第2章23壓力檢測(cè)

1、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。如在壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。如在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會(huì)遇到壓力，包括化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會(huì)遇到壓力，包括高壓、超高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。高壓、超高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。 2.3.1壓力檢測(cè)的方法壓力檢測(cè)的方法 工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的力稱為力稱為 “壓力壓力”。即。即 P = F/SSF過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章壓力的壓力的單位是單位是“帕斯卡帕斯卡”1Pa =1N

2、/m2 1MPa =106Pa1工程大氣壓工程大氣壓 = 1kg /cm2 = 9.80665104Pa 0.1MPa工程中壓力的表示方式有：工程中壓力的表示方式有：表壓、負(fù)壓（真空度）、表壓、負(fù)壓（真空度）、 差壓、絕對(duì)壓力。差壓、絕對(duì)壓力。 工業(yè)中所用儀表的壓力指工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為示值，大多數(shù)為表壓表壓和和差壓差壓。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章p差壓差壓 = p被測(cè)壓力被測(cè)壓力1 - p被測(cè)壓力被測(cè)壓力2表壓表壓 、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓之、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓之間的關(guān)系：間的關(guān)系： p被測(cè)壓力被測(cè)壓力p被測(cè)壓力被測(cè)壓力p表壓表壓 =

3、 p絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 - p大氣壓力大氣壓力 p真空度真空度 = p大氣壓力大氣壓力 - p絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 壓力測(cè)量?jī)x表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不壓力測(cè)量?jī)x表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類。同，大致可分為四大類。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 1 1、液柱式壓力計(jì)、液柱式壓力計(jì)利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如U型管壓力計(jì)，當(dāng)型管壓力計(jì)，當(dāng)被測(cè)壓力被測(cè)壓力P大于大氣壓力大于大氣壓力B時(shí)，液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。時(shí)，液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。 在在U型管型管h2處等壓面上有：處等壓面上有： P +1g( H+h1+h2 )=B + 2g H + g(

4、 h1+h2 )則：則：p = P - B= (2 -1 ) g H + ( 2 ) g (h1+h2)只要讀出只要讀出(h1+h2)便可知便可知p p0h1h2BH12過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 U型管壓力計(jì)在讀（型管壓力計(jì)在讀（h1h2）時(shí)，產(chǎn)生兩次讀）時(shí)，產(chǎn)生兩次讀數(shù)誤差。為了減少讀數(shù)誤差，可將其改進(jìn)為單管數(shù)誤差。為了減少讀數(shù)誤差，可將其改進(jìn)為單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)，測(cè)量原理相似。壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)，測(cè)量原理相似。 目前，液柱式壓力計(jì)使用較少。目前，液柱式壓力計(jì)使用較少。2、彈性式壓力計(jì)、彈性式壓力計(jì) 它是將被它是將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變彈性元件的變

5、形位移進(jìn)行測(cè)形位移進(jìn)行測(cè)量的。量的。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章3電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì) 是通過各種敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量是通過各種敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、頻率等）進(jìn)行測(cè)量的。例如力平衡（電壓、電流、頻率等）進(jìn)行測(cè)量的。例如力平衡式壓力變送器、電容式壓力變送器等。式壓力變送器、電容式壓力變送器等。4活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì) 是根據(jù)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力與活是根據(jù)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力與活塞上所加的砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來測(cè)量的。它的測(cè)量塞上所加的砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來測(cè)量的。它的測(cè)量精度很高。精度很高。 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表

6、第第2章章2.3.2 彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì) 利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。便宜，測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。 常用的彈性元件有常用的彈性元件有5種：種：（1）單圈彈簧管）單圈彈簧管 將截面為橢圓形的金屬空心管彎將截面為橢圓形的金屬空心管彎成成270圓弧形，頂端封口，當(dāng)通入壓圓弧形，頂端封口，當(dāng)通入壓力力 p 后，它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。后，它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。q測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)1000MPa。

7、過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章（2）多圈彈簧管）多圈彈簧管 為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，可以將彈簧管制成多圈狀?？梢詫椈晒苤瞥啥嗳?。 （3） 膜片膜片 用金屬或非金屬材料做成的具用金屬或非金屬材料做成的具有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生變形位移。可測(cè)低壓。變形位移?？蓽y(cè)低壓。 （4） 膜盒膜盒 將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，內(nèi)充硅油。使膜片增加強(qiáng)度。內(nèi)充硅油。使膜片增加強(qiáng)度。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章( 5 ) 波紋管波紋

