第2章變送器(2)-V4

1、12擴(kuò)散硅式差壓變送器擴(kuò)散硅式差壓變送器 檢測(cè)元件檢測(cè)元件擴(kuò)散硅壓阻傳感器擴(kuò)散硅壓阻傳感器 3 1） 擴(kuò)散硅式擴(kuò)散硅式差壓變送器差壓變送器構(gòu)成方框圖構(gòu)成方框圖PKRUUSZS41SWURRRU)21 (1580119010RUI42）測(cè)量部分）測(cè)量部分n 結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式5n基本原理基本原理1.N-Si1.N-Si膜片膜片 2.P-SI2.P-SI導(dǎo)電層導(dǎo)電層 3.3.粘結(jié)劑粘結(jié)劑 4.4.硅底座硅底座 5.5.引壓管引壓管 6.SIO6.SIO2 2 保護(hù)膜保護(hù)膜 7. 7. 電極電極6在一塊圓形的單晶硅膜片上在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布置四個(gè)擴(kuò)散電阻布置四個(gè)擴(kuò)散電阻, 組組成一個(gè)全橋測(cè)量

2、電路。成一個(gè)全橋測(cè)量電路。 膜片用一個(gè)圓形硅杯固定膜片用一個(gè)圓形硅杯固定, 將將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測(cè)壓力兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測(cè)壓力, 另一端接參考?jí)毫?。另一端接參考?jí)毫?。?dāng)存在壓差時(shí)當(dāng)存在壓差時(shí), 膜片產(chǎn)生變形膜片產(chǎn)生變形, 使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化生變化, 電橋電橋失去平衡失去平衡, 其輸出電壓反映膜片承受的其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。壓差的大小。 7根據(jù)壓阻效應(yīng)根據(jù)壓阻效應(yīng)d對(duì)于半導(dǎo)體而言對(duì)于半導(dǎo)體而言 dRdR當(dāng)單晶硅在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)單晶硅在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時(shí)，其阻值的變化為其阻值的變化為ttllRdR8 壓阻式壓力傳感

3、器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小, 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單單, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好, 靈敏度高靈敏度高, 能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓, 它是一種比較理想它是一種比較理想, 目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力傳感器。傳感器。 這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響, 從從而影響壓阻系數(shù)的大小。而影響壓阻系數(shù)的大小。 現(xiàn)在出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感現(xiàn)在出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償, 它利用大規(guī)模它利用大規(guī)模集成電路技

4、術(shù)集成電路技術(shù), 將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在同一塊硅片上將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在同一塊硅片上, 兼有信號(hào)檢測(cè)、兼有信號(hào)檢測(cè)、 處理、處理、 記憶等功能記憶等功能, 從而大大提高從而大大提高傳感傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。 9設(shè)：設(shè)：RRRRR4321RRRRR4321)(2133RRIUSS)(2144RRISRIUSSPKISS10 傳感器供電電路傳感器供電電路 為傳感器提供恒定的橋路工作電流為傳感器提供恒定的橋路工作電流UT1=UF1、IF1=0工作電流工作電流IS為為 4141RURUIZFSPKRUUSZS4111)(91581501RRRRRRUUWWSSSWKUU

5、RRRU)21 (1580112圖3-40131901RUIO14擴(kuò)散硅壓力變送器擴(kuò)散硅壓力變送器152.3.2 數(shù)字式差壓變送器數(shù)字式差壓變送器 ST3000差壓變送器差壓變送器 3051C差壓變送器差壓變送器1151數(shù)字式差壓變送器數(shù)字式差壓變送器16一、一、ST3000差壓變送器差壓變送器 17 二、二、3051C差壓變送器差壓變送器 檢測(cè)元件采用電容式壓力傳感器檢測(cè)元件采用電容式壓力傳感器 18 三、三、1151數(shù)字式差壓變送器數(shù)字式差壓變送器 192021AD7715電路原理圖電路原理圖 2223242526272829vmq q30dt qQ2. 2. 流量的檢測(cè)方法流量的檢測(cè)方法

6、 31顯示儀表顯示儀表Q差壓變送器差壓變送器節(jié) 流 裝節(jié) 流 裝置置32QP1P23334孔板前后流體孔板前后流體對(duì)管壁壓力對(duì)管壁壓力孔板前穩(wěn)定流動(dòng)孔板前穩(wěn)定流動(dòng)段段-截面截面流束未收流束未收縮前壓力縮前壓力平均流速平均流速v1流束最小處流束最小處-截面截面流束最小流束最小處壓力處壓力平均流速平均流速v235截面截面處能量處能量= 截面截面處能量處能量+損耗損耗gvgvgPgvgP2222222222111 靜壓能靜壓能 動(dòng)能動(dòng)能 靜壓能靜壓能 動(dòng)能動(dòng)能 損耗損耗根據(jù)伯努力方程可列出：根據(jù)伯努力方程可列出：損耗損耗36式中：式中： 為流體在截面為流體在截面-與與-之間的之間的動(dòng)能損失系數(shù)；動(dòng)能

