《壓力檢測及儀表》PPT課件

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1、 壓力檢測及儀表 一、概述 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要對壓力進(jìn)行檢測，如熔煉爐、加熱爐就要適當(dāng)?shù)目刂茽t膛壓力及煙道壓力，來獲得良好的熱工效果。又如許多冶金物化反應(yīng)，對反應(yīng)空間的壓力有一定的要求，某些在常壓下不能發(fā)生反應(yīng)，需要高壓或一定的真空度下才能反應(yīng)等等。另外，要測量某些流體的流量，也是通過壓力來測量的，如孔板流量計(jì)。因次，對壓力的檢測是常見而非常重要的。 壓力檢測的基本知識壓力的單位（這里的壓力指壓強(qiáng)：單位面積所受的力）壓力表示方法： ）絕對壓力 ；）表壓力（相對壓力）；）負(fù)壓力（真空度） 壓力表分類： （按信號轉(zhuǎn)換原理不同）分為以下四類：）液柱式壓力計(jì)將被檢測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度差進(jìn)行測量的

2、壓力計(jì)如：形管壓力計(jì)，斜管壓力計(jì)等）彈性式壓力計(jì)將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形所引起的位移而進(jìn)行測量的壓力計(jì)如：彈簧管壓力計(jì)，波紋管壓力計(jì)，膜盒壓力計(jì)）電氣式壓力計(jì) 將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行壓力測量的壓力計(jì)。 如：壓電式壓力計(jì)、應(yīng)變片式壓力計(jì)、霍爾壓力計(jì)。 4）活塞式壓力計(jì) 將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加砝碼重量進(jìn)行測量的壓力計(jì)。它是一種標(biāo)準(zhǔn)型壓力計(jì)，對其它類型的壓力計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)。 一霍爾壓力傳感器 屬于位移式壓力傳感器，是利用霍爾效應(yīng)，是將P作用下所產(chǎn)生的彈性元件的位移信號轉(zhuǎn)變成電勢信號來測量壓力。 P彈性元件（變形）霍爾效應(yīng)V（mv）顯示1）霍爾效應(yīng) 霍爾片是一塊鍺半導(dǎo)體薄片。 當(dāng)霍爾片中流過電流

3、時，電子受磁場力（方向可由左手定則確定）的作用，其運(yùn)動方向（與電流方向相反）將發(fā)生偏移，使得在“X軸方向的一個端面上造成電子積累而形成負(fù)的表面電荷，而在另一端面上則正電荷過剩，于是在“X軸方向出現(xiàn)了電場。由于電場的建立，產(chǎn)生了電場力，電場力阻止電子的偏移。當(dāng)磁場力與電場力相平衡時，電子積累達(dá)到了動態(tài)平衡，這時就建立了穩(wěn)定的霍爾電勢： 式中：RH霍爾常數(shù)（視霍爾片材料、結(jié)構(gòu)而定）IBRU HH 2）霍爾壓力傳感器 基本結(jié)構(gòu)（如圖） a）壓力位移轉(zhuǎn)換部分 霍爾片、彈簧管組成 b）位移電勢轉(zhuǎn)換部分 霍爾片、磁鋼及引出線 c）穩(wěn)壓電源 二壓電式壓力傳感器利用壓電材料（功能材料）的壓電效應(yīng)做成的傳感器1

4、）壓電效應(yīng)壓電材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用時發(fā)生變性，并在其表面上產(chǎn)生電荷，去掉力時，又回到原不帶電的狀態(tài)。在蛋形范圍內(nèi)，電荷為： 式中：S作用面積； K壓電常數(shù) 常用壓電材料：石英晶體、壓電陶瓷（鈦酸鋇陶瓷；鈦酸鉛系列陶瓷）2）壓電式壓力傳感器 結(jié)構(gòu)：（如圖） 壓電元件夾于兩彈性片之間，一膜片接地，另一膜片通過金屬箔和引出線 將電量引出。 特點(diǎn)： 體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；動態(tài)質(zhì)量小，固有頻率高，不需外加電源；適應(yīng)工作頻率高的壓力測量，范圍070MPa;輸出阻抗高；溫度效應(yīng)較大，環(huán)境適應(yīng)有限。pSkq 三電容式壓力傳感器 1、原理將被測壓力通過彈性膜片的位移轉(zhuǎn)換為平行板電容器的電容量

