第三章 壓力檢測儀表

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1、第三章第三章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器 檢測儀表檢測儀表：用來檢測生產(chǎn)過程中的諸如溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的技術(shù)工具。傳感器傳感器：能夠檢測工藝參數(shù)并且將其轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號（如：電信號、氣壓信號）的儀表稱為傳感器。變送器：當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時，可將這樣的傳感器稱為變送器。了解檢測儀表的作用3.1 概概 述述一、測量過程與測量誤差1.測量過程：不論檢測方法和儀表結(jié)構(gòu)多么不同，測量的實質(zhì)都是將被測參數(shù)與其所對應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程，而測量儀表是實現(xiàn)這種比較的工具。盡管測量原理各式各樣，但都是將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次能量的轉(zhuǎn)換，最終獲得一種便于顯示和

2、傳遞的信號形式的過程。例如：采用熱電偶進(jìn)行溫度的測量 （溫度電流信號毫伏測量表指針偏轉(zhuǎn)與溫度標(biāo)尺進(jìn)行比較）2.測量誤差（測量結(jié)果不可能絕對準(zhǔn)確）測量誤差:由儀表讀得的被測值與被測參數(shù)的真值之間的差值。測量誤差的兩種表示：絕對誤差、相對誤差 絕對誤差在理論上是指儀表指示值和被測量的真值之差，即：Xi-Xt（Xt 被測物理量客觀存在的真實數(shù)值，是無法得到的理論值）實際采用辦法：被校表讀數(shù)（X）標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（X0）相對誤差等于某一點的絕對誤差與該點處標(biāo)準(zhǔn)表的指示值之比，即：Y=/X0=(X-X0)/X0二、檢測儀表的性能指標(biāo)二、檢測儀表的性能指標(biāo)1.準(zhǔn)確度與允許誤差 準(zhǔn)確度（精度）：反映測量值與其真值

3、的接近程度；儀表的精度不僅與絕對誤差（通常指各測量點絕對誤差中的最大值）有關(guān)，而且與儀表的測量范圍有關(guān)，因此，工業(yè)中不是用絕對誤差來表示精度，而是用相對百分誤差或者允許誤差允來表示，允越大，精度越低，反之，精度越高。范圍下限值測量范圍上限值測量100max范圍下限值測量范圍上限值測量允允100max 儀表精度等級的確定 國家根據(jù)儀表的允許誤差來統(tǒng)一規(guī)定儀表的精度等級（0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0），具體辦法：將儀表允許相對百分誤差中的“”及“”去掉便可確定儀表的精度等級。等級的標(biāo)志符號 確定儀表精度等級的例子：P35 例1、例2

4、 確定儀表精度等級與選擇儀表精度等級的差別：當(dāng)允許誤差與規(guī)定的精度等級不對應(yīng)時，對于確定儀表精度等級的情況，應(yīng)取臨近較低的精度等級；對于選擇儀表精度等級的情況，應(yīng)取臨近較高的精度等級。0.20.52.變差變差 變差：指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對相同的被測量在儀表的全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正、反行程的測量時，被測量值正反行程所得到的兩條特性曲線間的最大差值。變差的大小可用最大差值的絕對值與儀表量程比值的百分?jǐn)?shù)來表示，即：儀表的量程最大絕對差值變差100最大差值的絕對值被測變量儀表示值注意：變差不能超過儀表的允許誤差，否則應(yīng)檢修。3.靈敏度、靈敏限（適用于指針式儀表）靈敏度、靈敏限（適用于指針

5、式儀表）靈敏度（S）：指儀表指針位移（角位移或線位移）的變化量與引起該位移的被測參數(shù)變化量的比值。靈敏限：指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通常：靈敏限允許絕對誤差的1/2xaS4.分辨力與分辨率（適用于數(shù)字式儀表）分辨力與分辨率（適用于數(shù)字式儀表）分辨力：測試儀表數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量。不同量程的分辨力不同，相應(yīng)于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也叫靈敏度。例：01.0000V的數(shù)字電壓表。分辨力是？分辨率（數(shù)字式儀表的靈敏度）：分辨力與分辨率的關(guān)系 最高分辨力/量程1005.線性度線性度 線性度：是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準(zhǔn)曲線

