第3章壓力檢測與儀表

1、劉玉長劉玉長第三章 壓力檢測與儀表壓力(真空度)是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常見而又重要的檢測參數(shù)，正確的檢測和控制壓力是保證工業(yè)生產(chǎn)過程良好地運行，達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗及安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。此外，生產(chǎn)過程的一些其它參數(shù)，如物位、流量等也可以通過測量壓力或差壓的測量而獲得。劉玉長劉玉長第三章 壓力檢測與儀表第一節(jié) 概述第二節(jié) 彈性式壓力計第三節(jié) 壓力(差壓)傳感器第四節(jié) 真空計第五節(jié) 壓力檢測儀表的選用劉玉長劉玉長第一節(jié)概述 一、壓力定義與單位 垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制(SI)和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。由于歷史原因，其它一些壓力單位還

2、在使用，表3-1給出了各種壓力單位之間的換算關(guān)系。 劉玉長劉玉長表3-1 常用壓力換算表單位PaatmmmHgmmH2Okgf/cm2barPsi帕斯卡(Pa)19.86910-67.50110-30.1021.0210-510-51.45010-4標準大氣壓(atm)10132517601.0331041.0331.01314.696毫米汞柱(mmHg)133.31.31610-3113.5951.36010-31.33310-31.93410-2毫米水柱(mmH2O)9.8070.96810-47.3610-211.00010-49.80710-51.42210-3千克力/厘米2(工程大氣

3、壓)(kgf/cm2)98066.50.968735.561.00010410.98114.223巴(bar)1050.987750.0621.0201041.020114.504磅/寸2(Psi)689.56.80510-251.715703.0727.03110-26.89510-21劉玉長劉玉長二、壓力的表示方法壓力有三種表示方法，即絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度，它們的關(guān)系如下圖所示。 P真空度真空度P絕對壓力絕對壓力P表壓表壓P絕對壓力絕對壓力大氣壓力線大氣壓力線絕對壓力的零線絕對壓力的零線絕對壓力、表壓、負壓絕對壓力、表壓、負壓(真空度真空度)的關(guān)系的關(guān)系劉玉長劉玉長三、壓力檢測

4、方法(1) 彈性力平衡法：彈性力平衡法：利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡的原理。 (2) 重力平衡方法：重力平衡方法：利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理。 (3) 機械力平衡方法：機械力平衡方法： 將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)移成一個集中力，用外力與之平衡，通過測得平衡時的外力來得到被測壓力。 (4)物性測量方法：物性測量方法：基于敏感元件在壓力的作用下某些物理特性發(fā)生與壓力成確定關(guān)系變化的原理。劉玉長劉玉長第二節(jié) 彈性式壓力計 用彈性傳感器(又稱彈性元件)組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出(力或位移)，可

5、以通過傳動機構(gòu)直接帶動指針指示壓力(或壓差)，也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力(或壓差)信號的遠傳。 劉玉長劉玉長一、 測量原理當彈性元件在軸向受到外力作用 時，就會產(chǎn)生拉伸或壓縮位移x，即x=pA/C式中p為壓力，Pa； A承受壓力的有效面積，m2； C彈性元件的剛度系數(shù)。 當彈性元件材料、尺寸等確定后，則彈性元件產(chǎn)生拉伸或壓縮位移x與被測壓力p成正比，這就是彈性式壓力表的測量原理。劉玉長劉玉長彈性元件結(jié)構(gòu)和特點劉玉長劉玉長2a2brROBBAp二、彈性式壓力計(一)彈簧管壓力計彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久，應(yīng)用廣泛。 彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面

6、呈非圓形(橢圓形或扁形)，彎成圓弧形的空心管子，如圖所示。劉玉長劉玉長 彈簧管壓力表彈簧管壓力表 彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤調(diào)整螺釘螺旋彈簧管、盤簧管螺旋彈簧管、盤簧管劉玉長劉玉長(二)波紋管差壓計波紋管的特點是靈敏度高(特別是在低壓)，但是遲滯誤差較大，波紋管壓力表的測量范圍較小，一般為00.4MPa，儀表的準確度等級為1.52.5級。波紋管波紋管雙波紋管差壓表雙波紋管差壓表劉玉長劉玉長膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負壓的氣體壓力，壓力測量范圍為-2040kPa，儀表的準確度等級一般為1.52.5級。膜片壓力表膜片壓力表膜盒壓力表膜盒壓力表金屬膜片金屬膜片(三)膜盒壓力表

