4檢測(cè)教案壓力檢測(cè)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授課教案PAGEPAGE1模塊四、壓力檢測(cè)授課教案課程名稱：檢測(cè)技術(shù)班級(jí)：性質(zhì)：考試課授課人：課題：模塊四、壓力檢測(cè)課時(shí)安排：4課次編號(hào)：5~7教材分析難點(diǎn)變極距電容式傳感器特性重點(diǎn)兩線制電流輸出型儀表的計(jì)算教學(xué)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(jì)算；3.熟悉智能儀表的零點(diǎn)遷移原理；4.了解總線制和智能儀表的原理。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂互動(dòng)、分析實(shí)訓(xùn)教具：電渦流傳感器及接近開關(guān)各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容一、壓力的單位工程技術(shù)中的“壓力”實(shí)際上是指物理學(xué)中的壓強(qiáng)，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(duì)壓力、相對(duì)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(cè)量某容器的壓力，讀數(shù)為90kPa，若測(cè)量地大氣壓為100kPa，根據(jù)式（4-3）計(jì)算：相對(duì)真空度為多少千帕？負(fù)壓為多少kPa？相對(duì)真空度的數(shù)值介于0~多少kPa之間？圖4-1大氣壓力、絕對(duì)壓力、表壓、負(fù)壓、真空度之間的關(guān)系圖4-6彈簧管電接點(diǎn)式壓力表1－指針2－動(dòng)觸點(diǎn)3－低限靜觸點(diǎn)4－高限靜觸點(diǎn)5－綠燈6－紅燈7－接線盒8－壓力接頭提問：彈簧管電接點(diǎn)式壓力表能否用于有可燃性氣體的場(chǎng)合？為什么？表4-2常用壓力儀表的類型、測(cè)量范圍和特點(diǎn)壓力儀表類型壓力測(cè)量范圍/MPa工作原理特點(diǎn)液柱式＜0.1根據(jù)流體靜力學(xué)原理，液柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力平衡無源，讀數(shù)直觀，價(jià)廉；液柱較長(zhǎng)，信號(hào)不能遠(yuǎn)傳，封液易與被測(cè)介質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，玻璃管易破損；多用于實(shí)驗(yàn)室，可用于校準(zhǔn)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(cè)介質(zhì)壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、直觀、價(jià)廉；機(jī)械式彈性壓力表不能遠(yuǎn)傳；彈性敏感元件可作為其他電測(cè)式傳感器的感壓元件熱傳導(dǎo)真空計(jì)10-3~10-7根據(jù)氣體分子熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)的物理現(xiàn)象可以測(cè)量低壓力；標(biāo)定困難電離真空計(jì)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(cè)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(gè)極板距離隨壓力而變化可以由硅微加工工藝制作微差動(dòng)電容，準(zhǔn)確度高，溫度自補(bǔ)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(lì)和電磁拾振，或靜電激勵(lì)和電容拾振直接輸出頻率量，準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10-6/℃；可用于校驗(yàn)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(kuò)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(qiáng)，采用橋路激光修正，準(zhǔn)確度高；工作溫度低于120項(xiàng)目一電容式壓力傳感器【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識(shí)目標(biāo)1）熟悉電容式傳感器的工作原理。2）熟悉差動(dòng)變極距電容式傳感器的特性。?技能目標(biāo)1）掌握壓力表的安裝。2）掌握壓力表的量程計(jì)算。任務(wù)一認(rèn)識(shí)電容式壓力傳感器提問：電容式傳感器具有哪些優(yōu)點(diǎn)？①相對(duì)變化量可達(dá)到200%以上；②能在高溫和強(qiáng)輻射等環(huán)境中工作；③電容式傳感器所需的激勵(lì)源功率??；④動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能用于動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)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(shí)，對(duì)測(cè)量而言，有何缺點(diǎn)？圖4-9差動(dòng)電容式差壓傳感器a）結(jié)構(gòu)b）外觀1－高壓側(cè)進(jìn)氣口2－低壓側(cè)進(jìn)氣口3－過濾片4－空腔5－柔性不銹鋼波紋隔離膜片6－導(dǎo)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(hù)懸浮波紋膜片14－公共參考端（地電位）15－螺紋壓力接頭16－測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及顯示器鋁合金盒17－信號(hào)電纜提問：從圖4-8可以看出：該差動(dòng)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(dǎo)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(cè)量氣體的壓力時(shí)，導(dǎo)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(jiǎn)介波紋隔離法蘭壓力傳感器由波紋法蘭、傳壓管（或?qū)嚎祝?