4檢測教案壓力檢測

傳感器與檢測技術(shù)項目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授課教案PAGEPAGE1模塊四、壓力檢測授課教案課程名稱：檢測技術(shù)班級：性質(zhì)：考試課授課人：課題：模塊四、壓力檢測課時安排：4課次編號：5~7教材分析難點變極距電容式傳感器特性重點兩線制電流輸出型儀表的計算教學目的和要求1.了解變極距電容式傳感器的工作原理；2.掌握兩線制電流輸出型儀表的計算；3.熟悉智能儀表的零點遷移原理；4.了解總線制和智能儀表的原理。采用教學方法和實施步驟講授、課堂互動、分析實訓教具：電渦流傳感器及接近開關(guān)各教學環(huán)節(jié)和內(nèi)容一、壓力的單位工程技術(shù)中的“壓力”實際上是指物理學中的壓強，用p表示，它等于垂直作用于一定面積A上的力F除以面積A，即垂直并均勻作用在單位面積上的力（4-1）大氣壓與表壓、絕對壓力、相對真空度的關(guān)系p表=p絕-p大氣（4-2）p真空=|p絕-p大氣|（4-3）提問：用絕壓傳感器測量某容器的壓力，讀數(shù)為90kPa，若測量地大氣壓為100kPa，根據(jù)式（4-3）計算：相對真空度為多少千帕？負壓為多少kPa？相對真空度的數(shù)值介于0~多少kPa之間？圖4-1大氣壓力、絕對壓力、表壓、負壓、真空度之間的關(guān)系圖4-6彈簧管電接點式壓力表1－指針2－動觸點3－低限靜觸點4－高限靜觸點5－綠燈6－紅燈7－接線盒8－壓力接頭提問：彈簧管電接點式壓力表能否用于有可燃性氣體的場合？為什么？表4-2常用壓力儀表的類型、測量范圍和特點壓力儀表類型壓力測量范圍/MPa工作原理特點液柱式＜0.1根據(jù)流體靜力學原理，液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡無源，讀數(shù)直觀，價廉；液柱較長，信號不能遠傳，封液易與被測介質(zhì)發(fā)生物理和化學反應(yīng)，玻璃管易破損；多用于實驗室，可用于校準其他壓力傳感器彈性式陶瓷膜片＜50膜盒＜20波紋管＜2彈簧管＜100各種形式的彈性元件在被測介質(zhì)壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、直觀、價廉；機械式彈性壓力表不能遠傳；彈性敏感元件可作為其他電測式傳感器的感壓元件熱傳導真空計10-3~10-7根據(jù)氣體分子熱傳導與壓力有關(guān)的物理現(xiàn)象可以測量低壓力；標定困難電離真空計10-5~10-10低氣壓下，氣體分子易在高電壓下電離，產(chǎn)生的離子電流隨壓力變化可以測量極低壓力；玻璃管易損壞；不適用50Pa以上的壓力電容式壓力傳感器10電容的兩個極板距離隨壓力而變化可以由硅微加工工藝制作微差動電容，準確度高，溫度自補償；大量用于工業(yè)壓力變送器諧振式硅微結(jié)構(gòu)式壓力傳感器10硅微加工諧振膜的諧振頻率隨壓力增加而變大，由電磁激勵和電磁拾振，或靜電激勵和電容拾振直接輸出頻率量，準確度可達0.01%，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10-6/℃；可用于校驗其他壓力傳感器壓阻式壓力傳感器20硅的壓阻效應(yīng)壓力直接作用在擴散硅杯，不需要傳壓液體；工作溫度低于100厚膜電阻式陶瓷式壓力傳感器20硅的壓阻效應(yīng)壓力直接作用在陶瓷膜片上，不需要傳壓液體，過載能力強，采用橋路激光修正，準確度高；工作溫度低于120項目一電容式壓力傳感器【項目教學目標】?知識目標1）熟悉電容式傳感器的工作原理。2）熟悉差動變極距電容式傳感器的特性。?技能目標1）掌握壓力表的安裝。2）掌握壓力表的量程計算。任務(wù)一認識電容式壓力傳感器提問：電容式傳感器具有哪些優(yōu)點？①相對變化量可達到200%以上；②能在高溫和強輻射等環(huán)境中工作；③電容式傳感器所需的激勵源功率??；④動態(tài)響應(yīng)快，能用于動態(tài)測量。