检测技术与仪表-5-压力检测课件.ppt

1、5 压力检测压力检测自动检测技术及仪表控制系统自动检测技术及仪表控制系统 检测技术及仪表 Contents5.1 压力单位及压力检测方法5.2 常用压力检测仪表5.3 测压仪表的使用及压力检测系统检测技术及仪表 5.1.1 压力的单位压力的单位v 1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。v 表5-1，常用压力单位及换算。v 帕、巴、标准大气压、mmHg、psi、托(torr)检测技术及仪表 5.1.2 压力的几种表示方法压力的几种表示方法v 1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力v 2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力v 3

2、）表压力：绝对压力和大气压力之差v 4）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值v 5）差压：设备中两处的压力之差检测技术及仪表 第三节第三节 压力检测仪表压力检测仪表v 压力的表示方式 绝对压力 表压力 真空度 差压 压力范围(Pa)压力范围(Pa)超高压6108粗真空103 105高压107 6108低真空10-1 103低压105 107高真空10-6 10-1微压0 105超高真空10-10 10-6极高真空10-10 压力范围划分压力范围划分检测技术及仪表 压力表检测技术及仪表 5.1.3 压力检测的主要方法及分类压力检测的主要方法及分类v 5.1.3.1 重力平衡方法：1）液

3、柱式压力计：基于液体静力学原理 2）负荷式压力计：基于重力平衡原理v 5.1.3.2 机械力平衡方法v 5.1.3.3 弹性力平衡方法v 5.1.3.4 物性测量方法 1）电测式压力计 2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等检测技术及仪表 第三节第三节 压力检测仪表压力检测仪表液体压力计液体压力计 v工作原理工作原理:通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的方法。液柱式压力计的形式：U形管 单管 斜管 活塞式压力表（常用作标准）U形压力真空计检测技术及仪表 P=P1P2=g(h1+h2)P=9.8 L K(Pa)L 玻璃测量管液柱长度（mm）K-倾斜常数（0.2、0.3、0.4、0.6

4、、0.8）检测技术及仪表 气压计微压计检测技术及仪表 检测技术及仪表 5.2.1 弹性压力计弹性压力计v 原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例弹性压力计的组成框图弹性压力计的组成框图检测技术及仪表 5.2.1 弹性压力计弹性压力计v 5.2.1.1 测压弹性元件v 1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示弹性特性，线性关系良好v 2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系v 3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面，金属管检测技术及仪表 检测技术及仪表 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换它是根据弹性元件受力

5、变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的仪表。常用的弹性元件有弹簧管、成位移进行测量的仪表。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。基于此原理工作的仪表有弹簧管式膜片和波纹管等。基于此原理工作的仪表有弹簧管式压力表、膜片压力表、膜片或膜盒式或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。压力表、波纹管式压力表等。此类仪表多用于现场指示压力。此类仪表多用于现场指示压力。检测技术及仪表 膜片与膜盒膜片与膜盒波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩的薄波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶，可沿轴向伸缩的薄壁管子。壁管子。检测技术及仪表 5.2.1 弹性压力计弹性压力计v 5.2.1.2 弹簧管压力计

6、弹簧管压力计结构弹簧管压力计结构11弹簧管；弹簧管；22连杆；连杆；33扇形齿轮；扇形齿轮；44底座；底座；55中心齿轮；中心齿轮；66游丝；游丝；77表盘；表盘；88指针；指针；99接头；接头；1010横断面；横断面；11-11-灵敏度调整槽灵敏度调整槽检测技术及仪表 检测技术及仪表 5.2.1 弹性压力计弹性压力计v 5.2.1.3 波纹管差压计双波纹管差压计结构示意双波纹管差压计结构示意11高压波纹管；高压波纹管；22补偿波纹管；补偿波纹管；33连杆；连杆；44挡板；挡板；55摆杆；摆杆；66扭力管；扭力管；77芯轴；芯轴；88保护阀；保护阀；99填充液；填充液；1010低压波纹管；低压

