第二章-压力检测仪表课件.ppt
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1、(1)绝对压力P :介质的真实压力。 (2)表压力: aPPp (3)负压力: PPpa 压力仪表指示的压力均为表压力。3压力的表示方法2.1.22.1.2压力测量仪表的分类压力测量仪表的分类(1)液柱式压力计gH p (2)弹性式压力计 (3)活塞式压力计(4)电测式压力计2.2.12.2.1弹性元件弹性元件特点:结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽,附加电气变换、控制装置,可实现压力远传、报警、控制等。弹性元件:压力作用下产生弹性变形,是弹性式压力计的测压敏感元件。常用弹性压力计弹性元件:2.2 弹性式压力计(1)弹簧管 结构简单,测量范围很广,最高可达109Pa。(2)波纹管 刚度小
2、、位移量大,灵敏度高,用来测量较低的压力。(3)膜片膜盒 膜片刚度大、位移量小,灵敏度低。弹性元件的材料:有金属(铜基、铁基、镍基、铌基弹性合金合金)、石英、陶瓷和硅材料等。弹性元件的基本特性:刚度:产生单位位移所需要的压力。弹性滞后:是指弹性材料在加载、卸载的正反行程中,相同压力下变形不同,位移曲线是不重合的。弹性后效:是指载荷在停止变化之后,弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移。温度系数:温度改变1度引起的刚度的变化。2.2.22.2.2弹簧管压力表弹簧管压力表1弹簧管测压原理被测压力p作用于弹簧管内腔后,其截面变形-变园。但是,弹簧管弧长度拉伸变形可以忽略不计,弹簧管微元截面
3、绕管轴心逆时针方向转动。所有弹簧管截面微元变形累积的结果,使整个弹簧管中心角减小,弹簧管产生向外挺直的扩张变形,自由端向右上方位移。图2.3 弹簧管的测压原理PKPabbhRE22222)1 (1、弹簧管材料的泊松系数和弹性模量; R弹簧管圆弧外半径;a、b弹簧管截面长半轴、短半轴;h弹簧管的壁厚; k弹簧管的几何参数, 系数; k与弹簧管结构、尺寸、材料有关的常数。 结论(1)弹簧管变形与弹簧管结构及尺寸有关。(2)弹簧管变形与弹簧管材料性能有关。(3)弹簧管变形与被测压力P成正比。弹簧管的截面形状:有扁圆形、椭圆形、D型、双零形、8字形。弹簧管的材料:磷锡青铜(QSn4-0.3)、弹簧铜(
4、50CrVA);不锈钢(1Cr18Ni9Ti)或恒弹性合金钢(N42CrTi,Ni42Cr6Ti)。2弹簧管的结构和材料 图2.4 常见弹簧管截面形状3弹簧管压力表的组成原理弹簧管压力表结构:由弹簧管、传动放大机构(包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮等)、指示装置(指针和表盘)以及外壳等几部分组成。图2.5 弹簧管压力表结构工作原理:被测压力由接头9通入弹簧管内腔,使弹簧管1产生弹性变形,自由端B向右上方位移。通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,进而带动中心齿轮4作顺时针偏转,于是固定在中心齿轮上的指针5也作顺时针偏转,从而指出被测压力的数值。由于自由端B的位移量与被测压力之间成正比例关系,因此弹簧
5、管压力表的刻度标尺是均匀的。量程调整:改变调整螺钉8在扇形齿轮的槽孔中位置,以改变传动放大机构的放大倍数,实现压力表量程的调整。变差校正:游丝7始终给中心齿轮施加一个微小的力矩,使中心齿轮和扇形齿轮始终有一侧齿面啮合,以克服齿轮传动啮合间隙而产生的仪表变差。(1)按弹簧管结构分:有单圈弹簧管压力表、多圈弹簧管压力表。(2)按测量精度分:有工业用压力表(0.5级以下)、校验用精密压力表。(3)按其用途分:有耐腐蚀压力表、耐震压力表、隔膜压力表,氧气压力表、氨用压力表等。4. 弹簧管压力表的形式 图2.6 弹簧管压力表的形式(a)径向无边 (b)径向后边 (c)径向前边 (d)轴向无边 (e)轴向
6、前边 (f)隔膜式压力表公称直径(40、60、100、150、250)。压力计的测量范围:常用的有01.0、1.6、2.5、4.0、6.010n系列。精度等级:4.0、2.5、1.5、1.0、0.5、 0.4、0.25、0.2、0.1级等。 弹簧管压力表的外形:径向、轴向、直接安装式、凸装式、嵌装式。 2.2.32.2.3电接点压力表电接点压力表作用:压力越限报警、控制。结构:在普通弹簧管压力表上附加触点机构而成。原理:当压力超过上限设定值时,动触点B和静触点A接触,红色信号灯LH的电路被接通,使红灯点亮。若压力低到下限设定值时,动触点B与静触点C接触,绿色信号灯LL的电路接通,绿灯亮,依此警
