壓力和液位傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)

./壓力和液位傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解壓力傳感器和液位傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)2.學(xué)習(xí)如何安裝和使用壓力傳感器、液位傳感器3.學(xué)習(xí)如何測(cè)定和校正傳感器的量程曲線4.學(xué)習(xí)傳感器、數(shù)字轉(zhuǎn)換儀表的連接和參數(shù)設(shè)置二、實(shí)驗(yàn)裝置與試劑壓力傳感器一臺(tái),液位傳感器一臺(tái),直流電源,數(shù)字顯示儀表,高位槽,低位槽,電磁閥。三、實(shí)驗(yàn)原理壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程的測(cè)量和自控包括石油、化工、航空、制藥、環(huán)境等不同的行業(yè)和過程,按照不同的類型,還可以有用來(lái)測(cè)量液體或氣體壓力的,測(cè)量物體重量的,測(cè)量流體壓差的和物體的位移量。也可以分別叫做壓力傳感器、重量傳感器、液位傳感器和差壓傳感器等名稱,下本實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理與其應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)裝置為一個(gè)透明的有機(jī)玻璃塔,也可以作為一個(gè)液體罐。在塔體的下部,安裝有壓力傳感器,通過改變液體的高度,或者氣體的壓力,都可以造成系統(tǒng)壓力的變化,可以用來(lái)測(cè)量塔內(nèi)液體水產(chǎn)生的壓力,并顯示在數(shù)字儀表上。該數(shù)據(jù)也可以直接連接到計(jì)算機(jī)上,實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和采集。在塔的上、下部位,安裝有液位傳感器,用來(lái)測(cè)量液體的位差。本實(shí)驗(yàn)中液體是水,不管液體上方的氣體壓力如何變化,液位傳感器只是測(cè)量上下兩個(gè)測(cè)量口之間的壓力差。圖1壓力/液位傳感器測(cè)量試驗(yàn)流程圖傳感器測(cè)量原理：壓力傳感器的種類繁多,有壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器電、感式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器與電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價(jià)格和較高的精度以與較好的線性特性。壓阻式壓力傳感器：通常是將電阻膜片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在一個(gè)固定基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),膜片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的改變,如果電路中有一個(gè)恒流源,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過用電橋放大后測(cè)量該電壓值,就可以知道施加到膜片上的壓力值。電阻膜片應(yīng)用最多的是金屬電阻膜片和半導(dǎo)體膜片兩種。金屬電阻膜片又分絲狀膜片和金屬箔狀片兩種。金屬電阻膜片是利用吸附在基體材料上金屬絲或金屬箔,受應(yīng)力變化時(shí),電阻發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量的。應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象,俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。圖2傳感器接線原理采用水的變化來(lái)引起壓力和壓差的變化,用壓力傳感器來(lái)測(cè)量氣體或液體的壓力,用差壓傳感器來(lái)測(cè)量液位的差別,也就是液體高度。實(shí)驗(yàn)采用水為實(shí)驗(yàn)物系,水可以連續(xù)的加入到一個(gè)透明的有機(jī)玻璃塔中,該塔也可以代表一個(gè)液體罐。當(dāng)液位不同時(shí),壓力傳感器測(cè)量到的壓力不同,同樣液位傳感器測(cè)量的數(shù)值也不同。通過不斷的改變液體的高度,就可測(cè)出不同的壓力和液位值。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.檢查實(shí)驗(yàn)裝置的儀器和設(shè)備,是否完好?2.將水管連接到水龍頭上,并連接到有機(jī)玻璃塔的進(jìn)口,檢查是否漏水？水能否流入到塔內(nèi)？3.檢查壓力傳感器、液位傳感器連線是否正確？并按照實(shí)驗(yàn)原理和儀表說明書,將信號(hào),電源線連接好。