压力检测与仪表.pptx
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1、刘玉长刘玉长第一节 概述第二节 弹性式压力计第三节 压力(差压)传感器第四节 真空计第五节 压力检测仪表的选用刘玉长刘玉长第一节第一节 概概 述述 一、压力定义与单位一、压力定义与单位 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制在国际单位制(SI)和我国法定计量单位中,和我国法定计量单位中,压力的单位是压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”,简称,简称“帕帕”,符,符号为号为“Pa”。由于历史原因,其它一些压力单位还在由于历史原因,其它一些压力单位还在使用,表使用,表1给出了各种压力单位之间的换算关给出了各种压力单位之间的换算关系。系。刘玉长刘玉长表1 常用压力换算表单位
2、单位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2barPsi帕斯卡帕斯卡(Pa)19.86910-67.50110-30.1021.0210-510-51.45010-4标准大气压标准大气压(atm)10132517601.0331041.0331.01314.696毫米汞柱毫米汞柱(mmHg)133.31.31610-3113.5951.36010-31.33310-31.93410-2毫米水柱毫米水柱(mmH2O)9.8070.96810-47.3610-211.00010-49.80710-51.42210-3千克力千克力/厘米厘米2(工程大气压工程大气压)(kgf/cm2)98066.5
3、0.968735.561.00010410.98114.223巴巴(bar)1050.987750.0621.0201041.020114.504磅磅/寸寸2(Psi)689.56.80510-251.715703.0727.03110-26.89510-21刘玉长刘玉长二、压力的表示方法压力有三种表示方法,即绝对压力、表压压力有三种表示方法,即绝对压力、表压力、负压力或真空度,它们的关系如下图所示。力、负压力或真空度,它们的关系如下图所示。P真空度真空度P绝对压力绝对压力P表压表压P绝对压力绝对压力大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线绝对压力、表压、负压绝对压力、表压、负压(真空
4、度真空度)的关系的关系刘玉长刘玉长三、压力检测方法(1)弹性力平衡法:弹性力平衡法:利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。力与被测压力相平衡的原理。(2)重力平衡方法:重力平衡方法:利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。被测压力相平衡的原理。(3)机械力平衡方法:机械力平衡方法:将被测压力经变换元件转移成一个集中力,用外力与将被测压力经变换元件转移成一个集中力,用外力与之平衡,通过测得平衡时的外力来得到被测压力。之平衡,通过测得平衡时的外力
5、来得到被测压力。(4)物性测量方法:物性测量方法:基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理。力成确定关系变化的原理。刘玉长刘玉长第二节 弹性式压力计 用弹性传感器用弹性传感器(又称弹性元件又称弹性元件)组成的压力测组成的压力测量仪表称为量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。1.1.弹性元件受压后产生的形变输出弹性元件受压后产生的形变输出(力或位移力或位移),可以通过传动机构直接带动指针指示压力可以通过传动机构直接带动指针指示压力(或压或压差差),2.2.也可以通过某种电气元件组成变送器,实现压也可以通过某种电气元件组成变送
6、器,实现压力力(或压差或压差)信号的远传。信号的远传。刘玉长刘玉长一、测量原理 当弹性元件在轴向受到外力作用当弹性元件在轴向受到外力作用 时,就时,就会产生拉伸或压缩位移会产生拉伸或压缩位移x,即,即x=pA/C虎克定律虎克定律式中,式中,p为压力,为压力,Pa;A承受压力的有效面积,承受压力的有效面积,m2;C弹性元件的刚度系数。弹性元件的刚度系数。当弹性元件材料、尺寸等确定后,则弹性当弹性元件材料、尺寸等确定后,则弹性元件产生拉伸或压缩位移元件产生拉伸或压缩位移x与被测压力与被测压力p成正比,成正比,这就是弹性式压力表的测量原理。这就是弹性式压力表的测量原理。刘玉长刘玉长二、弹性元件结构和
7、特点刘玉长刘玉长三、弹性式压力计(一一)弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力表在弹簧管压力表在弹性式压力表中更是弹性式压力表中更是历史悠久,应用广泛。历史悠久,应用广泛。弹簧管压力表中压力弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非弹簧管的横截面呈非圆形圆形(椭圆形或扁形椭圆形或扁形),弯成圆弧形的空心管弯成圆弧形的空心管子,如图所示。子,如图所示。刘玉长刘玉长 弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管弹簧管拉杆拉杆指针指针中心齿轮中心齿轮扇形齿轮扇形齿轮接头接头游丝游丝刻度盘刻度盘调整螺钉调整螺钉螺旋弹簧管、盘簧管螺旋弹簧管、盘簧管刘玉长刘玉长(二)波纹管差压计波纹管的特点
8、是灵敏度高波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压特别是在低压),但是迟滞误差较大,波纹管压力表的测量,但是迟滞误差较大,波纹管压力表的测量范围较小,一般为范围较小,一般为00.4MPa,仪表的准确,仪表的准确度等级为度等级为1.52.5级。级。波纹管波纹管双波纹管差压表双波纹管差压表刘玉长刘玉长 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力,压力测量范围为压力,压力测量范围为-2040kPa,仪表的准确度等,仪表的准确度等级一般为级一般为1.52.5级。级。膜片压力表膜片压力表膜盒压力表膜盒压力表金属膜片金属膜片(三)膜盒压力表刘玉长刘玉长第三节 压力