6、與理論直線的吻合程度。通常用實際測得的輸入輸出特性曲線與理論直線之間的最大誤差與測量儀表的量程比值的百分?jǐn)?shù)來表示。即：儀表量程100maxff被測變量儀表顯示值maxf6.反應(yīng)時間反應(yīng)時間 反應(yīng)時間：用來衡量儀表能不能盡快反映出被測參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)，是顯示值變化相對于實際值變化的滯后時間。例如：電子稱 反應(yīng)時間反映了儀表動態(tài)性能的好壞，可用時間常數(shù)T（新的穩(wěn)定值的63.2）或3T（新穩(wěn)定值的95）來表示儀表的反應(yīng)時間。通常反應(yīng)時間越小越好，當(dāng)反應(yīng)時間較長時則不能用來測量頻繁變化的參數(shù)。三、工業(yè)儀表的分類三、工業(yè)儀表的分類 儀表的種類繁多，形式結(jié)構(gòu)各異，按照不同的分類原則可進(jìn)行以下分類：1.按

7、照使用能源分類：電動、氣動、液動 電動儀表的優(yōu)點：信號聯(lián)系方便、可遠(yuǎn)距離傳輸和控制、便于與計算機聯(lián)用、防火、防爆等。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受溫濕度、電磁場等因素的影響 2.按照信息的獲取、傳遞、反映和處理過程分類：檢測儀表、顯示儀表、集中控制裝置、控制儀表、執(zhí)行器 3.按照儀表的組成形式分類：基地式儀表、單元組合式儀表（DDZ、QDZ）檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC3.2 壓力檢測及儀表壓力檢測及儀表壓力的表示：絕對壓力 單位面積所受到的力 表壓（相對壓力）絕對壓力與大氣壓之差 真空度（負(fù)壓）大氣壓與絕對壓力之差絕對壓力絕對壓力真空度表壓標(biāo)準(zhǔn)大氣

8、壓壓力（壓強）的單位 壓強（俗稱壓力）：單位面積所受到的垂直作用力。工程上的“壓力”與力學(xué)中的“壓力”不表示同一個概念。帕 PaN/m2毫米汞柱mm兆帕 MPa106N/m2水柱m工程大氣壓10mH2O巴dyn/cm2物理大氣壓 20C海平面psilb/in2常見壓力傳感器外形常見壓力傳感器外形 工業(yè)壓力變送器數(shù)字壓力變送器通用壓力變送器隔離壓力變送器高溫壓力變送器隔離壓差變送器隔離液位變送器微壓變送器電容壓力變送器隔膜壓力變送器絕壓變送器雙膜壓差變送器微型探針壓力計暖風(fēng)空調(diào)壓力計濕式壓力變送器本安壓力變送器OEM血壓計OEM壓力芯片壓力計的分類與工作原理工業(yè)壓力計通常按敏感元件的類型及轉(zhuǎn)換原

9、理的不同進(jìn)行分類：液柱式壓力計 活塞式壓力計 彈性式壓力計 電氣式壓力計1.液柱式壓力計液柱式壓力計測量原理：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度的 測量。即：P=gh 所以：h=P/g優(yōu)點：構(gòu)造簡單、使用方便，能測微小壓差，測量準(zhǔn)確，制作容 易，價格低廉。缺點：測量范圍小，示值與工作液密度有關(guān)。它的結(jié)構(gòu)不牢固，耐壓程度較差。單管壓力計U型管壓力計斜管壓力計2.活塞式壓力計活塞式壓力計 測量原理：根據(jù)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加的平衡砝碼的質(zhì)量。P=G/S 所以 G=PS 精確度高 常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗其它壓力計3、彈性式壓力計、彈性式壓力計 工作原理：采用彈性元件將

10、壓力的大小轉(zhuǎn)換為彈性變形元件的位移量，再通過機械傳動和放大，推動指針偏移。根據(jù)敏感元件形式的不同可以分為以下3類：彈簧管式壓力計 薄膜式壓力計 波紋管式壓力計4、電氣式壓力計、電氣式壓力計 電氣式壓力計：利用機械或電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、頻率）來進(jìn)行壓力的測量。實際上是將彈性元件、液柱式壓力計所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類壓力計。電氣式壓力計通常兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號。利用各種形式的彈性元件，在被測壓力的作用下，使彈性元件受壓后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成。l1.幾種常用的彈

11、性元件（1）彈簧管（2）薄膜式彈性元件（3）波紋管P 彈簧管式彈性元件P 膜片式彈性元件波紋管彈性元件彈簧管壓力表彈簧管壓力表壓力檢測方法及儀表壓力檢測方法及儀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l2.1 彈簧管壓力表彈簧管壓力表l2.2具有報警功能的彈簧管壓力表214這類儀表將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行傳輸及顯示，測量范圍廣，測量精度高，并可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送信號，便于實現(xiàn)自動控制及報警功能。常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。常見壓力傳感器有：霍爾片式壓力傳感器；應(yīng)變式壓力傳感器；壓阻式壓力傳感器；電容式壓力傳感器。3.1 霍爾片式壓力傳感器霍爾片式壓力傳感器 原理：根據(jù)霍爾