本實(shí)驗(yàn)中,壓力傳感器采用250Ω的電阻,INP采用第33個(gè),正極接"17",負(fù)極接"18"；液位傳感器采用50Ω的電阻,INP采用第32個(gè),正極接"19",負(fù)極接"18"。4.連接完成后,讓指導(dǎo)教師檢查。待老師確認(rèn)后,可以開始實(shí)驗(yàn)。5.按照儀表的操作說明,和傳感器的量程說明,設(shè)定好儀表的輸入上下限。壓力傳感器的X圍為0-1at,液位傳感器的X圍為0-5m。6.改變液體的高度,每次改變10厘米水柱,分別記錄壓力傳感器的數(shù)值和液位傳感器的數(shù)值,記錄液體的溫度。7.從玻璃塔下的放水閥往外放水,每次改變10厘米水柱,也分別記錄壓力傳感器的數(shù)值和液位傳感器的數(shù)值,記錄液體的溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理往有機(jī)玻璃塔內(nèi)加水時(shí)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)壓力顯示值〔at〕液位顯示值<m>液體高度<m>液體溫度<℃>液體密度〔Kg/m3〕0.007-0.113024.6/0.011-0.0080.124.8997.070.0210.0890.224.9997.0450.0310.1850.324.9997.0450.0410.2810.425.0997.020.0510.3770.524.9997.0450.0610.4760.624.9997.0450.0710.5740.724.7997.0950.0810.6710.825.6從塔內(nèi)放水時(shí)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)壓力顯示值〔at〕液位顯示值<m>液體高度<m>液體溫度<℃>液體密度〔Kg/m3〕0.0810.6690.824.9997.0450.0720.5700.724.9997.0450.0620.4740.624.9997.0450.0520.3750.524.9997.0450.0420.2780.424.9997.0450.0320.1830.324.9997.0450.0220.0850.224.9997.0450.012-0.0120.124.9997.0450.007-0.096025.2/將在某一液位高度下記錄的兩組數(shù)據(jù)取平均值,結(jié)果見表3：表3計(jì)算數(shù)據(jù)壓力顯示值〔at〕液位顯示值<m>液體高度<m>液體溫度<℃>液體密度〔Kg/m3〕0.007-0.105025.2/0.012-0.010.124.9997.0450.0220.0870.224.9997.0450.0320.1840.324.9997.0450.0420.2800.424.9997.0450.0520.3760.524.9997.0450.0620.4750.624.9997.0450.0720.5720.724.9997.0450.0810.6700.824.9997.0451.壓力傳感器測(cè)量校正曲線：把壓力傳感器測(cè)量的數(shù)值和用水的高度換算的數(shù)值,在直角坐標(biāo)上作圖,X軸為壓力傳感器測(cè)量的實(shí)際數(shù)值,Y軸為用水的密度、溫度和高度換算出的水壓力,這些點(diǎn)可以連接成一條直線,以后只要根據(jù)儀表讀數(shù),就可以知道真實(shí)的壓力了。根據(jù)P=ρgh,g=9.8N/Kg,ρ為液體在某一溫度下密度,h為實(shí)際液位高度。第一行數(shù)據(jù)忽略,對(duì)第二行數(shù)據(jù)：P=997.045Kg/m3*9.8N/Kg*0.1*10-5=0.010at.其余以此類推,得數(shù)據(jù)表格如下：表2壓力實(shí)際值計(jì)算數(shù)據(jù)壓力顯示值〔at〕0.0120.0220.0320.0420.0520.0620.0720.081壓力實(shí)際值<at>0.0100.0200.0290.0390.0490.0590.0680.078圖3壓力實(shí)際值與壓力顯示值曲線2.液位傳感器測(cè)量校正曲線：把液位傳感器測(cè)量的數(shù)值和用水的實(shí)際高度,在直角坐標(biāo)上作圖,X軸為液位傳感器測(cè)量的數(shù)值,Y軸為水的實(shí)際測(cè)量高度,這些點(diǎn)可以連接成一條直線,以后只要根據(jù)儀表讀數(shù),就可以知道實(shí)際的液位高度。表3液位實(shí)際值與顯示值數(shù)據(jù)液位顯示值〔m〕-0.010.0870.1840.2800.3760.4750.5720.670液位實(shí)際值<m>0.10.20.30.40.50.60.70.8圖4液位實(shí)際值與顯示值曲線六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1通過實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算,將水壓的理論值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,做出校正曲線。