7、示压力超限。而当压力回到上(下)限以内时,静触点被上(下)限指针1、3挡住,动、静触点脱离接触,信号灯均不亮。图2.7 电接点信号压力表2.3 霍尔式压力计组成:由霍尔式压力传感器和显示仪组成。2.3.1 2.3.1 霍尔效应霍尔效应图2.8 霍耳效应原理霍尔元件:是置于磁场中的一半导体材料片。原理:磁场中的霍尔元件在Y向通入恒定电流I,自由电子受洛伦磁力F的作用发生偏移,霍尔片-X方向端面上有电子积累,+X方向端面上正电荷过剩,产生电位差E,即“霍尔电势”IBKblfhIBREhh )(h2.3.2 霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器霍尔式弹簧管压力传感器结构:两个完全相同的磁铁相对安装,
8、磁钢两对极靴形状特殊,使磁极间形成的磁场成线性分布,两侧方向相反。(a)传感器结构 (b)非均匀磁场图2.9 YSH-3型霍尔片式压力传感器 原理:当被测压力为零时,霍尔片处于极靴中央位置,左右两半磁场方向相反、互相对称,霍尔片总电势之和为零。当被测压力大于零时,弹簧管带动霍尔片左移,霍尔片总电势大于零。当输入压力是负压时,霍尔元件向右移动,霍尔电势为负。并且压力越大,霍尔片偏移越大,输出电势也越大。此霍尔电势与被测压力成比例。利用该电势即可实现压力信号的远传。2.4 电感式压力计2.4.1 2.4.1 差动变差器差动变差器差动变压器的结构:次级线圈由两个完全对称的线圈L21、L22反相串接。
9、铁芯的位置,影响次级线圈的磁耦合,使线圈L21、L22上的磁通及感应电势发生变化,其输出电压随之改变。(a)结构 (b)等效电路 (c)输入输出关系 图2.10 差动变压器2221 - eeu 12221iju)( 当铁芯在中间位置时,由于两个次级线圈的参数和磁路尺寸相等,则 ,输出电压;当铁芯偏离中间位置向上位移时,L21磁耦合加强,互感增加; L22磁耦合减弱,互感减小。 222112iju 其输出电压有效值xKIUx 12 2.4.22.4.2电感式压力传感器电感式压力传感器1、膜盒电感式远传微压力计结构:膜盒、差动变压器。原理:当被测压力P增加时,膜盒产生变形,产生轴向位移,带动铁芯在
10、差动变压器线圈中移动,从而使差动变压器产生正比于被测压力的电压输出。图2.11 电感式远传微压计图2.12 CPC型差压计结构图1-高压导管;2-低压导管;3-盖板;4-罩壳;5-紧固螺母;6-绕组;7-弹簧;8-导管螺母;9、10-密封垫圈;11-膜片;12-高压室;13-保护环;14-正压保护挡板;15-负压保护挡板;16-基座;17-低压室;18-导管;19-连杆;20-铁芯;21-调节螺母;22-低压阀;23-平衡阀;24-高压阀2、电感式差压传感器组成:三阀组、膜片、差动变压器。原理:当P1、P2分别进入高、低压室时,推动膜片向低压侧移动。通过连杆带动铁芯右移,差动变压器有电压信号输
11、出,此输出电压的大小与所测的差压成比例关系。单向受压保护:当差压太大或单向受压时,保护挡板压紧在保护环上,封闭高低、压室,利用工作液的不可压缩性,防止膜片继续变形损坏。2.5 应变式压力计2.5.1 2.5.1 应变效应应变效应 应变:压力作用下产生的相对变形。应变效应:导体产生机械变形时,电阻发生变化的现象。设应变片电阻丝在未受力时,原始电阻为ALR 当电阻丝受到轴向拉力作用变形时AALLRRdddd 2r ArrAAd2d rrLLRRd2ddd LdL为电阻丝的轴向应变; rdr为电阻丝的径向应变。 根据材料力学原理 - dRdR)(21 )(21 项是由于材料变形产生的电阻变化,为电阻
12、的几何效应。 d项是由于材料电阻率改变引起的电阻变化,称为压阻效应。 对于金属材料, 1 d KRdR )(21K为其灵敏度系数。K = 1.73.6之间。对于半导体材料, )(21 d KEdRdRl 为纵向压阻系数,E为材料弹性模量。常用硅、锗半导体材料,K = 100170。 l (1)丝式应变片: 由称为敏感栅、绝缘基底、引线、保护膜等组成。(2)箔式应变片:用金属箔经光刻、腐蚀制成。(1)体型半导体应变片:将半导体材料切割成小片,压焊引线后制成。(2)薄膜型半导体应变片:利用真空蒸镀技术将半导体材料沉积在基片上制成。(3)扩散型半导体应变片:将P型杂质扩散到不导电的N型单晶硅基片上,