12、效應(yīng)制成，將由壓力引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢輸出。霍爾效應(yīng)：把一塊霍爾元件置于磁場中，并使霍爾片與磁感應(yīng)強度B的方向垂直，在沿著霍爾片的左右兩個縱向端面上通入恒定的控制電流I，則會在霍爾片的兩個橫向端面之間形成電位差VH，此電位差稱為霍爾電勢。BIRUHH壓力檢測儀表壓力檢測儀表霍爾式壓力表霍爾式壓力表壓力檢測方法及儀表壓力檢測方法及儀表彈簧管霍爾片KxVHK霍爾式壓力傳感器輸出系數(shù)自由端霍爾元件的位移量磁鋼霍爾片+彈簧管霍爾片處于非均勻磁場中，所處位置不同，B不同，霍爾電勢不同，從而實現(xiàn)了壓力位移電勢的轉(zhuǎn)換。該類傳感器利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。（金屬、半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類）（1）當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生

13、壓縮應(yīng)變時，其阻值減??；（2）當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生拉伸應(yīng)變時，其阻值增加。應(yīng)變片式壓力計將應(yīng)變片阻值的變化，通過橋式電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他儀表顯示出被測壓力的大小。3.2 應(yīng)變片壓力傳感器應(yīng)變片壓力傳感器直流電橋簡介直流電橋簡介（一）電橋的輸出電壓設(shè)電橋中四個橋臂電阻為 （其中任一個電阻可以是應(yīng)變片）。1234RRRR、AC兩端為輸入接直流電源，用 表示ACU從ABC半個橋看，流經(jīng) 的電流1RAC112UIRR兩端壓降：1R1AB11AC12RUI RURR兩端壓降：3R3ADAC34RUURR電橋輸出電壓：14230ABADAC1234R RR RU=UUU(RR)(RR)

14、電橋輸出電壓：14230ABADAC1234R RR RU=UUU(RR)(RR)由上式知，當(dāng) 時，則電橋輸出電壓 則稱電橋處于平衡狀態(tài)。1423R R=R R0U0設(shè)處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂由電阻增量為 則電橋的輸出電壓為：1234R,R,R,R114422330AC11223344(RR)(RR)(RR)(RR)UU(RRRR)(RRRR)（精確公式）若將平衡條件 代入上式，并考慮 略去高階微量，則電橋的輸出電壓為：1423R R=R RiiRR設(shè)處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂由電阻增量為 則電橋的輸出電壓為：1234R,R,R,R114422330AC11223344(RR)(RR)(RR)(

15、RR)UU(RRRR)(RRRR)（精確公式）3121240AC2121234RR RRRRUU()(RR)RRRR（近似公式）3.3 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)構(gòu)成。工作原理：利用集成工藝在單晶硅膜片的特定方向擴散一組等值電阻，將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)，當(dāng)壓力變化時、單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化，由橋式電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出。特點：精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可在惡劣環(huán)境中工作。電測壓力法電測壓力法壓力檢測方法及儀表壓力檢測方法及儀表電容式測壓原理電容式測壓原理采用變電容原理

16、，利用彈性元件受壓變形來改變可變電采用變電容原理，利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，然后通過測量電容量容器的電容量，然后通過測量電容量C C便可以知道被測便可以知道被測壓力的大小，從而實現(xiàn)壓力壓力的大小，從而實現(xiàn)壓力-電容轉(zhuǎn)換的。電容轉(zhuǎn)換的。dC定極板彈性元件動極板被測壓力測量原理電容器極板間絕緣介質(zhì)的介電電容器極板間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，常數(shù)，F(xiàn)/mA電容器兩平行板覆蓋的面積，電容器兩平行板覆蓋的面積，m2d兩平行板之間的距離，兩平行板之間的距離，mC電容量，電容量，F(xiàn) 3.5 電容式壓力變送器壓力檢測儀表壓力檢測儀表微位移式變送器微位移式變送器壓力檢測方法及儀表壓力檢測方法及儀表