一、電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式（4-5）圖4-7平行板電容器1－上極板2－下極板3－電力線4－邊緣效應(yīng)圖4-8變極距電容式傳感器a）結(jié)構(gòu)b）電容與極板距離的關(guān)系1－定極板2－動極板（平膜板）3－彈性膜片提問：1.從圖4-8可以看出：在極距d越小，靈敏度就越？2.如果極距d很小時，對測量而言，有何缺點？圖4-9差動電容式差壓傳感器a）結(jié)構(gòu)b）外觀1－高壓側(cè)進氣口2－低壓側(cè)進氣口3－過濾片4－空腔5－柔性不銹鋼波紋隔離膜片6－導壓硅油7－凹形玻璃圓片8－鍍金凹形電極（定極板）9－彈性平膜片10－δ腔11－鋁合金外殼12－限位波紋盤13－過壓力保護懸浮波紋膜片14－公共參考端（地電位）15－螺紋壓力接頭16－測量轉(zhuǎn)換電路及顯示器鋁合金盒17－信號電纜提問：從圖4-8可以看出：該差動電容式差壓傳感器的膜片的行程怎樣？（4-10）任務(wù)二壓力表的安裝與選型圖4-15導壓管管路的敷設(shè)a）壓力表在容器（管道）的下方b）壓力表在容器（管道）的上方c）取壓口在管道橫截面的角度提問：為什么測量氣體的壓力時，導壓管需要從壓力容器的上方引出？二、波紋隔離法蘭壓力傳感器簡介波紋隔離法蘭壓力傳感器由波紋法蘭、傳壓管（或?qū)嚎祝?、導壓液（填充液）、測量室（δ室）、電子電路等部件組成。提問：什么情況下，必須使用波紋隔離法蘭壓力傳感器？三、壓力表的選型提問：1.在被測壓力波動較大的情況下，最大壓力值不應(yīng)超過壓力表滿量程的多少分之一？2.最小壓力值最好不要低于壓力表滿量程的多少分之一？3.在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值不應(yīng)超過滿量程的多少？4.為了減小測量誤差，被測壓力不應(yīng)低于滿量程的幾分之一？測量高壓時，最大過程壓力不應(yīng)超過量程的多少？例4-1如果某壓力容器最大壓力為6MPa，允許最大絕對誤差為±200kPa。求：1）若選用量程為0～16MPa、準確度為1.5級的壓力表進行測量，能否符合誤差要求？2）若改為測量范圍為0～10MPa、準確度為1.5級的壓力表，是否允許采用？試說明其理由。解1）對于測量范圍為0～16MPa，準確度為1.5級的壓力表，允許的最大絕對誤差為16MPa×1.5%=0.24MPa=240kPa。因為此數(shù)值超過了工藝上允許的最大絕對誤差數(shù)值（200kPa），所以該壓力表是不合格的。2）對于測量范圍為0～10MPa，準確度亦為1.5級的壓力表，允許的最大絕對誤差為10MPa×1.5%=0.15MPa。因為此數(shù)值的絕對值小于該工藝允許的最大絕對誤差，故允許采用。結(jié)論：選擇量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)是不合適的。例4-2某一壓力容器的壓力波動較小，正常工作壓力為10MPa左右?，F(xiàn)要求示值相對誤差不大于1.5%，試確定：1）壓力表的量程。2）壓力表的準確度等級。解1）設(shè)壓力表的量程為M，p=10MPa，則有以下不等式方程p＜M×2/3，且p＞M×1/3（4-12）解此不等式方程，得M＞15MPa，且M＜30MPa，因此選擇量程為0~20MPa的壓力表。2）由題意可知，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差與示值相對誤差的關(guān)系為Δm=10MPa×1.5%=0.15MPa，根據(jù)式（1-6），要求所選壓力表的最大引用誤差按照表1-3所示的準確度等級，選取0.5級壓力表。提問：1.什么是“量程比”？2.智能壓力傳感器（也稱智能變送器，具體定義見項目二）的“量程比”可達40~多少？3.量程比越大，實際測量時的準確度就越？4.什么是“可用量程比”δ？（4-13）例4-3設(shè)某智能差壓變送器的最大量程為1MPa，當使用量程等于變送器最大量程的1/10時，儀表的準確度仍然能達到±0.1%。若小于最大量程的1/10，則儀表的準確度可用式（4-13）計算，求：1）當準確度降低到±0.1%×2.5時的可用量程比。2）最小量程LRV為多少千帕？解1）當用戶選擇較小的量程，并使準確度降低到±0.1%×2.5時，“可用量程比”與準確度之間有以下關(guān)系：，則此時的可用量程比=。