8、管位移最大，可測(cè)微位移最大，可測(cè)微壓（壓（1MPa)。 彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。但它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只等。但它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧管材料有所不同。是所用的彈簧管材料有所不同。2.3.2.2彈簧管壓力表彈簧管壓力表過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理1 - 彈簧管彈簧管2- 拉桿拉桿3- 扇形齒輪扇形齒輪4- 中心齒輪中心齒輪5- 指針指針6

9、 面板面板7 游絲游絲8 調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘9 接頭接頭 彈簧管是一彈簧管是一根彎成根彎成270圓圓弧的橢圓截面的弧的橢圓截面的空心金屬管，管空心金屬管，管子的自由端子的自由端B封封閉，并連接拉桿閉，并連接拉桿及扇形齒輪，帶及扇形齒輪，帶動(dòng)中心齒輪及指動(dòng)中心齒輪及指針。針。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章在被測(cè)壓力在被測(cè)壓力 p 的作用的作用下，彈簧管的橢圓形截面下，彈簧管的橢圓形截面趨于圓形，圓弧狀的彈簧趨于圓形，圓弧狀的彈簧管隨之向外擴(kuò)張變形。管隨之向外擴(kuò)張變形。自由端自由端B的位移與輸?shù)奈灰婆c輸入壓力入壓力p成正比。通過拉成正比。通過拉桿、齒輪的傳遞、放大，桿、齒輪的傳遞、

10、放大，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)。帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)?；緶y(cè)量原理基本測(cè)量原理p過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章傳遞及放大過程傳遞及放大過程 游絲游絲7用來壓緊扇形齒輪和中用來壓緊扇形齒輪和中心齒輪間的接觸面。心齒輪間的接觸面。 自由端自由端B的位移的位移拉桿拉桿2扇形齒輪扇形齒輪3中心齒輪中心齒輪4同軸的指針同軸的指針5轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 在面板在面板6的刻度標(biāo)尺上的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力指示出被測(cè)壓力p的數(shù)值的數(shù)值 調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘8的位置，即改變了機(jī)械的位置，即改變了機(jī)械傳動(dòng)系數(shù)，調(diào)整了儀表量程。傳動(dòng)系數(shù)，調(diào)整了儀表量程。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章測(cè)壓關(guān)系：測(cè)壓關(guān)系： 自由端的

11、相對(duì)角位移自由端的相對(duì)角位移/ o 與被測(cè)壓力與被測(cè)壓力P成正比。成正比。/ o = KP0P K常數(shù)常數(shù) 生產(chǎn)中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)。要生產(chǎn)中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)。要求當(dāng)壓力超出給定范圍時(shí)，測(cè)量?jī)x表能發(fā)出信號(hào)，求當(dāng)壓力超出給定范圍時(shí)，測(cè)量?jī)x表能發(fā)出信號(hào)，以提醒操作人員，或啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控以提醒操作人員，或啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制。這就要求壓力表帶有報(bào)警或控制輸出。制。這就要求壓力表帶有報(bào)警或控制輸出。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章q電接點(diǎn)壓力表電接點(diǎn)壓力表在普通彈簧管壓力表的基礎(chǔ)上稍添部件，便在普通彈簧管壓力表的基礎(chǔ)上稍添部件，便可成為電接

12、點(diǎn)信號(hào)壓力表?？沙蔀殡娊狱c(diǎn)信號(hào)壓力表。 增加兩個(gè)報(bào)警針，上增加兩個(gè)報(bào)警針，上面分別裝靜觸點(diǎn)面分別裝靜觸點(diǎn)1和和4，指，指示針上裝動(dòng)觸點(diǎn)示針上裝動(dòng)觸點(diǎn)2。分別用。分別用軟導(dǎo)線引至輸出接線柱。軟導(dǎo)線引至輸出接線柱。 使用時(shí)可后接兩個(gè)信使用時(shí)可后接兩個(gè)信號(hào)燈或繼電器號(hào)燈或繼電器3、5。后部接線柱后部接線柱過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章報(bào)警原理：報(bào)警原理：若壓力降到下限若壓力降到下限值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)2與靜與靜觸點(diǎn)觸點(diǎn)1接觸，接通了接觸，接通了信號(hào)燈信號(hào)燈3的電路。當(dāng)?shù)碾娐?。?dāng)壓力超過上限值時(shí)，壓力超過上限值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)觸點(diǎn)2和靜觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)4接接觸，信號(hào)燈觸，信號(hào)燈5的電路的