13、形成一层导电的P型扩散硅扩散电阻。2、半导体应变片2.5.2 2.5.2 应变片应变片1、金属应变片(a) 体型半导体应变片 (b)薄膜型半导体应变片 (c)扩散硅半导体应变片图2.14 半导体电阻应变片图2.15 电桥电路电桥输出开路时输出电压为)(32413142RRRRRRRREVsR 1R 3=R 2R 4时 ,电桥平衡,输出电压V =0。(1)等臂电桥: R 1=R 3=R 2=R 4=R 应变片电阻R 4变化R,2R R时RRERRREVss422 KEVs4(2)等臂电桥四个桥臂均为应变电阻时 )(43214433221144 KERRRRRRRREVss2.5.3 2.5.3
14、应变电阻测量桥路应变电阻测量桥路2.5.4 2.5.4 应变片式压力传感器应变片式压力传感器1、膜片式应变压力传感器(a)结构; (b)应变片布置;(c)膜片应变图2.16 膜片式应变压力传感器原理:膜片各处产生的径向应变r在中心区域为正向应变(拉伸),在边缘区域为负向应变(压缩)。R2、R4贴在膜片的正应变区,压力作用下电阻增加;R1、R3贴在膜片的负应变区,压力作用下电阻减小。在测量桥路上,同区电阻置于电桥的相对桥臂上。这样可以得到最大的差动灵敏度,并且具有温度补偿特性。KERRRRRRRREVss4433221142、应变筒式压力传感器BPR-3型压力传感器:弹性应变筒固定在外壳和钢密封
15、膜片1之间。测量应变片R1 沿应变筒轴向粘贴,补偿应变片R2 沿应变筒圆周方向粘贴。图2.18 BPR应变式压力传感器1-膜片;2-测量应变片;3-应变筒;4-接座; 5-冷却水咀;6-垫圈;7-出线接头;8-电缆(插头座);9-护盖;10-定位销;11-补偿应变片;12-安全孔;13-压盖原理:压力P使膜片凸起,应变筒轴向变形,变粗、变短。R 1压缩变小; R 4拉伸变大。但当P =0时,R 1=R 2=R 3=R 4=R ,电桥平衡,输出电压V =0。当被测压力P 0时,R 1 = R -R 1 , R4 = R +R4 ,电桥失去平衡,输出电压:414122RRRRREVs考虑到2R-R
16、1+R4,则 KERRREVss)( 14441压力传感器敏感元件 -“硅杯”底部形成膜片,制成四个扩散电阻构成桥式测量电路。图2.19 压阻式压力传感器 (a)扩散电阻布置 (b)硅膜片上应力分布图2.20 硅膜片电阻及应力分布使R1和R3布置在压应力区,压力作用下电阻减小;R2和R4布置在拉应力区,压力作用下电阻增加。2.5.5 2.5.5 压阻式压力传感器压阻式压力传感器1工作原理与结构2扩散硅压阻式压力变送器组成:半导体硅杯、电桥检测电路、信号放大电路和标准电流输出电路。图2.22 扩散硅差压变送器测量电路图检测原理:P=0时, R1=R2=R3=R4,Ia=Ib= 0.5mA。I2为
17、3mA, Ubc=Uac,Uba=0,电桥平衡FFabRIRRIRRI2152 )()(P0时, Uac减小,Ubc增大。Uba=Ubc-Uac0。经运算放大器A、VT放大,I2增大。RF上反馈电压U F增加,导致Uac增加,直至bcacUU 电桥在压力作用下达到了新的平衡状态。如果各扩散电阻的变化R相同 )()(5221RRRIRIRRRIbFFa)(312mAIRRIFI2随应变电阻的改变线性正比变化。在被测压差量程范围内,I2=319 mA。I0=I1+I2=420mA。图2.24 石英晶体石英晶体沿X轴方向、沿Y轴方向均有压电效应。压电电荷Q与作用力F成正比关系式中,Kd为压电系数。K
18、dx=2.3110-12 C/NsdPAKQ 2.6 压电式压力计2.6.1 2.6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料压电效应:电介质材料受力变形时引起内部正负电荷中心相对位移,使介质表面上产生电荷及电势的现象。逆压电效应:电介质在外加电场作用下,分子正负电荷中心相对位移导致介质的形变的现象。2.6.2 2.6.2 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路压电元件等效电路(a)电荷源 (b)电压源图2.26 压电传感器的等效电路hACra0A为压电片面积;h为压电片厚度。 r0AaCQU为压电材料相对介电常数;为真空介电常数(8.85X 10-12F/m)压电元件本身的内阻抗很高,输出
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