7、劉玉長劉玉長第三節(jié) 壓力(差壓)傳感器 壓力傳感器結(jié)構(gòu)型式多種多樣，常見的型式有壓電式、壓阻式、應(yīng)變式、電感式、電容式、霍爾式及振弦式等。電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。能實現(xiàn)這種壓力-電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件有：壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。劉玉長劉玉長一、霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器屬于位移式壓力(差壓)傳感器。它是利用霍爾效應(yīng)，把壓力作用所產(chǎn)生的彈性元件的位移轉(zhuǎn)變成電勢信號，實現(xiàn)壓力信號的遠傳。(一)霍爾效應(yīng) 把半導體單晶薄片(霍爾片)置于磁場B中，當在晶片的y軸方向上通以一定大小的電流I時，在晶片的x軸方向的兩個端面上將出現(xiàn)電勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效

8、應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢UH。劉玉長劉玉長霍爾效應(yīng)原理霍爾電勢UH與電流I以及磁場強度B的關(guān)系如下：UH=RHIB式中RH為霍爾系數(shù)，與霍爾片材料、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。改變磁場強度B或電流I都可使UH發(fā)生變化。劉玉長劉玉長(二)霍爾式壓力傳感器 它由壓力-位移轉(zhuǎn)換部分、位移-電勢轉(zhuǎn)換部分和穩(wěn)壓電源等三部分組成。 霍爾片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1彈簧管； 2磁鋼； 3霍爾片劉玉長劉玉長二、電容式壓力傳感器 電容式壓力傳感器是通過彈性膜片位移引起電容量的變化從而測出壓力(或差壓)的。平行極板電容器的電容量C與極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 、極板面積S以及極板間距d的關(guān)系為：C=S/d只要保持上式中任何兩個參數(shù)

9、為常數(shù)，電容就是另一個參數(shù)的函數(shù)。故電容變換器有變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種。電容式壓力(差壓)傳感器器常采用變間隙式。 Sd劉玉長劉玉長電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與檢測原理圖電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)與檢測原理圖 I0測量部分包括電容膜盒、高低壓室及法蘭組件等。測量原理：將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化；再將電容的變化通過電容/電流轉(zhuǎn)換電路，即可得到與壓力成正比的420mADC輸出信號。填充液(硅油)固定電極可動電極P1轉(zhuǎn)換放大單元 P2隔離膜片劉玉長劉玉長電容式壓力變送器的壓力-電容轉(zhuǎn)換關(guān)系(1)壓差P與移動距離d 近似線性關(guān)系：d=K1P (K1-比例系數(shù))(2) P使一個平板電容器的極板

10、間距增加，變?yōu)閐1=d0+d；另一個電容器的間距減少至d2=d0d。電容量分別為：C1=K2/(d0+d )C2=K2/(d0-d ) (K2-比例系數(shù))(3) d很小，滿足d02-d 2d02 ，則電容的變化量與壓差P成正比：C=C2-C1=K3P (K3=2K1K2/d02)劉玉長劉玉長三、壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。輸出的大小與輸入壓力成正比例關(guān)系，按壓力指示。特點特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣?？煽?，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣。劉玉長劉玉長壓電效應(yīng)壓電

11、材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用時而發(fā)生變形，并在其表面上產(chǎn)生電荷；而且在去掉外力后，它們又重新回到原來的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。在彈性范圍內(nèi)其產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：qkSp 式中q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為被測壓力。劉玉長劉玉長壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1絕緣體；2壓電元件；3殼體；4膜片劉玉長劉玉長四、應(yīng)變式壓力檢測 應(yīng)變式壓力傳感器是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件。應(yīng)變效應(yīng)：當金屬導體受力(拉伸或壓縮)，導體的幾何尺寸及其電阻率都會發(fā)生變化，從而引起電阻值的相對變化，且阻值變化與應(yīng)變成正比。劉玉長劉玉長(一)測量原理受到壓力作用后，應(yīng)變片電

