力计 U U型管压力计、单管压力计、斜管式微压计型管压力计、单管压力计、斜管式微压计u弹性式压力计弹性式压力计 弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式 u电气式压力测量电气式压力测量 电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电容式压力压差变送器、霍尔压力变送器、压电式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器电式压力传感器、固体压阻式压力压差传感器u压力检测仪表的选择压力检测仪表的选择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

2、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。概述概述PJPBPZ一、基本概念一、基本概念o帕帕(Pa)N/m2，国际单位，国际单位o兆帕兆帕(MPa)106Pao工程大气压，工程大气压，kgf/cm2，

3、98070 Pan 约等于一个大气压（约等于一个大气压（1.013e+5 Pa)，“自来水自来水压头是压头是5公斤公斤”，用的就是这个单位。，用的就是这个单位。ommH2O，9.81 PaommHg，133 Pa压力单位压力单位二压力测量仪表的分类二压力测量仪表的分类o1液柱式压力计液柱式压力计o2弹性式压力计弹性式压力计o3电气式压力计电气式压力计o4活塞式压力计活塞式压力计液柱式压力计液柱式压力计v分类分类oU型管压力计型管压力计o单管压力计单管压力计o斜管式微压计斜管式微压计v特点特点：结构简单，使用方便，准确度比较：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。高，常用

4、于测量低压、负压、差压。v缺缺点点：体体积积大大，读读数数不不方方便便，玻玻璃璃管管易易损损坏。坏。一一U型管压力计型管压力计o假假设设被被测测的的介介质质为为气气体体，可可忽忽略略被被测测介介质质的的高高度度形形成成的的静静压压值值。根据流体静力学原理可得：根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象，管子内为了减少毛细现象，管子内径一般不少于径一般不少于10mm，P2P1U型管h1h20二单管式压力计二单管式压力计 因因为为A1、A2为为常常数数，这这样样可可通通过过一一次次读读数数进进行行压压差差测测量量。当当A2/A1很很小时，小时，h1可忽略，

5、公式简化为：可忽略，公式简化为：PdPx直管h1h2三、斜管式微压计三、斜管式微压计P1P2斜管h1h2L主要用于测量微小的压力、负压和压差。主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。测量管倾斜放置。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

6、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膜膜片片式式：使使用用时时周周边边夹夹紧紧，测测低低压压、微微压压。将将两两块块膜膜片片沿沿周周边边对对焊焊起起来来，形形成成一一膜膜盒盒，膜膜盒盒式式微微压压计计通通常常用用于于测测量量炉炉膛膛和和烟烟道道尾尾部负压。精度等级为，最高可达级。部负压。精度等级为，最高可达级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2 2波波纹纹管管：开开口口端端固固定定，封封闭闭端端的的位位移移作作为为输输出出，由由于于

7、波波纹纹管管的的位位移移相相对对较较大大，故故灵灵敏敏度度高高，常用于测量较低的压力（常用于测量较低的压力（6 6PaPa）精度等级级。精度等级级。Px3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 最大特点最大特点：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u

8、C-ACxu0由运算放大器工作原理可知 结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。线性。uC-ACxu0电容式差压/压力变送器 二压电式压力传感器二压电式压力传感器压压电电效效应应：压压电电材材料料在在受受压压时时会会在在其其表表面面产产生生电电荷荷，产产生生的的电电荷荷量量与与所所受受的的压压力力成成正比。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 多多晶晶体体，例例如如压压电电陶陶瓷瓷，在在没没有有极极化化之之前前，因因各各单单晶晶体体的的压压电电效效应应都都互互相相抵抵消消表表现现为为电电中中性性，

9、为为此此必必须须对对压压电电陶陶瓷瓷先先进进行行极极化化处处理理，经经极极化化处处理理的的压压电电陶陶瓷瓷具具有有非非常常高高的压电系数，为石英的几百倍。的压电系数，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特特点点：结结构构简简单单、紧紧凑凑，小小巧巧轻轻便便，工工作作可可靠靠，具具有有线线性性度度高高量量程程范范围围大等优点。大等优点。v缺缺点点：但但是是由由于于产产生生的的电电荷荷量量少少，因因此此后后续续需需加加高高阻阻抗抗的的直直流流放放大大器器。由由于于晶晶体体边边缘缘上上存存在在漏漏电电现现象象，因因此此不不能能用用于于稳态测量。稳态测量。压电式压力压电式压力传感器结

10、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通通常常半半导导体体扩扩散散硅硅

11、电电阻阻变变化化的的灵灵敏敏度度要要远远远远高高于于应变片，大约为应变片，大约为100100倍。倍。公式：公式：n 应变效应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其全微分：其全微分：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得得:A

12、 A =r 2 2yxyyxrdrLdLemmeeee=-=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。xe-2.2.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：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)半导体材料的总电阻的相对变化与应

13、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：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、E 2.1)1011N/m2、=(4080)10-11m2/N，所以：，所以：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1-5l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

14、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 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 01-6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实际使用中

15、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：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：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：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(

16、2)半桥差动电路半桥差动电路由于由于n=1 所以所以输出输出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。1-7(2)全桥电路全桥电路 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。1-84.4.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，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应

17、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。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。R1R2R3R4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p壁厚较薄时壁厚较薄时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

18、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 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

19、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_n扩散电阻Si_n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(2)(2)受压圆膜的应力分布受压圆膜的应力分布径向径向 切向切向 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)根据根据可知可知 扩散电阻位置扩散电阻位置薄圆板受均匀压力后的应力分

20、布薄圆板受均匀压力后的应力分布R1R2R3R4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 测测压压范范围围，测测试试精精度度要要求求，被被测测介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

21、作压力不超过仪表量程的压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 根根据据在在测测量量时时允允许许的的最最大大测测量量误误差差选选择择仪仪表表，可可根根据据仪仪表表的的精精度度等等级级算算出出用用该该仪仪表表测测量量可可能能引起的最大示值绝对误差。引起的最大示值绝对误差。v 另另外外在在选选择择仪仪表表时时不不需需一一味味追追求求高高精精度度，只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，kPa以及以及10n倍倍 精度系列，精密表精度系列，精密表 工业表工业表 3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。