13、電路被接通。被接通。后部接線柱后部接線柱過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.3.3電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì) 電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)是指將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行顯是指將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行顯示的儀表。示的儀表。電氣式壓力變送器電氣式壓力變送器是指將壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)是指將壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。 電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感元件、測(cè)量電路電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感元件、測(cè)量電路和信號(hào)處理電路所組成。和信號(hào)處理電路所組成。信號(hào)輸出信號(hào)輸出電量電量被測(cè)壓力被測(cè)壓力傳感元件傳感元件測(cè)量線路測(cè)量線路顯示器顯示器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.

14、3.1電容式差壓（壓力）變送器電容式差壓（壓力）變送器當(dāng)電容式差壓變送器的一個(gè)被測(cè)壓力是大氣壓當(dāng)電容式差壓變送器的一個(gè)被測(cè)壓力是大氣壓時(shí)，就成為壓力變送器。時(shí)，就成為壓力變送器。電容式壓力變送器是電容式壓力變送器是20世紀(jì)世紀(jì)70年代初由美國公年代初由美國公司研發(fā)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)、可靠性好、精度司研發(fā)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)、可靠性好、精度高、體積小。高、體積小。電容式壓力變送器先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容電容式壓力變送器先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后用電路測(cè)電容。量的變化，然后用電路測(cè)電容。 其輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)其輸出信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的的420mA（DC）電流信號(hào)。）電流信號(hào)。 過程控制系統(tǒng)與

15、儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章C1C2d0d0P1=P2時(shí)：時(shí)： C1=C2=K2 /d0K2 =SS/4/4差壓傳感部件差壓傳感部件P1P2時(shí)：時(shí)：測(cè)量膜片中心位移：測(cè)量膜片中心位移： d = K 1P K 1彈力系數(shù)彈力系數(shù) P1-P2 =P 中心膜片變形中心膜片變形位移位移 電容量變化電容量變化當(dāng)當(dāng)P2是大氣壓時(shí)，為壓力傳感部件。是大氣壓時(shí)，為壓力傳感部件。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章ddKC 021ddKC 022有：有：K3=K1 / d0PdKddCCCC30101212 PK兩個(gè)電容的電容量變?yōu)椋簝蓚€(gè)電容的電容量變?yōu)椋?由測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓。由

16、測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓。 C1C2d0+dd0 -dP1P2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 如圖是一種測(cè)電容充放電電流的原理電路。如圖是一種測(cè)電容充放電電流的原理電路。 正弦波電壓正弦波電壓E加于差動(dòng)電容加于差動(dòng)電容C1、C2上，上，R1R4的阻抗都比的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，則流過的阻抗小得多，則流過C1、C2的半周期電流近似為：的半周期電流近似為：02122ICCCI 10212111()IICCC1012CICCV1V2V4過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章取取R1=R2=R4，得：得：因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篤1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4

17、R4，則：則：PKVVVCCCC34122112 4214)(RCCC1 R1VV2 C2 R2V1V1V2V4令令V1、V2、V4表示表示R1、R2、R4的壓降的壓降過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章在實(shí)際電路中，在實(shí)際電路中，當(dāng)差動(dòng)電容當(dāng)差動(dòng)電容Cl、C2變變化時(shí)，用負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)化時(shí)，用負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)供電電壓調(diào)節(jié)供電電壓E的幅的幅度，使流過它們的電度，使流過它們的電流之和流之和Io保持恒定。保持恒定。由上式可知，由上式可知，當(dāng)當(dāng)V4 =IoR4不變時(shí)，測(cè)出不變時(shí)，測(cè)出V2V1，則可知?jiǎng)t可知PV1V2V4PKVVVCCCC34122112 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第