7、波纹管；1111量程弹簧；量程弹簧；1212阻尼阀；阻尼阀；1313阻尼环；阻尼环；1414轴承轴承检测技术及仪表 5.2.1 弹性压力计弹性压力计v 5.2.1.4 弹性测压计信号的远传方式 弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送电远传弹性压力计结构原理电远传弹性压力计结构原理检测技术及仪表 两种霍尔式压力传感器结构两种霍尔式压力传感器结构 0-20mA检测技术及仪表 霍尔式压力计1、测量原理测量原理：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形：利用霍尔元件测量弹性元件受力作用后产生的变形现象。现象。霍尔效应霍尔效应：在一半导体薄片相对两侧面通以控制电流：在一半导体薄

8、片相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂在薄片垂直方向加以磁场直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一大小与则在半导体另两侧面会产生一大小与I和和B相乘相乘积成正比的电动势积成正比的电动势UH霍尔电势霍尔电势。具有霍尔效应的元件称霍尔元件具有霍尔效应的元件称霍尔元件。(锗、锑化铟）锗、锑化铟）检测技术及仪表 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。A AB BC CD D检测技术及仪表 BIfLfE+-霍尔元件霍

9、尔元件如如图，单位电荷受到的力：图，单位电荷受到的力：洛仑兹力洛仑兹力fL=qvB电场作用力电场作用力fE=qEH=VH/L平衡时，平衡时，fL fE霍尔霍尔电势电势BIRblfdIBKUHHH)(保持保持I、B其中一个一定，其中一个一定，UH与另一个成线性关系。与另一个成线性关系。2、霍尔式压力计的结构、霍尔式压力计的结构（参考图（参考图55b）把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于把霍尔元件固定在弹性元件的位移端，置于非均匀磁场非均匀磁场中，当弹性中，当弹性元件受压形变，产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动，此时在元件受压形变，产生位移使霍尔元件在非均匀磁场中移动，此时在元件中通一定的控制

10、电流，则元件电极出现元件中通一定的控制电流，则元件电极出现UH的大小与压力成正比。的大小与压力成正比。压力压力P位移位移霍尔电势霍尔电势UH弹性元件弹性元件霍尔元件霍尔元件变变磁场磁场B检测技术及仪表 5.2.2 力平衡式压力计力平衡式压力计v 原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基本框图力平衡式压力计的基本框图检测技术及仪表 应变式压力传感器1、测量原理、测量原理：PR，利用导体内部应变大小与电阻的关系，通利用导体内部应变大小与电阻的关系，通过应变片将压力过应变片将压力P转换成电阻值转换成电阻值R的变化。的变化。应变效应：导体在受压或受拉时发生机械变形，其电阻将发生变化。应变效应：导体在受压或受

11、拉时发生机械变形，其电阻将发生变化。SLR：电阻率电阻率L：长度长度A：横截面积横截面积取取对数、再求导对数、再求导dAdALdLRdR定义定义：应变应变为长度变化量为长度变化量LdLrdrrrdrrrdAdA22)(222检测技术及仪表 dLLdrr令泊松比：表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比表明电阻丝沿轴向伸长时，直径将缩小，两者相对变化量之比dRdRLdLAdA)21(22电阻相对变化量电阻相对变化量dR/R由二部分决定：由二部分决定：几何尺寸的变化几何尺寸的变化(1+2)；压阻效应压阻效应d/。对于金属导体对于金属导体kRdRd)21(1对于半导体对于半导体EdRd

12、Rd)21(：压阻系数压阻系数E：杨氏弹性杨氏弹性模量模量检测技术及仪表 应变片灵敏度系数应变片灵敏度系数kRdRkldlRdR金属导体：金属导体：k1+2半导体：半导体：kE检测技术及仪表 2、应变片结构、应变片结构张丝式张丝式支柱支柱张丝张丝电阻电阻膜片膜片P应变应变片式片式电阻丝（金属薄膜）电阻丝（金属薄膜）薄膜薄膜（纸基、胶基）（纸基、胶基）张丝张丝式式：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当：四根电阻丝作为测量桥路的四个桥臂。当P加上时，膜片加上时，膜片产生位移产生位移s，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，支柱上项，使上部两根电阻丝拉紧，下部二根放松，桥路上输出差动应变信号