2）最小量程。例：型號“3051HP（0~100kPa）2A”表示：電容式高溫表壓變送器，過程溫度為190℃，綜合準確度為±0.25%FS，輸出信號為4~20mA及基于HART協(xié)議的串行通信信號。任務(wù)三壓力表的校驗圖4-18活塞式壓力校驗臺的結(jié)構(gòu)1－砝碼2－托盤3－活塞4－活塞柱5－標志線6－工作液（變壓器油）7－手搖液壓泵8－手搖液壓泵活塞9－絲杠10－手輪11－油杯12－進油閥把手13－標準壓力表14－被校壓力表a－活塞截止閥b－標準壓力表截止閥c－被校壓力表截止閥d－進油閥例4-4設(shè)被校驗的壓力表A的最大量程為1MPa，準確度等級S=1.5級，現(xiàn)有三塊標準表可供校驗選擇：B表：1.6MPa，0.5級；C表：1.6MPa，0.2級；D表：4.0MPa，0.2級。請確定哪一塊標準表較為合適？解按校驗規(guī)程，標準表的最大絕對誤差不應(yīng)超過被校驗表的最大絕對誤差（ΔmaxA）的1/3（5.0kPa）。被校驗A表的最大絕對誤差ΔmaxA=AmaxAΔA=1MPa×1.5%=15.0kPa。B表的最大絕對誤差ΔmaxB=AmaxBSB=1.6MPa×0.5%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。C表的最大絕對誤差ΔmaxC=AmaxCSC=1.6MPa×0.2%=3.2kPa＜(ΔmaxA/3)。D表的最大絕對誤差ΔmaxD=AmaxDSD=4.0MPa×0.2%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。由上述計算可知，標準表C適合于校驗壓力表A。項目二兩線制壓力變送器【項目教學目標】?知識目標1）熟悉壓力變送器的分類和組成。2）熟悉壓力變送器的HART通信。3）熟悉現(xiàn)場總線型變送器的原理。?技能目標1）掌握兩線制壓力變送器的接線。2）掌握智能變送器的零點遷移方法。任務(wù)一兩線制壓力變送器的應(yīng)用一、壓力變送器簡介提問：1.什么是變送器（能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘栟D(zhuǎn)換為可以被控制器接受的標準化信號的設(shè)備）？2.在自動控制中，涉及變送器的信號流程是怎樣的？（信號源→傳感器→運算器→輸出級→傳輸線→控制器→執(zhí)行機構(gòu)）3.壓力變送器分類？①按工作原理；②按接線方式；兩根信號線；四線制？（兩根正負電源線，兩根信號線，其中一根GND）等；③按輸出方式？（可分為電壓輸出、電流輸出、數(shù)字信號輸出等）；④按壓力測量范圍？⑤按準確度？。二、兩線制壓力（差壓）變送器簡介圖4-20壓力（差壓）變送器的原理框圖1．一次儀表與二次儀表提問：什么是一次儀表？（壓力變送器已經(jīng)將傳感膜頭與信號處理、轉(zhuǎn)換單元組合在一個殼體中，并安裝在檢測現(xiàn)場的信號采集轉(zhuǎn)換裝置）什么是二次儀表?（接受來自一次儀表的信號，并顯示、記錄、轉(zhuǎn)換及發(fā)送該信號的裝置）2．電流輸出型儀表提問：標準電流輸出型儀表的輸出為4～多少mA？對應(yīng)的輸出電壓為1～多少V？圖4-211511電流輸出型差壓變送器的原理框圖3．兩線制儀表圖4-22兩線制儀表的接線方法例4-5某兩線制電流輸出型壓力變送器的產(chǎn)品說明書注明其量程范圍為0～200kPa，對應(yīng)的輸出電流為4～20mA。求：當測得輸出電流I=12mA時的被測壓力p。解因為該儀表說明書未說明線性度，可以默認輸出電流與被測壓力之間為線性關(guān)系，即I與p的數(shù)學關(guān)系為一次方程，所以有I=a0+a1p（4-15）式中a0、a1——待求常數(shù)。當p=0時，a0=4mA當p=200kPa時，I=20mA，代入式（4-15）得a1=0.08mA/kPa，所以該壓力變送器的輸出/輸入方程為：I=4mA+0.08(mA/kPa)p。將I=12mA代入式（4-15）得p=(Ｉ-a0)/a1=(12mA-4mA)/(0.08mA/kPa)=100kPa。