、?dǎo)壓液（填充液）、測(cè)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(cè)壓力波動(dòng)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(cè)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(cè)量誤差，被測(cè)壓力不應(yīng)低于滿量程的幾分之一？測(cè)量高壓時(shí)，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(duì)誤差為±200kPa。求：1）若選用量程為0～16MPa、準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表進(jìn)行測(cè)量，能否符合誤差要求？2）若改為測(cè)量范圍為0～10MPa、準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，是否允許采用？試說明其理由。解1）對(duì)于測(cè)量范圍為0～16MPa，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，允許的最大絕對(duì)誤差為16MPa×1.5%=0.24MPa=240kPa。因?yàn)榇藬?shù)值超過了工藝上允許的最大絕對(duì)誤差數(shù)值（200kPa），所以該壓力表是不合格的。2）對(duì)于測(cè)量范圍為0～10MPa，準(zhǔn)確度亦為1.5級(jí)的壓力表，允許的最大絕對(duì)誤差為10MPa×1.5%=0.15MPa。因?yàn)榇藬?shù)值的絕對(duì)值小于該工藝允許的最大絕對(duì)誤差，故允許采用。結(jié)論：選擇量程很大的儀表來測(cè)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(dòng)較小，正常工作壓力為10MPa左右?，F(xiàn)要求示值相對(duì)誤差不大于1.5%，試確定：1）壓力表的量程。2）壓力表的準(zhǔn)確度等級(jí)。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(duì)誤差與示值相對(duì)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(zhǔn)確度等級(jí)，選取0.5級(jí)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(xiàng)目二）的“量程比”可達(dá)40~多少？3.量程比越大，實(shí)際測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)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(dāng)使用量程等于變送器最大量程的1/10時(shí)，儀表的準(zhǔn)確度仍然能達(dá)到±0.1%。若小于最大量程的1/10，則儀表的準(zhǔn)確度可用式（4-13）計(jì)算，求：1）當(dāng)準(zhǔn)確度降低到±0.1%×2.5時(shí)的可用量程比。2）最小量程LRV為多少千帕？解1）當(dāng)用戶選擇較小的量程，并使準(zhǔn)確度降低到±0.1%×2.5時(shí)，“可用量程比”與準(zhǔn)確度之間有以下關(guān)系：，則此時(shí)的可用量程比=。2）最小量程。例：型號(hào)“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(zhǔn)確度為±0.25%FS，輸出信號(hào)為4~20mA及基于HART協(xié)議的串行通信信號(hào)。任務(wù)三壓力表的校驗(yàn)圖4-18活塞式壓力校驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)1－砝碼2－托盤3－活塞4－活塞柱5－標(biāo)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(jìn)油閥把手13－標(biāo)準(zhǔn)壓力表14－被校壓力表a－活塞截止閥b－標(biāo)準(zhǔn)壓力表截止閥c－被校壓力表截止閥d－進(jìn)油閥例4-4設(shè)被校驗(yàn)的壓力表A的最大量程為1MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)S=1.5級(jí)，現(xiàn)有三塊標(biāo)準(zhǔn)表可供校驗(yàn)選擇：B表：1.6MPa，0.5級(jí)；C表：1.6MPa，0.2級(jí)；D表：4.0MPa，0.2級(jí)。請(qǐng)確定哪一塊標(biāo)準(zhǔn)表較為合適？解按校驗(yàn)規(guī)程，標(biāo)準(zhǔn)表的最大絕對(duì)誤差不應(yīng)超過被校驗(yàn)表的最大絕對(duì)誤差（ΔmaxA）的1/3（5.0kPa）。被校驗(yàn)A表的最大絕對(duì)誤差ΔmaxA=AmaxAΔA=1MPa×1.5%=15.0kPa。B表的最大絕對(duì)誤差ΔmaxB=AmaxBSB=1.6MPa×0.5%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。C表的最大絕對(duì)誤差ΔmaxC=AmaxCSC=1.6MPa×0.2%=3.2kPa＜(ΔmaxA/3)。D表的最大絕對(duì)誤差ΔmaxD=AmaxDSD=4.0MPa×0.2%=8kPa＞(ΔmaxA/3)。由上述計(jì)算可知，標(biāo)準(zhǔn)表C適合于校驗(yàn)壓力表A。項(xiàng)目二兩線制壓力變送器【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識(shí)目標(biāo)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(chǎng)總線型變送器的原理。?技能目標(biāo)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(diǎn)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(jiǎn)介提問：1.什么是變送器（能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)轉(zhuǎn)換為可以被控制器接受的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的設(shè)備）？