18、第2章章如圖為電容式壓力變送器的原理線路。如圖為電容式壓力變送器的原理線路。 A1供給振供給振蕩器電源蕩器電源通過負(fù)反饋保證通過負(fù)反饋保證R4兩端的電壓恒定兩端的電壓恒定A2將將Rl，R2兩兩端的電壓相減端的電壓相減RP1調(diào)整電流負(fù)反調(diào)整電流負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)量程遷移饋，實(shí)現(xiàn)量程遷移V2V1V2V1I過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度高，量程寬，過載能力強(qiáng)。靈敏度高，量程寬，過載能力強(qiáng)。沒有杠桿傳沒有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性與抗振性好，測(cè)量精動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性與抗振性好，測(cè)量精度高，可達(dá)度高，可達(dá)0.2級(jí)。級(jí)。電容差壓變送器電容差壓變送器 法蘭式電

19、容差壓變送器法蘭式電容差壓變送器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3.2 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：縱向縱向R=L/Sq 電阻應(yīng)變?cè)恚弘娮钁?yīng)變?cè)恚?當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí)，變形時(shí)，L變大、變大、S變小，其變小，其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向壓縮變形時(shí)，向壓縮變形時(shí)，S

20、變大、變大、 L變小，其阻值減小。變小，其阻值減小。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 應(yīng)變筒應(yīng)變筒1的上端與外殼的上端與外殼2固定固定在一起，下端與膜片在一起，下端與膜片3緊密接觸。緊密接觸。應(yīng)變片應(yīng)變片r1沿應(yīng)變筒軸向貼放；沿應(yīng)變筒軸向貼放；r2沿沿徑向貼放。當(dāng)被測(cè)壓力徑向貼放。當(dāng)被測(cè)壓力p作用于膜作用于膜片、使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，片、使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，r1縱向壓縮應(yīng)變、阻值變小；縱向壓縮應(yīng)變、阻值變??；r2縱縱向拉伸應(yīng)變、阻值變大。向拉伸應(yīng)變、阻值變大。金屬應(yīng)變片的應(yīng)用金屬應(yīng)變片的應(yīng)用 金屬應(yīng)變片要緊貼在應(yīng)變物上使用。如測(cè)梁的金屬應(yīng)變片要緊貼在應(yīng)變物上使用。如測(cè)

21、梁的受力。如果沒有應(yīng)變物，只測(cè)氣體的壓力，則要借受力。如果沒有應(yīng)變物，只測(cè)氣體的壓力，則要借助于應(yīng)變筒。助于應(yīng)變筒。P過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測(cè)出。應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測(cè)出。 r1和和r2的變的變化，使橋路失去平衡，有不平衡電壓化，使橋路失去平衡，有不平衡電壓U輸出。輸出。 r1、r2設(shè)置在相鄰橋臂，既可以提高靈敏度，設(shè)置在相鄰橋臂，既可以提高靈敏度，又有溫度補(bǔ)償作用。溫度升高時(shí)，又有溫度補(bǔ)償作用。溫度升高時(shí)，r1、r2阻值都升阻值都升高，各自得到的電源壓降不變。高，各自得到的電源壓降不變。應(yīng)變片應(yīng)變片r2應(yīng)變片應(yīng)變片r1過程控制系統(tǒng)與儀表

22、過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章利用半導(dǎo)體材料的利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。號(hào)。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。如圖是一種半導(dǎo)體測(cè)壓傳感部件。如圖是一種半導(dǎo)體測(cè)壓傳感部件。 在杯狀單晶硅膜片在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶的表面上，沿一定的晶軸方向和位置擴(kuò)散著四軸方向和位置擴(kuò)散著四個(gè)長(zhǎng)條形電阻。個(gè)長(zhǎng)條形電阻。2.3.3.3壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章當(dāng)硅膜片上下當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)

23、生變化。發(fā)生變化。半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻在受應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部晶格半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻在受應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部晶格之間的距離發(fā)生變化，使禁帶寬度以及載流子濃度和之間的距離發(fā)生變化，使禁帶寬度以及載流子濃度和遷移率改變，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電阻率遷移率改變，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電阻率發(fā)生強(qiáng)烈的變化，發(fā)生強(qiáng)烈的變化，其靈敏度約比金屬應(yīng)變電阻高其靈敏度約比金屬應(yīng)變電阻高100倍左右。倍左右。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 實(shí)驗(yàn)表明，圓形硅膜實(shí)驗(yàn)表明，圓形硅膜片在受壓力變形時(shí)，其圓片在受壓力變形時(shí)，其圓心區(qū)域和邊緣區(qū)域受力性心區(qū)域和邊緣區(qū)域受力性質(zhì)不一樣。以半徑質(zhì)不一樣。以半徑 63.2% 為界，圓心區(qū)域受