圖4-23兩線制電流輸出型壓力變送器的特性曲線a）電流/壓力特性b）負載/電源電阻特性【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對照表訓練】輸出電流I/mA＜3.754121620＞21.75差壓/kPa040160例4-6某兩線制電流輸出型絕對壓力（pabs）變送器的量程為40~250kPa，零點和量程均已校準，若將取壓口向大氣敞開，求：此時的輸出電流I大約為多少毫安？解該儀表輸入40kPa的絕對壓力時，輸出為4mA；輸入250kPa的絕對壓力時，輸出為20mA。設(shè)大氣壓的絕對壓力p大氣≈100kPa，則此時輸出電流與(p大氣-pmin)成正比：三、兩線制儀表的負載電阻例4-7某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為24V，變送器的最低工作電壓為12V，若傳輸線路總長為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：1）最大取樣負載電阻R為多少歐？2）若取樣電阻R取250Ω時，取樣電阻兩端的最大輸出電壓Umax為多少伏？3）若取樣電阻R取250Ω時，在線徑不變的情況下，傳輸線的長度最多為多少米？解1）當傳輸線直流電阻為100Ω時，變送器的最大輸出電流為20mA，則線路的最大壓降為2V時。當電源電壓為24V、變送器的最低工作電壓為12V，則負載電阻上的最大壓降為10V。最大負載電阻RL=10V/20mA=500Ω。2）若取樣電阻R取250Ω時，電阻兩端的最大輸出電壓Umax=250Ω×20mA=5V。3）若取樣電阻R取250Ω時，傳輸線允許的最大電阻值R傳輸線=(24V-12V-5V)÷20mA=350Ω由于，則傳輸線的最大長度。任務(wù)二兩線制壓力變送器的HART通信一、HART通信協(xié)議簡介圖4-24HART通信協(xié)議波形示意圖a）點對點通信時的波形b）多點通信時的波形提問：相對高頻的脈沖（2200Hz）表示1還是0？二、智能手持式HART通信器圖4-26HART通信的智能手持終端與取樣電阻并聯(lián)連接示意圖1－低功耗兩線制儀表2－傳輸線（正極）3－傳輸線（負極）4－取樣電阻5－智能手持終端6－低功耗數(shù)字電流表7－浮置式電源提問：1.智能手持終端與取樣電阻并聯(lián)時，取樣電阻不能小于多少歐？2.取樣電阻與兩線制儀表是串聯(lián)還是并聯(lián)？3.如果該兩線制儀表的輸出為20mA，則在圖4-26所示的取樣電阻兩端得到多少伏電壓？1）當點對點通信時，智能變送器處于模擬信號與數(shù)字信號兼容狀態(tài)，并且需要一對一的雙絞線連接；2）多點通信（多點廣播方式）時，不輸出4~20mA信號，只輸出數(shù)字信號，每臺智能變送器的輸出電流均為4mA。輸出端并聯(lián)在HART總線上，可掛16個以下的HART變送器。3）如果DCS要與HART設(shè)備通信，需要配接與智能變送器相同通信協(xié)議的數(shù)字檢測卡（ESC卡）任務(wù)三智能壓力變送器的應(yīng)用一、智能變送器簡述（1）智能；（2）智能儀表；（3）智能化傳感器；（4）智能變送器。二、智能差壓變送器的特點（1）性能穩(wěn)定，可靠性好；（2）量程范圍寬；（3）阻尼時間可調(diào)；（4）具有自檢和自動補償能力；（5）數(shù)字量輸出；（6）具有雙向通信功能；（7）遠程通信；（8）單位換算（9）高、低壓側(cè)轉(zhuǎn)換；（10）固定輸出。三、智能差壓變送器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-273051C型智能差壓變送器的工作原理框圖提問：1.圖4-27中的“反極性保護”是什么意思？2.如果“傳感膜頭”損壞，能否單獨更換“傳感膜頭”，而不需更換電子電路板及顯示器電路？3.圖4-27中的左側(cè)的溫度傳感器是用于干什么的？四、智能差壓變送器的零點遷移提問：如果因?qū)嶋H條件限制，導致壓力容器的位置比較高，而壓力變送器的安裝高度比較低，如圖4-29所示。當容器中的被測壓力等于零時，由于隔離法蘭式壓力變送器的取壓管中灌滿密度為ρ的導壓液，高度為h，則初始壓力p+0怎樣？p+0=ρgh