第二章 参数检测技术PPT讲稿.ppt

第二章第二章 参数检测技参数检测技术术第1页，共126页，编辑于2022年，星期三主要内容主要内容第一节第一节 参数检测的一般方法和原理参数检测的一般方法和原理第二节第二节 温度检测温度检测第三节第三节 压力检测压力检测第四节第四节 物位检测物位检测第五节第五节 流量检测流量检测第六节第六节 成分参数检测成分参数检测第2页，共126页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 参数检测的一般方法和原理参数检测的一般方法和原理一、自然规律一、自然规律 守恒定律守恒定律 场的定律场的定律 物质定律物质定律 统计法则统计法则二、基础效应二、基础效应光导效应光导效应光生伏特效应光生伏特效应 光电子发射效应光电子发射效应压阻效应压阻效应 压电效应压电效应压磁效应压磁效应热电效应热电效应霍尔效应霍尔效应 第3页，共126页，编辑于2022年，星期三三、参数检测的一般方法三、参数检测的一般方法参数的检测是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形参数的检测是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示参数检测一般可分为：参数检测一般可分为：光学法光学法 力学法力学法 热学法热学法电学法电学法声学法声学法磁学法磁学法射线法射线法对敏感元件的要求对敏感元件的要求 适用范围、测量范围、输出特性适用范围、测量范围、输出特性第4页，共126页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 温度检测仪表温度检测仪表 主要内容主要内容测温原理及方法测温原理及方法热电偶温度计热电偶温度计电阻式温度计电阻式温度计热敏电阻热敏电阻辐射式温度计辐射式温度计集成温度传感技术集成温度传感技术新型测温元件及传感技术新型测温元件及传感技术第5页，共126页，编辑于2022年，星期三一、概述一、概述 温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质，一切互为热平衡定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质，一切互为热平衡的系统都具有相同的温度的系统都具有相同的温度。温度是与大量分子的平均动能相联系，。温度是与大量分子的平均动能相联系，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度 温标温标温度：表征物体或系统的冷热程度温度：表征物体或系统的冷热程度温标：温度的数值表示温标：温度的数值表示热力学温标热力学温标第6页，共126页，编辑于2022年，星期三国际实用温标国际实用温标自从自从1927年建立国际实用温标以来，先后作了多次修改，年建立国际实用温标以来，先后作了多次修改，由于科学技术的提高，每次更接近热力学温标，准确度由于科学技术的提高，每次更接近热力学温标，准确度更高。更高。1968年曾经作过一次较大的修改，最近一次是年曾经作过一次较大的修改，最近一次是1990年。年。根据根据1990国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用符号符号T表示。表示。温度单位是开尔文，符号为温度单位是开尔文，符号为K。1K等于水三相点热力学温度的等于水三相点热力学温度的1/273.16。1990国际温标修改了基准仪器及温度范围：国际温标修改了基准仪器及温度范围：0.655.0K 3He和和4He蒸气压温度计蒸气压温度计 3.024.5561K 3He、4He 定容气体温度计定容气体温度计 13.80331234.93K 基准铂电阻温度计基准铂电阻温度计 1234.96K以上以上 光学或光电高计光学或光电高计第7页，共126页，编辑于2022年，星期三同时对同时对 也进行了修改也进行了修改插补公式二、温度检测仪表的分类二、温度检测仪表的分类 根据敏感元件与被测介质接触与否根据敏感元件与被测介质接触与否接触式接触式传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输出即反映了被测温度的高低。出即反映了被测温度的高低。传导换热传导换热非接触式非接触式利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。辐射换热辐射换热（传感器不需和被测对象接触）（传感器不需和被测对象接触）第8页，共126页，编辑于2022年，星期三方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承 受的上限温度；被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合以下，热容大，无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于以上的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，但l以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度 慢，通常为几十秒到几分 快，通常为23s表表2-3 两两类测类测温方法的主要特点温方法的主要特点第9页，共126页，编辑于2022年，星期三测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点接触式膨胀式利用液体气体的热膨胀或两种金属的热膨胀差测温 玻璃液体-100600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量限制，易碎，不能远传。