24、拉應(yīng)力，為界，圓心區(qū)域受拉應(yīng)力，邊緣區(qū)域受壓應(yīng)力。受拉邊緣區(qū)域受壓應(yīng)力。受拉時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值增大；時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值增大；受壓時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值減受壓時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值減小。四個(gè)電阻可以構(gòu)成全小。四個(gè)電阻可以構(gòu)成全橋電路。橋電路。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 在硅膜片上擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，接成全橋式在硅膜片上擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，接成全橋式輸出電路，不但可以提高電橋靈敏度，還可以獲得溫輸出電路，不但可以提高電橋靈敏度，還可以獲得溫度補(bǔ)償，抵消半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差。度補(bǔ)償，抵消半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章擴(kuò)散硅壓力

25、變送器擴(kuò)散硅壓力變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能

26、轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。F 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章壓電材料上電荷量的大小與外力的大小成正比。壓電材料上電荷量的大小與外力的大小成正比。 如圖所示，壓電陶瓷的極化方向?yàn)槿鐖D所示，壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦軸方向。如軸方向。如果在果在z軸方向上受外力作用，則垂直于軸方向上受外力作用，則垂直于z軸的軸的x、y軸軸平面上面和下面出現(xiàn)正負(fù)電荷。平面上面和下面出現(xiàn)正負(fù)電荷。zyxFF 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 壓電材料作為力敏感元件，從其輸出特性可以壓電材料作為力敏感元件，從其輸出特性可以看作是一個(gè)電荷源（靜電發(fā)生器）；從其材料特性看作是一個(gè)電荷源（

27、靜電發(fā)生器）；從其材料特性可以等效為一個(gè)電容。其等效電路為：可以等效為一個(gè)電容。其等效電路為：Ca等效電容等效電容 Ra等效漏電阻等效漏電阻后接電壓放大器或電荷放大器即可。后接電壓放大器或電荷放大器即可。CaRaUa電壓源電壓源QCaRaUa電荷源電荷源過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.4智能式差壓變送器智能式差壓變送器 智能式差壓變送器內(nèi)部電路裝有智能式差壓變送器內(nèi)部電路裝有CPU芯片，有很芯片，有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力。除檢測(cè)功能外，還具有靜壓補(bǔ)強(qiáng)的數(shù)字處理能力。除檢測(cè)功能外，還具有靜壓補(bǔ)償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能。與智償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能。

28、與智能式執(zhí)行器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路，并隨能式執(zhí)行器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路，并隨時(shí)與上位機(jī)通訊。時(shí)與上位機(jī)通訊。 2.3.4.1 3051C HART變送器變送器 3051型差壓變送器是美國羅斯蒙特公司的一種型差壓變送器是美國羅斯蒙特公司的一種智能型兩線制變送器，有電容式和壓電式兩種。圖智能型兩線制變送器，有電容式和壓電式兩種。圖2.44是是 3051C 電容式變送器的原理框圖。電容式變送器的原理框圖。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 傳感器部分與模擬儀表一樣，測(cè)量信號(hào)經(jīng)傳感器部分與模擬儀表一樣，測(cè)量信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送微處理器處理。輸出符合轉(zhuǎn)換后送微處理器處理。輸出

29、符合HART協(xié)議的數(shù)協(xié)議的數(shù)字信號(hào)疊加在由字信號(hào)疊加在由DA輸出的輸出的420mA信號(hào)線上。信號(hào)線上。3051C HART變送器變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨接在信號(hào)線上，可以讀取變送器的輸出據(jù)設(shè)定器跨接在信號(hào)線上，可以讀取變送器的輸出信號(hào)，并對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)。信號(hào)，并對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)。3051C HART變送器變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章（1）儀表類型的選擇）儀表類型的選擇1、滿足工藝的要求。例如是否

30、需要遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄、滿足工藝的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄 或報(bào)警；或報(bào)警；2、被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性能（諸如腐蝕性、溫度高、被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性能（諸如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是否對(duì)測(cè)量?jī)x表提出特殊要求；否對(duì)測(cè)量?jī)x表提出特殊要求；3、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（諸如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（諸如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件等）對(duì)儀表類型有否特殊要求等。安裝條件等）對(duì)儀表類型有否特殊要求等。 壓力表的選擇、安裝與校驗(yàn)壓力表的選擇、安裝與校驗(yàn)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章根據(jù)工藝要求正確選用儀表類型是