校正曲線為一條直線,說明此壓力傳感器的穩(wěn)定性非常好；但是壓力傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有偏差,通過這種方式,使壓力傳感器得到了很好的校正。2將液位的顯示值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,做出校正曲線。校正曲線為一條直線,線性度非常高,說明此液位傳感器的穩(wěn)定性非常好；由數(shù)據(jù)可以看出,液位的顯示值和實(shí)際值的偏差較小,說明此液位傳感器的精度較好。七、實(shí)驗(yàn)問題回答1.壓力傳感器有哪幾種主要測(cè)量原理？答：壓力傳感器主要有壓阻式傳感器,主要原理是：將電阻膜片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在一個(gè)固定基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),膜片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的改變,如果電路中有一個(gè)恒流源,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過用電橋放大后測(cè)量該電壓值,就可以知道施加到膜片上的壓力值。電容式壓力傳感器：將膜片和基片構(gòu)成一個(gè)腔體,待測(cè)壓力使得陶瓷膜片彎曲情形,如此就能改變組件的電容量,借著加入必須的電子電路,盡可能將此變形與壓力之變化互成關(guān)系。因此電容量的變化即比例于壓力的變化。半導(dǎo)體壓力傳感器：此種裝置也是應(yīng)用壓電效應(yīng)與電橋電阻形式獲得量測(cè)結(jié)果,在硅支撐物上利用擴(kuò)散的方法,用以產(chǎn)生膜片,包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以,它就與外界形成機(jī)械性的隔離。當(dāng)硅質(zhì)膜片偏向時(shí),電橋的輸出就隨著改變。2.液位傳感器的安裝有什么要求？測(cè)量原理是什么？答：液位傳感器必需安裝在塔的上、下部位,并且上端不能低于液面的最高實(shí)驗(yàn)值。當(dāng)液位不同時(shí),壓力傳感器測(cè)量到的壓力不同,同樣液位傳感器測(cè)量的數(shù)值也不同。通過不斷的改變液體的高度,就可以按照下式〔1〕、〔2〕計(jì)算出壓力和液位值：液體壓力=H〔液體高度〕+液體上方氣體壓力〔液柱高度〕〔1〕液位值=低點(diǎn)的〔〔液體高度〕+液體上方氣體壓力〔液柱高度〕〕-高點(diǎn)的〔〔液體高度〕+液體上方氣體壓力〔液柱高度〕〕〔2〕3.怎樣使用壓力校正曲線？用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)舉例說明。答：壓力校正曲線是測(cè)量值與實(shí)際值的曲線,橫坐標(biāo)為測(cè)量值〔顯示值〕,縱坐標(biāo)為理論計(jì)算的實(shí)際值,根據(jù)測(cè)出的橫坐標(biāo),在曲線上找縱坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)點(diǎn),就可得實(shí)際壓力值。例如0.040at對(duì)應(yīng)0.032at4傳感器的接線方式有那些？有什么應(yīng)用區(qū)別？答：對(duì)于壓力傳感器,信號(hào)的輸出可以分成三線制和二線制兩種方式。一般三線制信號(hào)輸出通常是電壓信號(hào),而電流信號(hào)的輸出一般為兩線制。當(dāng)壓力傳感器接受到不同的壓力時(shí),元件會(huì)發(fā)生電阻或電壓的變化。當(dāng)在元件的兩端接上一個(gè)直流電壓時(shí),也就是通常的電源,那么在回路中,就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)力的電流。如果把這個(gè)電流通過一個(gè)電阻,那么電阻兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的電壓。該電流或電壓值,隨壓力的變化而變化,得到了準(zhǔn)確的電壓或電流值,就可以反算出元件承受的壓力。在三線制方式,通常一根是電源的正極,用紅線表示,一根是電源的負(fù)極,一般用藍(lán)色或綠色的線連接,第三根是信號(hào)線的正極,一般是黃色線,信號(hào)線的負(fù)極和電源的負(fù)極,是同一根線。比如,一個(gè)三線制的壓力傳感器,電源電壓為24V,壓力測(cè)量的X圍是,信號(hào)輸出X圍是0-5V,則當(dāng)信號(hào)電壓為1V時(shí),壓力為0.02MPa。在二線制方式,通常一根是電源的正極,用紅線表示,一根是電源的負(fù)極,一般用藍(lán)色或綠色的線連接,當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí),該回路中的電流就發(fā)生相應(yīng)的變化,一般是在回路中接一個(gè)電阻,再把電阻兩端的直流電壓引