12、阻發(fā)生變化：ddddddd1212RlAlRlAl 式中為應(yīng)變材料的泊松比；=dl/l為應(yīng)變。電阻率的變化與電阻絲體積V的變化成正比： dddd(1 2 )VAlmmmVAl 式中m 為電阻絲材料固有的比例系數(shù)。d(12 )(1 2 )RmKR 劉玉長劉玉長(二)應(yīng)變壓力傳感器及檢測電路 應(yīng)變式壓力傳感器就是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)測量電路【通常采用橋式電路】組成，應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，彈性元件可以是金屬膜片、膜盒、彈簧管及其它彈性體；電路輸出電壓的大小，就反應(yīng)了被測壓力的變化。 圓筒形應(yīng)變壓力傳感器及應(yīng)變檢測橋路劉玉長劉玉長五、壓阻式壓力檢測 壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件

13、。它實際上就是在半導體材料的基片上利用集成電路工藝制成的擴散電阻。由于單晶硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性，因此常作為彈性元件使用。它具有精度高、工作可靠、動態(tài)響應(yīng)好、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等特點，可在惡劣的環(huán)境條件下工作，便于實現(xiàn)顯示數(shù)字化。劉玉長劉玉長壓阻效應(yīng)當單晶半導體受到應(yīng)力作用，其載流子的遷移率發(fā)生變化，而改變其電阻率，從而引起電阻值的相對變化，這種現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應(yīng)。當硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。其相對電阻變化可表示為：R/R=Ke式中 Ke為壓阻系數(shù)；為應(yīng)力。擴散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的50100倍。劉玉長劉玉長壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意

14、圖1-單晶硅平膜片；2-低壓腔；3-高壓腔；4-硅杯；5-引線劉玉長劉玉長第四節(jié) 真空計 真空計是檢測真空度的儀表。按真空計刻度方法分類，可分為絕對真空計和相對真空計。常用的U形管壓力計、壓縮式真空計等屬于絕對真空計；熱傳導真空計和電離式真空計等屬于相對真空計。按真空計測量原理分類，可分為直接測量真空計和間接測量真空計。劉玉長劉玉長一、壓縮式真空計 壓縮式真空計的基本形式是麥氏真空規(guī)，它是根據(jù)波義耳定律工作的，即在溫度不變的條件下，根據(jù)氣體壓縮前、后的壓力與體積的關(guān)系來測量真空度?？蓽y量133.3Pa(即10-5mmHg)的真空度,但不能測量蒸汽的壓強。 劉玉長劉玉長壓縮式真空計檢測原理 如圖

15、，壓縮前、后壓強與體積變化關(guān)系為： PV=(P+H)VC 224dPHVP與測量管段上的高與測量管段上的高度差度差H的平方成正比的平方成正比。式中P氣體受壓縮前的壓強，即被測空間的真空度；V氣體受壓縮前的體積，即測量管的容積，圖(a)；(P+H)氣體受壓縮后的壓強，H為水銀柱的高度差；VC=d2H/4 氣體受壓縮后的體積，即在測量管上端毛細管(直徑為d)內(nèi)氣體占有的容積，圖( b)。因為VC V，所以有：劉玉長劉玉長二、熱電偶式真空計利用發(fā)熱絲周圍氣體的導熱率與氣體的稀薄程度(真空度)間的關(guān)系。 一組是加熱絲，一般用鉑絲或鎢絲，通入恒定的加熱電流；另一組是熱電偶的熱電極，其工作端焊在加熱絲上，

16、用來測量加熱絲表面溫度的變化，一般用鎳鉻康銅熱電偶?？梢詼y量氣體和蒸汽的壓強，測量上限通常為13.33mPa(即104 mmHg)。 劉玉長劉玉長三、電離式真空計三、電離式真空計在一定條件下，電子在單位距離上所形成的離子數(shù)，正比于氣體的壓強： 1-燈絲;2-陰極;3-加速極;4-收集極eiiSP1式中P真空度，Pa；i+離子電流，A；ie發(fā)射電流，mA；S規(guī)管常數(shù)。由于有灼熱的燈絲，在氣壓較高時會吸收氣體，影響被測真空度，但在0.13331.333Pa(即10-310-8mmHg)的范圍內(nèi)能進行準確的測量。 可用熱電偶式可用熱電偶式真空計與真空計與電離式電離式真空計真空計組裝組裝成成復(fù)合真空計