31、保證儀表正根據(jù)工藝要求正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的重要前提。常工作及安全生產(chǎn)的重要前提。例如普通壓力計(jì)的彈簧管大多采用銅合金，而例如普通壓力計(jì)的彈簧管大多采用銅合金，而氨用壓力計(jì)彈簧管的材料卻都采用碳鋼，不允許采氨用壓力計(jì)彈簧管的材料卻都采用碳鋼，不允許采用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，普通壓力計(jì)用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，普通壓力計(jì)用于氨氣壓力測(cè)量時(shí)很快就要損壞。用于氨氣壓力測(cè)量時(shí)很快就要損壞。又如氧氣壓力計(jì)與普通壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上又如氧氣壓力計(jì)與普通壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上完全相同，但是氧用壓力計(jì)禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣完全相同，但是氧用壓力計(jì)禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)易

32、引起爆炸。所以，氧用壓力計(jì)校驗(yàn)時(shí)，不用系統(tǒng)易引起爆炸。所以，氧用壓力計(jì)校驗(yàn)時(shí)，不用變壓器油作為工作介質(zhì)。變壓器油作為工作介質(zhì)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章（2 2）儀表測(cè)量范圍的確定）儀表測(cè)量范圍的確定 為了合理、經(jīng)濟(jì)使用儀表，壓力儀表的量程為了合理、經(jīng)濟(jì)使用儀表，壓力儀表的量程不能選得太大，但為了保證測(cè)量精度，一般被測(cè)不能選得太大，但為了保證測(cè)量精度，一般被測(cè)壓力的最小值不低于儀表滿量程的壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3為宜。為宜。 同時(shí)為了延長(zhǎng)彈性元件同時(shí)為了延長(zhǎng)彈性元件的使用壽命，避免彈性元件的使用壽命，避免彈性元件因長(zhǎng)期受力過大而永久變形，因長(zhǎng)期受力過大而永久變

33、形，壓力計(jì)的上限值應(yīng)該高于被壓力計(jì)的上限值應(yīng)該高于被測(cè) 量 的 最 大 值 （ 量 程 的測(cè) 量 的 最 大 值 （ 量 程 的1/21/3） ，留有余量。，留有余量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章（3 3） 儀表精度的選取儀表精度的選取儀表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測(cè)量?jī)x表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測(cè)量誤差來確定的。不能認(rèn)為選用的儀表精度越高越好，誤差來確定的。不能認(rèn)為選用的儀表精度越高越好，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用精度較低、應(yīng)在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用精度較低、價(jià)廉耐用的儀表價(jià)廉耐用的儀表例題例題 某臺(tái)壓縮機(jī)的出口壓力范圍為某臺(tái)壓縮機(jī)的出口

34、壓力范圍為2528MPa，測(cè)，測(cè)量誤差不得大于量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察，并能。工藝上要求就地觀察，并能高低限報(bào)警，試正確選用一臺(tái)壓力表，指出型號(hào)、精高低限報(bào)警，試正確選用一臺(tái)壓力表，指出型號(hào)、精度與測(cè)量范圍。度與測(cè)量范圍。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章要求條件為：要求條件為： 被測(cè)脈動(dòng)壓力被測(cè)脈動(dòng)壓力2528MPa，測(cè)量誤差，測(cè)量誤差1MPa。就地觀察、高低限報(bào)警。就地觀察、高低限報(bào)警。解：解： 脈動(dòng)壓力對(duì)儀表壽命影響很大，故選擇儀表的脈動(dòng)壓力對(duì)儀表壽命影響很大，故選擇儀表的上限值為：上限值為： MPa =max5 56 62 22 28 82 21 1pp若選壓力表的測(cè)量范圍為若選壓力表的測(cè)量范圍為060MPa則：則： 25MPa / 60MPa 1/3被測(cè)壓力的最小值不低于滿量程的被測(cè)壓力的最小值不低于滿量程的1/3，下限，下限值也符合要求。值也符合要求。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章故選精度等級(jí)為故選精度等級(jí)為1.5級(jí)的儀表可以滿足誤差級(jí)的儀表可以滿足誤差要求。要求。答：根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報(bào)警的要答：根據(jù)就地觀察