双金属-80600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限。压力式利用物质的蒸汽压变化液体-40200耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测量距离短、滞后大。气体-100500热电阻固体材料的电阻随温度而变化铂电阻-260850测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响。铜电阻-50150热敏电阻-50300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。表表2-4 主要温度主要温度检测检测方法及特点方法及特点第10页，共126页，编辑于2022年，星期三测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点接触式热电类利用热电效应热电偶-200800测量范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需要冷端补偿，低温段测量精度较低。其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器-50150使用简单、互换性好，非线性误差较小。晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计-50120测量精度高、稳定性好、抗强冲击性能差。光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器-50400用于强电磁场、易燃易爆生产过程和高温介质的温度测量。非接触式光纤辐射温度计2004000续续表表2-4 主要温度主要温度检测检测方法及特点方法及特点第11页，共126页，编辑于2022年，星期三测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/特点非接触式辐射类利用普朗克定律光电高温计8003200灵敏度高、精确度高，便于自动测量与控制。辐射传感器4002000不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难比色温度计5003200续续表表2-4 主要温度主要温度检测检测方法及特点方法及特点 按照温度按照温度测测量范量范围围，可分，可分为为超低温、低温、中温、高温和超低温、低温、中温、高温和超高温温度超高温温度测测量。量。超低温一般是指超低温一般是指010K低温指低温指10800K中温指中温指8001900K高温指高温指19002800K的温度的温度2800K以上被以上被认为认为是超高温是超高温第12页，共126页，编辑于2022年，星期三三、热电偶及测温原理三、热电偶及测温原理热电效应及热电偶热电效应及热电偶两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。为热电效应。热端测量端冷端参比端当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点的温差当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫伏数为负值。越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫伏数为负值。第13页，共126页，编辑于2022年，星期三接触电势：两种不同导体接触时产生接触电势：两种不同导体接触时产生原因：两者电子密度不同，扩散速度不同温差电势比接触电势小的多温差电势比接触电势小的多 只与两种导体材料只与两种导体材料A、B及两端温度及两端温度t，t0有关，与热电极的形状、大小、长短无关有关，与热电极的形状、大小、长短无关热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势第14页，共126页，编辑于2022年，星期三热电偶基本定律热电偶基本定律中间导线定律中间导线定律在A、B构成的热电偶接入第三种导体C，并使AC和BC接触的温度均为t0均质导体定律均质导体定律 同一种材料不会产生热电势同一种材料不会产生热电势 标准电极定律标准电极定律EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0)等值替代定律等值替代定律 EAB(t,t0)=ECD(t,t0)tCt0t0AB第15页，共126页，编辑于2022年，星期三标准化热电偶与分度表标准化热电偶与分度表任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：足：电势值大，随温度单调上升，最 好线性材料易获得，复制性好，价格低物理、化学性稳定电极的电阻小，温度系数小热电偶丝热电偶丝-常用标准化热电偶常用标准化热电偶型号标志型号标志材料材料温度范围温度范围/S S铂铑铂铑1010铂铂505017681768B B铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 60 018201820K K镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍铝镍铬镍铝27027013721372E E镍铬镍铜（康铜）镍铬镍铜（康铜）27027010001000第16页，共126页，编辑于2022年，星期三热电偶自由端温度的处理热电偶自由端温度的处理 用热电偶测温时，要求热电偶的自由端的温度保持不变（最好为用热电偶测温时，要求热电偶的自由端的温度保持不变（最好为0），），热电势才是被测温度的单位函数，另外，热电偶安装位置与热电势才是被测温度的单位函数，另外，热电偶安装位置与集中控制室距离较长。