9、(差压)传感器 压力传感器结构型式多种多样,常见的压力传感器结构型式多种多样,常见的型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式、霍尔式及振弦式等。电容式、霍尔式及振弦式等。电气式压力检测方法一般是用压力敏感电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现这种压力的变化。能实现这种压力-电量转换的压敏元电量转换的压敏元件有:压电材料、应变片和压阻元件。件有:压电材料、应变片和压阻元件。刘玉长刘玉长一、霍尔压力传感器霍尔压力传感器属于位移式压力霍尔压力传感器属于位移式压力(差压差压)
10、传传感器。它是利用霍尔效应,把压力作用所产生感器。它是利用霍尔效应,把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号,实现压力的弹性元件的位移转变成电势信号,实现压力信号的远传。信号的远传。(一一)霍尔效应霍尔效应 把半导体单晶薄片把半导体单晶薄片(霍尔片霍尔片)置于磁场置于磁场B中,中,当在晶片的当在晶片的y轴方向上通以一定大小的电流轴方向上通以一定大小的电流I时,时,在晶片的在晶片的x轴方向的两个端面上将出现电势,轴方向的两个端面上将出现电势,这种现象称霍尔效应,所产生的电势称为霍尔这种现象称霍尔效应,所产生的电势称为霍尔电势电势UH。刘玉长刘玉长霍尔效应原理 霍尔电势霍尔电势UH与电流与电
11、流I以及磁场强度以及磁场强度B的关系的关系如下:如下:UH=RHIB式中,式中,RH为霍尔系数,与霍尔片材料、结构尺为霍尔系数,与霍尔片材料、结构尺寸有关。改变磁场强度寸有关。改变磁场强度B或电流或电流I都可使都可使UH发生发生变化。变化。刘玉长刘玉长(二)霍尔式压力传感器 它由压力它由压力-位移转换部分、位移位移转换部分、位移-电势转换部分和稳电势转换部分和稳压电源等三部分组成。压电源等三部分组成。霍尔片式压力传感器结构原理图霍尔片式压力传感器结构原理图1弹簧管;弹簧管;2磁钢;磁钢;3霍尔片霍尔片刘玉长刘玉长二、电容式压力传感器 电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量电容式压力传感器
12、是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力的变化从而测出压力(或差压或差压)的。平行极板电容器的电的。平行极板电容器的电容量容量C与极板间介质的介电常数与极板间介质的介电常数、极板面积、极板面积S以及极板以及极板间距间距d的关系为:的关系为:C=S/d 只要保持上式中任何两个参数为常数,电容就是另只要保持上式中任何两个参数为常数,电容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压力和变介电常数式三种。电容式压力(差压差压)传感器器常采传感器器常采用变间隙式。用变间隙式。Sd刘玉长刘玉长电容式压力传感器结构与
13、检测原理图电容式压力传感器结构与检测原理图 I0测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量原理测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化;再将电容:将被测压力的变化转换成电容量的变化;再将电容的变化通过电容的变化通过电容/电流转换电路,即可得到与压力成正比电流转换电路,即可得到与压力成正比的的420mADC输出信号。输出信号。填充液(硅油)固定电极可动电极P1转换放大单元 P2隔离膜片d=K1PC=C2-C1=K3P刘玉长刘玉长三、压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料的压电压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电
14、信号。输出的大小与效应将被测压力转换为电信号。输出的大小与输入压力成正比例关系,按压力指示。输入压力成正比例关系,按压力指示。压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时而发生变形,并在其表面上产生电荷;而用时而发生变形,并在其表面上产生电荷;而且在去掉外力后,它们又重新回到原来的不带且在去掉外力后,它们又重新回到原来的不带电状态,这种现象就称为电状态,这种现象就称为压电效应压电效应。刘玉长刘玉长压电式压力传感器结构示意图1绝缘体;绝缘体;2压电元件;压电元件;3壳体;壳体;4膜片膜片刘玉长刘玉长四、应变式压力检测 应变式压力传感器是基于应变式压力传感器是基于应
15、变效应应变效应工作工作的一种压力敏感元件。的一种压力敏感元件。应变效应:应变效应:当金属导体受力当金属导体受力(拉伸或压缩拉伸或压缩),导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化,导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化,从而引起电阻值的相对变化,且阻值变化与从而引起电阻值的相对变化,且阻值变化与应变成正比。应变成正比。刘玉长刘玉长应变压力传感器及检测电路 应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量电路电路【通常采用桥式电路通常采用桥式电路】组成,应变片粘贴在弹性元件上,弹组成,应变片粘贴在弹性元件上,弹性元件可以是金属膜片、膜盒、弹簧管及其它弹
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