13、，其大小与桥路上输出差动应变信号，其大小与P成正比。成正比。应变片式应变片式：能得到较大的：能得到较大的R，可以通以较大电流，提高灵敏度。尺可以通以较大电流，提高灵敏度。尺寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，寸小且薄，使用方便。由于环境温度改变时，R受受T的影响较大，的影响较大，所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。所以使用时常用差动电桥来进行温度补偿。检测技术及仪表 3、测量电路：电桥电路、测量电路：电桥电路单臂电桥单臂电桥：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为：电桥的一个臂接应变片，其它三个为固定电阻。当为等臂电桥时，其输出为等臂电桥时，其输出为rrEkUo41双臂电桥双臂电

14、桥：一个差动对一个差动对，典型例子：悬壁梁，典型例子：悬壁梁两应变片同向贴梁的上、下部，两应变片同向贴梁的上、下部，r1为为测量片测量片、r2为温度补偿片为温度补偿片，且且 r1 r2，R1R2，电桥初始平衡，电桥初始平衡，U0。环境温度变化时，环境温度变化时，r1、r2同时变化，不会破坏电桥平衡条件。同时变化，不会破坏电桥平衡条件。当当F作用时，作用时，r1 r1r（受拉），受拉），r2 r2r（受压）受压）r1r2FR1R2r1r2EUorrEkUo.21检测技术及仪表 全全桥桥：二个差动对构成等臂电桥，如下图。：二个差动对构成等臂电桥，如下图。应变电阻应变电阻r1 r2 r3 r4，r1

15、、r3受拉，受拉，r2、r4受压受压r1r2EUor4r3Fr1r2r3r4EkUo.附：如图附：如图57，四片应变片的贴法不一致，其中，四片应变片的贴法不一致，其中二片沿应变筒径向二片沿应变筒径向贴，另二片沿应变筒轴向贴贴，另二片沿应变筒轴向贴。当应变筒受压力。当应变筒受压力P作用时，一组受压，作用时，一组受压，另一组受拉，但另一组受拉，但应变并不相同，相差一泊松系数应变并不相同，相差一泊松系数，即即EkUo4112检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.1 应变式压力传感器 原理：导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化RkR几种应变式测量的结构示意几种应

16、变式测量的结构示意检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.2 压阻式压力传感器 原理：硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化 桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系eRR 压阻式压力传感器结构示意图压阻式压力传感器结构示意图11硅平膜片；硅平膜片；22低压腔；低压腔；33高压腔；高压腔；44硅杯；硅杯；55引线引线检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.3 电容式压力传感器 原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化 对于差动平板电容器，其电容变 化与板间距离变化的关系为两室结构的电容式压力传感器两室

17、结构的电容式压力传感器1 1，44隔离膜片；隔离膜片；2 2，33不锈钢基座；不锈钢基座；55玻璃绝缘层；玻璃绝缘层；66固定电极；固定电极；77弹性膜片；弹性膜片；88引线引线002dCCd检测技术及仪表 高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢内部不锈钢膜片的位置膜片的位置检测技术及仪表 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波纹隔柔性不锈钢波纹隔离膜片离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹性平

18、膜片 1010 腔腔检测技术及仪表 检测技术及仪表 电容式压力传感器电容式压力传感器P弹性元件弹性元件位移位移变变d变变A改变电容改变电容dAC如何测量、转换电容的变化量C？（1）交流电桥，Cu（2）环形二极管充放电电路，C i目的目的：把电容量的小变化量进行放大并转换成相应的电信号输出：把电容量的小变化量进行放大并转换成相应的电信号输出基本电路：环形二极管电桥基本电路：环形二极管电桥方法：充放电法测电容。方法：充放电法测电容。用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx进行充放电，输出一个与进行充放电，输出一个与Cx成正比的微安电流

19、。成正比的微安电流。检测技术及仪表 如图，由D1，D2，D3，D4构成环形二极管电桥，Cx为被测电容，Cd为调零电容，C为滤波电容，M为uA表。E1E2CCxMACCdBDD1D4D2D3i1i2i3i4用一高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容Cx和调零电容Cd进行充放电。工作过程工作过程：方波由E1E2，A、C为高电位点，D1、D3导通，D2、D4截止，Cx、Cd同时被充电至E2。流经M的电荷（AC）为：q1=Cd(E2E1)方波由E2E1，D1、D3截止，D2、D4导通，Cx、Cd同时 放电，流经M的电荷（CA）为：q2=Cx(E2E1)，且与q1反向。环形二极管电桥环形二极管电