由于热电偶一般是贵金属做成，价格集中控制室距离较长。由于热电偶一般是贵金属做成，价格比较昂贵。根据等值替代定理，可用一种价格比较便宜，而比较昂贵。根据等值替代定理，可用一种价格比较便宜，而热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为“补偿导线补偿导线”。补偿导线法补偿导线法 使用补偿导线时必须注意以下问题：使用补偿导线时必须注意以下问题：补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0100）与热电偶的热电势相等或相近；与热电偶的热电势相等或相近；不同型号的热电偶有不同的补偿导线；不同型号的热电偶有不同的补偿导线；热电偶和补偿导线的二个接点要保持热电偶和补偿导线的二个接点要保持 同温；同温；补偿导线有正负极，分别与热电偶的补偿导线有正负极，分别与热电偶的 正负极相连正负极相连第17页，共126页，编辑于2022年，星期三计算修正法计算修正法 当用补偿导线把热电偶的自由端延长到处当用补偿导线把热电偶的自由端延长到处(通常是通常是 环境温度环境温度)，只要知，只要知道该温度值，并测出热电偶回道该温度值，并测出热电偶回 路的电势值，通过查表计算的方法，就路的电势值，通过查表计算的方法，就可以求得被测实际温度可以求得被测实际温度E E（t t，t t0）E E（t t，0 0）E E（t t0，0）自由端恒温法自由端恒温法 在工业应用时，一般把补偿导线的末端在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自由端即热电偶的自由端)引至电加热引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常一个恒温器可的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。在实验室及精密测量中，通常把自由供多支热电偶同时使用。在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为的容器中，以使自由端温度保持为0，这种方法称为冰浴法，这种方法称为冰浴法第18页，共126页，编辑于2022年，星期三自动补偿法自动补偿法 自动补偿目前主要采用补偿电桥，它是利用不平衡电自动补偿目前主要采用补偿电桥，它是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值的热电势的变化值 热电偶的结构型式热电偶的结构型式普通型热电偶普通型热电偶 铠装热电偶铠装热电偶 薄膜热电偶薄膜热电偶 第19页，共126页，编辑于2022年，星期三热电偶应用实例热电偶应用实例燃气灶燃气灶熄熄灭火保火保护装置的工作原理装置的工作原理：使用使用时，首先按下旋，首先按下旋钮5 5（这一按一按钮与旋塞与旋塞阀杆杆1 1和点火器开关和点火器开关6 6连在一起），此在一起），此时随旋塞随旋塞阀1 1的的阀杆下移，推杆下移，推动阀芯芯针在机械装置的作用下打开在机械装置的作用下打开电磁磁阀2 2，在逆，在逆时针旋旋转9090度度时，旋塞，旋塞的主气孔与的主气孔与阀体的体的进气管路接通，通气气路通气管路接通，通气气路通过电磁磁阀2 2和旋塞和旋塞阀1 1向燃向燃烧器器4 4供气的同供气的同时，点火器，点火器6 6电路被接通，路被接通，产生高生高压放放电，点燃燃，点燃燃烧器器4 4，热电偶偶3 3被火焰加被火焰加热，产生的生的热电势使使电磁磁阀保持开启，点火保持开启，点火结束。燃气灶束。燃气灶进入工作状入工作状态后，手离开旋后，手离开旋钮，使，使阀杆在杆在弹簧的作用下复位，点火器簧的作用下复位，点火器电路路断开，高断开，高压放放电停止。当停止。当发生意外熄火生意外熄火时，热电偶逐偶逐渐冷却，冷却，热电热消失消失后，后，电磁磁阀2 2自自动关关闭。第20页，共126页，编辑于2022年，星期三四、热电阻温度计四、热电阻温度计 热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质质金属热电阻的分度号与分度表金属热电阻的分度号与分度表 一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜热电阻有铂、铜热电阻的结构型式热电阻的结构型式工业热电阻工业热电阻铠装热电阻铠装热电阻 第21页，共126页，编辑于2022年，星期三热电阻温度检测系统热电阻温度检测系统 为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根引线为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根引线来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电阻的另一来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路个引出端。