17、復(fù)合真空計。劉玉長劉玉長第五節(jié)壓力檢測儀表的選用一、壓力計的選擇選擇壓力儀表應(yīng)根據(jù)被測壓力的種類(壓力、負壓或壓差)、被測介質(zhì)性質(zhì)、用途(標準、指示、記錄和遠傳等)以及生產(chǎn)過程所提的技術(shù)要求，同時應(yīng)本著既滿足測量準確度、又經(jīng)濟的原則，合理地選擇壓力儀表的型號、量程和精度等。 劉玉長劉玉長(一)儀表量程的選擇選擇原則：安全、可靠： (1)被測壓力較穩(wěn)定場合：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4；(2)被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3；(3)為保證測量準確度，最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；(4)優(yōu)先滿足最大工作壓力條件；(5)實際量程符合國家標準規(guī)定值。

18、我國出廠的壓力(差壓)儀表的量程系列：(1.0、1.6、2.5、4.0、6.0)10nPa。劉玉長劉玉長(二)儀表精度的選擇壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。劉玉長劉玉長(三)儀表類型的選擇 (1)從被測介質(zhì)壓力大小來考慮：穩(wěn)定、波動；(2)被測介質(zhì)的性質(zhì)：如腐蝕性、溫度、黏度、易燃易爆等；(3)對儀表輸出信號的要求：直接顯示或遠傳、記錄、報警等；(4)使用的環(huán)境：爆炸性、高溫、低溫場所。劉玉長劉玉長二、壓力計的安裝 壓力計的安裝正確是否，直接影響到測量結(jié)果的正確性與儀表的壽命，一般要注意以下事項： (一) 取壓點的選

19、擇選擇原則：取壓點必須真正反映被測介質(zhì)的壓力，應(yīng)該取在被測介質(zhì)流動的直線管道上，而不應(yīng)取在管路急彎、閥門、死角、分叉及流束形成渦流的區(qū)域。劉玉長劉玉長取壓點選擇(1)當管路中有突出物體(如測溫元件)時，取壓口應(yīng)取在其前面；(2)當必須在控制閥門附近取壓時，若取壓口在其前，則與閥門距離應(yīng)不小于2倍管徑，若取壓口在其后，則與閥門距離應(yīng)不小于3倍管徑；(3)測量流動介質(zhì)壓力時，取壓管與流動方向應(yīng)垂直；(4)在測量液體介質(zhì)的管道上取壓時，宜在水平及其以下45間取壓，可使導壓管內(nèi)不積存氣體；在測量氣體介質(zhì)的管道上取壓時，宜在水平及其以上45間取壓，可使導壓管內(nèi)不積存液體，如右圖。 劉玉長劉玉長(二)導壓

20、管的鋪設(shè)導壓管的長度一般為350m，內(nèi)徑為68mm，連接導管的水平段應(yīng)保持1:101:20的坡度，以利于排除冷凝液體或氣體，測液體介質(zhì)時下坡，測氣體介質(zhì)時上坡。(1)當被測介質(zhì)為易冷凝或凍結(jié)時，應(yīng)加伴熱管再行保溫。(2)在取壓口與測壓儀表之間，應(yīng)靠近取壓口裝切斷閥。(3)對液體測壓管道，應(yīng)靠近壓力表處裝排污。劉玉長劉玉長(三)壓力計的安裝測壓儀表安裝時應(yīng)注意：(1)儀表應(yīng)垂直于水平面安裝，且儀表應(yīng)安裝在取壓口同一水平位置，否則需考慮附加高度誤差的修正；(2)儀表安裝處與測定點之間的距離應(yīng)盡量短，以免指示遲緩；(3)保證密封性，不應(yīng)有泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是易燃易爆氣體介質(zhì)和有毒有害介質(zhì)；(4)當測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝冷凝管，以避高溫蒸汽與測溫元件接觸；(5