20、桥检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.4 振频式压力传感器 原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变化来检测压力 在一定的压力作用下，变化后的振筒频率可以近似表示为 传感器由振筒组件和激振电路组成01Pffp振筒式压力传感器结构示意振筒式压力传感器结构示意11激振线圈；激振线圈；22支柱；支柱；33底座；底座；44引线；引线；55外壳；外壳；66振动筒；振动筒；77检测线圈；检测线圈；88压力入口压力入口检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.5 压电式压力传感器 原理：压电材料受到压力作用时产生电荷，外力去除后电荷

21、消失，在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系 q为电荷量，k为压电常数，S为作用面积，p为压力qkSp压电式压力传感器结构示意压电式压力传感器结构示意11绝缘体；绝缘体；22压电元件；压电元件；33壳体；壳体；44膜片膜片检测技术及仪表 压电式压力传感器1、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形变时（压缩或伸、压电效应：某些介质在施加压力而发生机械形变时（压缩或伸长），会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移，而产生电的长），会引起物质内部的正负电荷中心发生相对位移，而产生电的极化现象，最后使介质两个表面上产生符号相反的束缚电荷，电荷极化现象，最后使介质两个表面上产生符号相

22、反的束缚电荷，电荷的密度与施加的压力大小成正比，即压电效应。的密度与施加的压力大小成正比，即压电效应。正向正向压电效应：外力压电效应：外力电荷电荷逆向压电效应：电场作用逆向压电效应：电场作用机械形变机械形变具有压效应的物质称具有压效应的物质称压电材料压电材料：压电晶体：石英晶体压电晶体：石英晶体压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电陶瓷：钛酸钡、钡酸铅压电半导体：硫化锌、硫化钙压电半导体：硫化锌、硫化钙下面以石英晶体为例说明压电效应。下面以石英晶体为例说明压电效应。检测技术及仪表 石英为规则的六角棱柱体、单晶体石英为规则的六角棱柱体、单晶体XYZXX轴：电轴纵向压电效应轴：电轴纵向压电效应YY轴：机械轴

23、横向压电效应轴：机械轴横向压电效应ZZ轴：光轴受力时不产生压电效应轴：光轴受力时不产生压电效应压电式压力传感器检测技术及仪表 YXFxFy当沿当沿X、Y轴加压轴加压Fx、Fy,会在会在X表面产生电表面产生电荷。如图荷。如图XYFxFxXYXYFyXYFy压电式压力传感器检测技术及仪表 为晶片的长度和厚度，压电系数为表面面积为压电常数，badddbaFdqFdqAkAkFQxyxxyxyxyxxxxxxxxxx:2、居里点、居里点：压电性能被破坏时的临界温度点压电性能被破坏时的临界温度点。A、石英石英：SiO2 居里点居里点t t573573，t573，d2.11012C/N；t 573，无，无

24、压电性能。熔点压电性能。熔点1750，密度为密度为2.65 103Kg/m3，有有较大的机械强度和稳定的机械性能。较大的机械强度和稳定的机械性能。B、压电陶瓷压电陶瓷：人工合成的压电材料，由许多细微的单晶各自按任：人工合成的压电材料，由许多细微的单晶各自按任意的方向排列，意的方向排列，没有极化前没有压电效应没有极化前没有压电效应。一般在。一般在t100170，加以高压电场（加以高压电场（14kV/mm)极化。使单晶排列整齐，使之具有压电极化。使单晶排列整齐，使之具有压电效应特性。常用的有：效应特性。常用的有：压电式压力传感器检测技术及仪表 钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)：由：由BaCO3与与Ti

25、O2在高温下合成。其在高温下合成。其压电系数较压电系数较大大，d1071012C/N，居里点低居里点低，t120。锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)：最常用，最常用，d(200500)1012C/N，压电系数大压电系数大，居里点，居里点t300以上。以上。压电式压力传感器检测技术及仪表 压电式压力传感器压电式压力传感器：（如图：（如图511）膜片膜片压力压力力力压电晶体压电晶体电荷（电压）电荷（电压）压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电容变化量的压电元件两极有电荷产生，可等效为一电容。测出电容变化量的大小即可测得压力。大小即可测得压力。压电式压力传感器压电式压力传感器常用