7、損失系數(shù)；g 為重力加速度；為重力加速度； gvgvgPgvgP2222222222111 1、2 為流體在截面為流體在截面-和和-處的密度。處的密度。如果流體是不可壓縮的，那么如果流體是不可壓縮的，那么1= 2= 37S1、S2分別為分別為-和和-處的流束截面積。處的流束截面積。 21222112()S1 ()SvPP22211222222PvPvvgggggv1S1 =v2S2又因截面又因截面、處體積流量應(yīng)相等，有處體積流量應(yīng)相等，有聯(lián)立求解兩式，可得出：聯(lián)立求解兩式，可得出：3801SSm S0孔板的開孔面積?？装宓拈_孔面積。另外，取緊挨孔板前后另外，取緊挨孔板前后的管壁壓差（的管壁壓差

8、（P1- P2）代替）代替（P1- P2），為此引用系數(shù)），為此引用系數(shù) 加以修正：加以修正： 為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入兩個(gè)系數(shù)：為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入兩個(gè)系數(shù)： 截面收縮系數(shù)截面收縮系數(shù) 孔板口對(duì)管道的面積比孔板口對(duì)管道的面積比m20SS2121PPPP 392121PPPP 代入代入v2式，得式，得 )(2121222PPmv 因體積流量：因體積流量：Q = v2 S0012222S()1QPPm 稱流量系數(shù)稱流量系數(shù) 221m20SS01SSm 將將令令400122S()QPP體積流量體積流量 012S2()mQQPP質(zhì)量流量質(zhì)量流量 結(jié)論：結(jié)論：流量與節(jié)流件前后壓差的平方根成正流量與節(jié)流件前后壓差的

9、平方根成正比。只要測(cè)得差壓比。只要測(cè)得差壓（P1-P2）便可測(cè)得流量。便可測(cè)得流量。 則得到（則得到（不可壓縮的流體）不可壓縮的流體）流量基本方程式：流量基本方程式： 如果流體是可壓縮的（如蒸汽），則要對(duì)公式如果流體是可壓縮的（如蒸汽），則要對(duì)公式進(jìn)行修正。進(jìn)行修正。41 221m因?yàn)橐驗(yàn)?121PPPP 20SS01SSm 動(dòng)能動(dòng)能損失系數(shù)損失系數(shù)42 節(jié)流裝置節(jié)流裝置導(dǎo)壓管導(dǎo)壓管孔板孔板噴嘴噴嘴文丘里管文丘里管431管道法蘭管道法蘭2環(huán)室環(huán)室3孔板孔板4夾緊環(huán)夾緊環(huán)角接取壓角接取壓 44湍流湍流v層流層流v45 vDRe 105ReRekm=0.5m=0.4m=0.246節(jié)流裝置節(jié)流裝置導(dǎo)

10、壓管導(dǎo)壓管差壓計(jì)差壓計(jì)474849 505152S02pf=QSgVPz)-(=fS053hS0 = k hQ=kgVS)2(z -fhf5412555657582kS2dFvg式中式中: k靶的推力系數(shù)；靶的推力系數(shù)；Sd 靶的受力面積；靶的受力面積； 流體比重；流體比重； g 重力加速度；重力加速度； v 靶與管璧間環(huán)形間隙靶與管璧間環(huán)形間隙中流體平均流速中流體平均流速 5900022SSSk SSddgFgFQv1kS0Sd6061渦輪渦輪上的螺旋形葉片用高導(dǎo)上的螺旋形葉片用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制成。磁系數(shù)的不銹鋼材料制成。導(dǎo)流器導(dǎo)流器用用以穩(wěn)定流以穩(wěn)定流體的流向體的流向外殼由非外殼由

11、非導(dǎo)磁的不導(dǎo)磁的不銹鋼制成銹鋼制成62NS63N儀表常數(shù)儀表常數(shù)NS64插入式插入式q特點(diǎn)特點(diǎn)渦輪轉(zhuǎn)速不用軸輸出，沒有齒渦輪轉(zhuǎn)速不用軸輸出，沒有齒輪傳動(dòng)誤差和密封問題，因而渦輪輪傳動(dòng)誤差和密封問題，因而渦輪流量計(jì)測(cè)量精度高（可達(dá)流量計(jì)測(cè)量精度高（可達(dá)0.2級(jí)），級(jí)），耐高壓（靜壓可達(dá)耐高壓（靜壓可達(dá)50MPa）。）。輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，不易受輸出信號(hào)為頻率信號(hào)，不易受干擾，便于遠(yuǎn)傳干擾，便于遠(yuǎn)傳 。要求流體清潔，安裝時(shí)，應(yīng)加要求流體清潔，安裝時(shí)，應(yīng)加裝過濾器，且前后要有一定的直管裝過濾器，且前后要有一定的直管段。段。656667式中：式中： Ex 感應(yīng)電勢(shì)；感應(yīng)電勢(shì)； B 磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度； D 管道直徑；管道直徑； v 流體速度。流體速度。68214QD v式中式中稱為儀表常數(shù)稱為儀表常數(shù)221DEkE44BQD v2Dk4BQvD6970717273旋進(jìn)型旋進(jìn)型卡曼型卡曼型7475dvSft=式中：式中：76v測(cè)得測(cè)得 f 便可算出體積流量便可算出體積流量QQ = A1v = A1Stfd A1管道中旋渦發(fā)管道中旋渦發(fā)生體處流通截面積。生體處流通截面積。 A1 A1q旋渦流量計(jì)的特點(diǎn)是精旋渦流量計(jì)的特點(diǎn)是精確度高、測(cè)量范圍寬、沒有運(yùn)確度高、測(cè)量范圍寬、沒有運(yùn)動(dòng)部件、壓力損失小。動(dòng)部件、壓力損失小。777879鉑電阻絲鉑電