2.在自動(dòng)控制中，涉及變送器的信號(hào)流程是怎樣的？（信號(hào)源→傳感器→運(yùn)算器→輸出級(jí)→傳輸線→控制器→執(zhí)行機(jī)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(hào)線；四線制？（兩根正負(fù)電源線，兩根信號(hào)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(hào)輸出等）；④按壓力測(cè)量范圍？⑤按準(zhǔn)確度？。二、兩線制壓力（差壓）變送器簡(jiǎn)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(hào)處理、轉(zhuǎn)換單元組合在一個(gè)殼體中，并安裝在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)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(hào)，并顯示、記錄、轉(zhuǎn)換及發(fā)送該信號(hào)的裝置）2．電流輸出型儀表提問：標(biāo)準(zhǔn)電流輸出型儀表的輸出為4～多少mA？對(duì)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(duì)應(yīng)的輸出電流為4～20mA。求：當(dāng)測(cè)得輸出電流I=12mA時(shí)的被測(cè)壓力p。解因?yàn)樵搩x表說明書未說明線性度，可以默認(rèn)輸出電流與被測(cè)壓力之間為線性關(guān)系，即I與p的數(shù)學(xué)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(dāng)p=0時(shí)，a0=4mA當(dāng)p=200kPa時(shí)，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(fù)載/電源電阻特性【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對(duì)照表訓(xùn)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(duì)壓力（pabs）變送器的量程為40~250kPa，零點(diǎn)和量程均已校準(zhǔn)，若將取壓口向大氣敞開，求：此時(shí)的輸出電流I大約為多少毫安？解該儀表輸入40kPa的絕對(duì)壓力時(shí)，輸出為4mA；輸入250kPa的絕對(duì)壓力時(shí)，輸出為20mA。設(shè)大氣壓的絕對(duì)壓力p大氣≈100kPa，則此時(shí)輸出電流與(p大氣-pmin)成正比：三、兩線制儀表的負(fù)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(zhǎng)為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：1）最大取樣負(fù)載電阻R為多少歐？2）若取樣電阻R取250Ω時(shí)，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(shí)，在線徑不變的情況下，傳輸線的長(zhǎng)度最多為多少米？解1）當(dāng)傳輸線直流電阻為100Ω時(shí)，變送器的最大輸出電流為20mA，則線路的最大壓降為2V時(shí)。當(dāng)電源電壓為24V、變送器的最低工作電壓為12V，則負(fù)載電阻上的最大壓降為10V。最大負(fù)載電阻RL=10V/20mA=500Ω。2）若取樣電阻R取250Ω時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)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(jiǎn)介圖4-24HART通信協(xié)議波形示意圖a）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的波形b）多點(diǎn)通信時(shí)的波形提問：相對(duì)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(fù)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(shí)，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(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，智能變送器處于模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兼容狀態(tài)，并且需要一對(duì)一的雙絞線連接；2）多點(diǎn)通信（多點(diǎn)廣播方式）時(shí)，不輸出4~20mA信號(hào)，只輸出數(shù)字信號(hào)，每臺(tái)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(gè)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(cè)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(jiǎn)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(diǎn)（1）性能穩(wěn)定，可靠性好；（2）量程范圍寬；（3）阻尼時(shí)間可調(diào)；（4）具有自檢和自動(dòng)補(bǔ)償能力；（5）數(shù)字量輸出；（6）具有雙向通信功能；（7）遠(yuǎn)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(hù)”是什么意思？2.如果“傳感膜頭”損壞，能否單獨(dú)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(diǎn)遷移提問：如果因?qū)嶋H條件限制，導(dǎo)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(dāng)容器中的被測(cè)壓力等于零時(shí)，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(dǎo)壓液，高度為h，則初始?jí)毫+0怎樣？p+0=ρgh