17、I0（1）測量部分測量部分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。填充液（硅油）固定電極可動電極P1轉(zhuǎn)換放大單元P2電容式壓力傳感器隔離膜片不銹鋼基座玻璃層波紋溝槽特點：過載能強。尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度可達(dá)0.2級。壓力檢測儀表壓力檢測儀表智能差壓（壓力）變送器智能差壓（壓力）變送器壓力檢測方法及儀表壓力檢測方法及儀表在普通壓力傳感器上增加微處理器特點：具有遠(yuǎn)程通訊的功能依靠手操通信器，用戶可在現(xiàn)場或控制室設(shè)定變送器各種參數(shù)使用維護(hù)方便長期穩(wěn)定工作，每5年才需校檢一次。以3051C 為例：組成：傳感膜頭：被測壓力-A/D轉(zhuǎn)換-數(shù)字

18、信號電子線路板：對信號進(jìn)行修正，線性化處理-D/A轉(zhuǎn)換-420mA信號四、壓力計的選用及安裝四、壓力計的選用及安裝(1)儀表類型的選用 儀表類型的選用必須滿足工藝生產(chǎn)的要求。例如是否需要遠(yuǎn)傳、自動記錄或報警，被測介質(zhì)的物理化學(xué)性能(諸如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是否對測量儀表提出特殊要求；現(xiàn)場環(huán)境條件(諸如高溫、電磁場、振動等)對儀表類型有否特殊要求等等。如：氨用壓力計、氧氣壓力計。(2)儀表測量范圍的確定儀表的測量范圍是指該儀表可按規(guī)定的精確度對被測量進(jìn)行測量的范圍，它是根據(jù)操作中需要測量的參數(shù)的大小來確定的。1壓力計的選用（類型、量程、精度等級）壓力計的選用（類

19、型、量程、精度等級）在測量壓力時，為了延長儀表使用壽命，避免彈性元件因受力過大而損懷，壓力計上限值應(yīng)該高于工藝生產(chǎn)中可能的最大壓力值。根據(jù)“化工自控設(shè)計技術(shù)規(guī)定”：在測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過測量上限值的2/3；在測量脈動壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過測量上限值的1/2；在測最高壓壓力時，最大工作壓力不應(yīng)越過測量上限值的3/5。為了保證測量值的準(zhǔn)確度，所測的壓力值不能太接近于儀表的下限值，亦即儀表的量程不能選得太大，一般被測壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3為宜。根據(jù)被測參數(shù)的最大值和最小值計算出儀表的上、下限后，應(yīng)根據(jù)國家主管部門的規(guī)程或標(biāo)淮規(guī)定進(jìn)行圓整。因此，選用儀表的標(biāo)尺極限值

20、時，也只能采用相應(yīng)的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值(一般可在相應(yīng)的產(chǎn)品目錄中找到)。(3)儀表精度級的選取 儀表精度是根據(jù)工藝生產(chǎn)上所允許的最大測量誤差來確定的。2壓力計的安裝壓力計的安裝 壓力計的安裝正確與否，直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和壓力計的使用壽命。(1)測壓點的選擇 所選擇的測壓點應(yīng)能反映被測壓力的真實大小,為此，必須注意以下幾點：要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的地方。測量流動介質(zhì)的壓力時，應(yīng)使取壓點與流動方向垂直，取壓 管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)壁應(yīng)保持平齊，不應(yīng)有凸出物 或毛刺。測量液體壓力時，取壓點應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存 氣體；測量

21、氣體壓力時，取壓點應(yīng)在管道上方，使導(dǎo)壓管內(nèi)不 積存液體。(2)導(dǎo)壓管鋪設(shè)導(dǎo)壓管鋪設(shè)管粗細(xì)要合適，一般內(nèi)徑力6-10mm，長度應(yīng)盡可能短，最長不得超過50m，以減少壓力指示的遲緩。導(dǎo)壓管水平安裝時應(yīng)保證有1:10-1:20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的排出。當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，須加設(shè)保溫伴熱管線。取壓口到壓力計之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。(3)壓力計的安裝壓力計的安裝 壓力計應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。安裝地點應(yīng)力求避免振動和高溫影響。當(dāng)被測壓力較小，而壓力計與取壓口又不在同一高度時，對由此高度而引起的測量誤差應(yīng)按Hg進(jìn)行修正。為安全起見，測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外，安裝時表殼應(yīng)向墻壁或無人通過之處，以防發(fā)生意外。測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸見圖3-l 7(a)；對于有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐，圖3-17(b)表示了被測介質(zhì)密度2大于和小于隔離液密度1的兩種情況。壓力計的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，作為密封墊片，以防泄漏。