26、作动态（交变）压力的测量，而不适于静常用作动态（交变）压力的测量，而不适于静态压力的测量态压力的测量。原因原因：由于晶体表面电荷不能贮存，外力作用产：由于晶体表面电荷不能贮存，外力作用产生的电荷只在无泄漏的情况下，即输入阻抗（测量电路）无限大生的电荷只在无泄漏的情况下，即输入阻抗（测量电路）无限大的情况下才能保存，静压力不能连续不断产生新的电荷，晶体表的情况下才能保存，静压力不能连续不断产生新的电荷，晶体表面电荷会很快消失，所以，要使压电晶体有电荷（电压）输出，面电荷会很快消失，所以，要使压电晶体有电荷（电压）输出，须加以交变的作用，电荷可以不断地得到补偿。须加以交变的作用，电荷可以不断地得到

27、补偿。检测技术及仪表 (并联并联)常用结构：常用结构：并联并联：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。：两片压电材料的负电荷集中在中间电极上。QQUUCC22串联串联：正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间极板由于正负：正电荷在上极板，负电荷在下极板，中间极板由于正负相等而相互抵消相等而相互抵消QQUUCC22/(串联串联)压电式压力传感器检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 5.2.3.6 集成式压力传感器 可以同时检测差压、静压、温度三个参数集成传感器的敏感元件示意集成传感器的敏感元件示意11温度元件；温度元件；22静压元件；静压元件；33差压元件；差压元件；44硅杯；硅杯；5

28、5固定台固定台检测技术及仪表 5.2.3 压力传感器压力传感器v 预存针对此传感器的修正公式，采入三种信号后进行处理，可以给出修正后的被测差压值、静压值以及温度值。集成传感器的组成框图集成传感器的组成框图检测技术及仪表 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用v 5.3.1.1 测压仪表的选择 类型 测量范围 测量精度检测技术及仪表 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用v 5.3.1.2 测压仪表的校验 标准仪表的选择原则：其允许绝对误差要小于被校仪表允许绝对误差的1/31/5活塞式压力校验系统活塞式压力校验系统11测量活塞；测量活塞；22砝码；砝码；33活塞筒；活塞筒；44螺旋压力发生器

29、；螺旋压力发生器；55工作液；工作液；66被校压力表；被校压力表；77手轮；手轮；88丝杆；丝杆；99工作活塞；工作活塞；1010油杯；油杯；1111进油进油阀；阀；a a、b b、cc切断阀；切断阀；dd进油阀进油阀检测技术及仪表 v压力检测系统 一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表 设备取压口压力仪表引压管路一个简单的压力检测系统示意图 引压管路中常用的一些附件 截止阀 隔离罐 集气器 集液器 冷凝器 5.3.2 压力检测系统压力检测系统检测技术及仪表 5.3.2 压力检测系统压力检测系统v 5.3.2.1 取压点位置和取压口形式 取压点的选取原则：1）取压点位置避免

30、处于管路弯曲、分叉、死角或流动形成涡流的区域。2）取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，不应有毛刺或突出物。3）测量液体介质的压力时，取压口应在管道下部，以避免气体进入引压管；测量气体介质的压力时，取压口应在管道上部，以避免液体进入引压管。检测技术及仪表 5.3.2 压力检测系统压力检测系统取压口选择原则示意取压口选择原则示意11温度计；温度计；22挡板；挡板；33阀；阀；44导流板；导流板；-不适于做取压口的地点；不适于做取压口的地点；-可用于做取压口的地点可用于做取压口的地点检测技术及仪表 5.3.2 压力检测系统压力检测系统v 5.3.2.2 引压管路的敷设 1）引压管的内径、长度的选定与被测介质有关；2）引压管路水平敷设时，要保持一定的倾斜度，以避免液体（气体）的积存；3）当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需有保温伴热措施；4）根据被测介质情况，在引压管路上要加装附件，如集液器、集气器等；5）在取压口与仪表之间要装切断阀，检修时使用。检测技术及仪表 一些特殊介质的取压方式 气固两相流介质 吹气取压 气液两相流介质 加分离罐 高粘度、易结晶介质 法兰引压检测技术及仪表 检测技术及仪表 5.3.2 压力检测系统压力检测系统引压管路的敷设情况引压管路的敷设情况11管道；管道；22测压仪表；测压仪表；33排液罐；排液罐；44排气罐排气罐