5、 平行板電容器電容量為式中: 平行極板間的介電常數(shù)； s極板的面積； d平行極板間的距離電容變換器通常有： a）變間隙式（d） b）變面積式（s） c）變介電常數(shù)（E）dSC 2、變間隙式電容壓力傳感結(jié)構(gòu)：差動電容的活動極板 感壓元件：彈性膜片（彈性穩(wěn)定性好特殊合金制成，如合氏合金、蒙耐爾合金等）可左右移動約0.1 mm的距離。 固定電極供極板 在彈性膜片左右有兩個用玻璃絕緣體磨成的球形凹面，采用真空渡膜法在該表面鍍上一層金屬薄膜，作為差動電容的固定極板。 彈性膜片位于兩固定極板的中央，它與固定極板構(gòu)成兩個測壓室，壓室填充硅油。 三、壓阻式壓力傳感器 1、原理 基于單晶硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成

6、的。 采用單晶硅平膜片為彈性元件，在單晶硅平膜片上利用集成電路工藝，在單晶硅的特定方向制成擴(kuò)散壓敏電阻。 單晶硅平膜片在微小變形時有良好的彈性特性。當(dāng)硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。相對電阻變化為： 式中 Ke 壓阻系數(shù)； 應(yīng)力 eR KR 2、壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 單晶硅平膜片的擴(kuò)散電阻通常做成橋式測量電路，相對的橋臂電阻對稱布量，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。 平膜片在圓形硅杯的底部，硅杯內(nèi)外兩側(cè)分別感受被測壓力與參考壓 力，壓差使膜片變形，膜片上的兩對電阻的阻值發(fā)生變化。 溫度效應(yīng)的影響，一般還可在膜片上沿對壓力不敏感的晶向生成一個電阻，這個電阻只感

7、受溫度 變化，可接人橋路作為溫度補(bǔ)償電阻以提高測量精度。 3、特點(diǎn)： 精度高，工作可靠，頻率響應(yīng)高，結(jié)構(gòu)簡單；可使用在環(huán)境惡劣的條件下，便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化。壓阻式壓力傳感器不僅可以用來測量 壓力，稍加改變也可用來測量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。 智能型壓力（差壓）變送器 為滿足集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，近年來出現(xiàn)了采用先進(jìn)傳感器技術(shù)和微處理器的智能差壓變送器。 智能差壓變送器的精度、可靠性、穩(wěn)定性均優(yōu)越于模擬式差壓變送器，它可以輸出模擬和數(shù)字信號，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)可與上位計(jì)算機(jī)相連。 特點(diǎn)：1）測量精度高 基本誤差僅為0.075或0.1，且性能穩(wěn)定、可靠、響應(yīng)快；2）具有溫

8、度、靜壓補(bǔ)償功能； 3）量程比大、零點(diǎn)遷移范圍較寬；4）輸出模擬、數(shù)字混合信號或全數(shù)字信號；5）功能多 除有檢測功能外，智能變送器還具有計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能，與智能執(zhí)行器配合使用可就地構(gòu)成控制回路。6）對信號進(jìn)行各種形式的傳輸 利用手操器或其他組態(tài)工具對變送器進(jìn)行就地或遠(yuǎn)程組態(tài)、傳輸、讀取、顯示測量數(shù)據(jù)、自診斷等信， 目前智能差壓變送器的種類較多，結(jié)構(gòu)也各有差異，從整體上看，是由硬件和軟件兩大部分組成，從電路結(jié)構(gòu)看，智能差壓變送器包括傳感器部件和電子部件兩部分。下面介紹幾種有代表性的智能差壓變送器。 ST3000差壓變送器 SB000差壓變送器是由Honeywe11研制開發(fā)出的二

9、線制變送器，它將輸人的差壓信號轉(zhuǎn)換成420 mA直流電流或數(shù)字信號輸出，其原理框圖如圖315所示，它的檢測元件是采用擴(kuò)散硅壓阻傳感器。但與模擬式擴(kuò)散硅差壓變送器不同的是， SB000差壓變送器所采用的是復(fù)合型傳感器，該傳感器在單個芯片上集成了測量差壓、溫度、靜壓用的三種感溫元件。 （1）工作原理。狡測差壓揮翊守正且扭戥啷鼬覲曳迕且洼叟莼液簋遞到復(fù)金籃累邂H酗勤芟瞅陂，蜘檢出這墊蛆塑坐墼跳與此同時，復(fù)合傳感器上的兩種輔助傳感器（溫度傳感器和靜壓傳感器）檢出環(huán)境溫度和靜壓參數(shù)，也經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送人微處理器。微處理器從EEPRoM中取出在變送器生產(chǎn)時存人的各種補(bǔ)償數(shù)據(jù)（如差壓、溫度、靜壓特性參數(shù)和輸入輸

10、出特性等），對三種數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，得到一個與 輸人差壓對應(yīng)的420 mA直流信號和數(shù)字信號，作為變送器的輸出。 EEPRoM在變送器也起后備存儲器的作用。它在儀表工作時存儲著與HAM中同樣的數(shù)據(jù)；當(dāng)似表因故障停電后恢復(fù)供電時，EEPRoM中的數(shù)據(jù)會自動傳遞到RAM9因此該變送器不需要后備電池。 ST3000差壓變送器中的RAM用來存儲由現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊器sC設(shè)定的變送器各種參數(shù)，如編號、測量范圍、線性平方根輸出的選定、阻尼時間常數(shù)、零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)等。SFC可接在輸出回路中的任意位置，讀取變送器的輸出數(shù)字信號，并對變送器進(jìn)行組態(tài)。 丨 半導(dǎo)體復(fù)合傳感器是一種在單個芯片上形成差壓測量用、溫度測

11、量用和靜壓測量用三種敏感元件的復(fù)合型傳感器。ST3000差壓變送器采用復(fù)合型傳感器和綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)，有效克服了擴(kuò)散硅壓阻傳感器對溫度和靜壓變化敏感以及存在非線性的缺點(diǎn)，提高了變送器的測量精度，拓寬了量程范圍。 （2）組態(tài)（設(shè)定）。由現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊器對變送器進(jìn)行組態(tài)，輸人變送器編號、輸出形式、測量范圍罡冕圪間晏君靈薷g圣詈位 051C型智能差壓變送器是美pisherRosemount公司開發(fā)生產(chǎn)的另一種二線制變送器，圖L6為其原理框圖，它由傳感組件和電子組件兩部分組成，采用專用集成電路（AsIC）和表面安 （1）工作原理。3051C型智能差壓變送器的檢測元件采用高精度的曳 其工作原理與模擬式電容

12、差壓變送器相同。但3051C差壓變送器除了電容式壓力傳感器之外，還配置了溫度傳感器，用來補(bǔ)償熱效應(yīng)帶來的誤差。兩個傳感器的信號通過允D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到電子組件，微處理器完成對輸人信號的線性化、溫度補(bǔ)償、數(shù)字通信、自診斷等處理后，得到一個與輸人差壓對應(yīng)的420 mA直流電流或數(shù)字信號作為變送器的輸出。 在電子組件的EEPROM存儲器中存有變送器的組態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)遏到意外停電，其中數(shù)據(jù)仍然保存，所以恢復(fù)供電之后，變送器能立即工作。 3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，其上帶有鍵盤及 液晶顯示器。它可以接在現(xiàn)場變送器的信號端子上，就地設(shè)定或檢測，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室中，接在

13、某個變送器的信號線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測。為了通信方便，信號回路必須有不小于250的負(fù)載電阻。 （2）組態(tài)。對3051C變送器的組態(tài)可以通過數(shù)據(jù)設(shè)定器或任何支持HART通訊協(xié)議的上位機(jī)來完成。組態(tài)可分為兩部分。首先，設(shè)定變送器的工作參數(shù)，包括測量范圍、線性或平方根輸出、阻尼時間常數(shù)、工程單位選擇；其次，可向變送器輸入信口息性數(shù)據(jù)，以便對變送器進(jìn)行識別與物理描述，包括給變送器指定工位號、描述符等。 1151智能式差壓變送器 51智能式差壓變送器是在模擬的電容式差壓變送器基礎(chǔ)上，結(jié)合HART通信技術(shù)開發(fā)的一種智能式變送器，具有數(shù)字微調(diào)、數(shù)字阻尼、通信報(bào)警、工程單位轉(zhuǎn)換和有關(guān)變送器信息的存儲功能，同時

14、又可傳輸420 mA直流信號，特別適用于工業(yè)企業(yè)對模擬式1151差壓變送器的數(shù)字化改造。其原理圖如圖17所示。 傳感器部分的作用是將輸人差壓轉(zhuǎn)換成允D轉(zhuǎn)換器所要求的02，5電壓信號。1151智能式差壓變送器檢測元件采用電容式壓力傳感器，傳感器部分的工作原理與模擬式電容差壓變送器相同，此處不再贅述。 值得指出的是，由于二線制變送器的正常工作電流必須等于或小于變送器輸出電流的下限值（4 mA），同時HART通信方式是在420 TrLA直流基礎(chǔ)上迭加幅度為05 mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號，因此變送器正常工作電流必須等于或小于3，5 mA，才能滿足要求。為此，傳感器部分采取5供電且采用低功耗放大器，使其工作電流從模擬式變送器的約3 mA降低為0，8 mA左右；相應(yīng)的， 變送器的其他部分也都采用低功耗器件。