三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方式称为三线制的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方式称为三线制 第22页，共126页，编辑于2022年，星期三五、其它接触式温度检测仪表五、其它接触式温度检测仪表 非接触式温度检测仪表主要是利用物体的辐射能随温度而非接触式温度检测仪表主要是利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成变化的原理制成 检测原理检测原理 它表明物体在特定波长上的辐射能是温度的单一函数它表明物体在特定波长上的辐射能是温度的单一函数 辐射测温主要有如下三种基本方法辐射测温主要有如下三种基本方法 全辐射法全辐射法 亮度法亮度法 比色法比色法 第23页，共126页，编辑于2022年，星期三辐射温度计辐射温度计全辐射高温计全辐射高温计 全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量来测定温度的全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量来测定温度的 光电温度计光电温度计 光电温度计采用光电元件作为敏感元件感受辐射源的光电温度计采用光电元件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化，并根据被测物体亮度与温度的关系确定温亮度变化，并根据被测物体亮度与温度的关系确定温度的高低度的高低 第24页，共126页，编辑于2022年，星期三集成温度传感器集成温度传感器比色温度计比色温度计 比色温度计是基于维恩位移定律工作的比色温度计是基于维恩位移定律工作的 第25页，共126页，编辑于2022年，星期三六、新型测温元件及传感技术六、新型测温元件及传感技术光光纤纤温度温度传传感器感器-液晶光液晶光纤纤温度温度传传感器感器不同型式的液晶光不同型式的液晶光纤纤温度温度传传感器的感器的测测温范温范围围可在可在-50250之之间间。-荧荧光光光光纤纤温度温度传传感器感器荧荧光光强强度型度型传传感器的感器的测测温范温范围为围为-50200；荧荧光余光余辉辉型温度型温度传传感器的感器的测测温范温范围为围为-50250。-半半导导体光体光纤纤温度温度传传感器感器利用半利用半导导体的光吸收响体的光吸收响应应随温度而随温度而变变化的特性，根据透化的特性，根据透过过半半导导体的光体的光强强变变化化检测检测温度。温度。测温范围为测温范围为-30300。第26页，共126页，编辑于2022年，星期三-光光纤辐纤辐射温度射温度计计 光光纤辐纤辐射温度射温度计计的工作原理和分的工作原理和分类类与普通的与普通的辐辐射射测测温温仪仪表表类类似，它可以似，它可以接近或接触目接近或接触目标进标进行行测测温。温。石英晶体温度石英晶体温度传传感器及其感器及其测测温技温技术术特点：特点：高分辨力高分辨力(0.0001)、高、高线线性度（性度（0.002)和高和高稳稳定性，定性，适合中低温适合中低温测测量的新型温度量的新型温度传传感器和感器和测测温温仪仪器。器。-工作原理工作原理 f：固有振：固有振动频动频率；率；n：谐谐波次数；波次数；b：振子的厚度；振子的厚度；：为为密度；密度；C：弹弹性常数。性常数。f0：温度：温度为为t0时时的的频频率；率；ft：温度：温度为为t时时的的频频率；率；t0为为基准参考基准参考温度；温度；,为为一次、二次、三次一次、二次、三次幂幂的温度系数。的温度系数。石英振子的石英振子的频频率率还还与温度具有下列近似关系与温度具有下列近似关系(2-44)第27页，共126页，编辑于2022年，星期三六、六、测温器件选择及实例测温器件选择及实例器件器件选择选择温度检测主要有接触式和非接触式两大类，其中常用的是接触温度检测主要有接触式和非接触式两大类，其中常用的是接触式温度仪表。温度仪表正常使用温度应为量程的式温度仪表。温度仪表正常使用温度应为量程的5070，最高，最高测量值不应超过量程的测量值不应超过量程的90。多个测量元件共用一台显示表时，正常使。多个测量元件共用一台显示表时，正常使用温度应为量程的用温度应为量程的2090，个别点可低到量程的，个别点可低到量程的10。各种仪表的。各种仪表的选择原则如下：选择原则如下：(1)工业生产过程中就地温度仪表的选择工业生产过程中就地温度仪表的选择就地式仪表的选择应根据工艺要求的测温范围、精确度等级；检测点就地式仪表的选择应根据工艺要求的测温范围、精确度等级；检测点的环境、工作压力等因素选用。的环境、工作压力等因素选用。一般情况下，就地温度仪表宜选用带外保护套管双金属温度计，一般情况下，就地温度仪表宜选用带外保护套管双金属温度计，温度范围为温度范围为-80500;在精确度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选用玻璃液体温在精确度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选用玻璃液体温度计度计;被测温度在被测温度在-20050或或-80500范围内，在无法近距离读数、范围内，在无法近距离读数、有振动、低温且精确度要求不高的场合，可选用压力式温度计。压力式有振动、低温且精确度要求不高的场合，可选用压力式温度计。压力式温度汁的毛细管应有保护措施，长度应小于温度汁的毛细管应有保护措施，长度应小于20m。第28页，共126页，编辑于2022年，星期三(2)集中集中检测检测温度温度仪仪表表 热电热电偶适用于一般偶适用于一般场场合；合；热电热电阻适用于精确度要求阻适用于精确度要求较较高、无高、无振振动场动场合；合；热热敏敏电电阻适用于要求阻适用于要求测测量反量反应应速度快的速度快的场场合。当合。当测测量量部位比部位比较较狭小，狭小，测测温元件需要弯曲安装；被温元件需要弯曲安装；被测测物体物体热热容量非常小，容量非常小，对测对测温元件有快速响温元件有快速响应应的要求，或的要求，或为节为节省特殊保省特殊保护护管材料管材料应应采用采用铠铠装装热电热电阻、阻、热电热电偶。偶。接触式温度接触式温度检测检测需要把温度敏感元件置于被需要把温度敏感元件置于被测对测对象中，通象中，通过过物体物体间间的的热热交交换换，使之达到，使之达到热热平衡，平衡，这这使得温度使得温度检测检测的响的响应时间应时间较长较长，同，同时时由于敏感元件的插入破坏了原被由于敏感元件的插入破坏了原被测对测对象的温度象的温度场场。为为减小上述影响，要求尽可能地减小上述影响，要求尽可能地缩缩小温度敏感元件的体小温度敏感元件的体积积。另一方。另一方面，由于在高温下，被面，由于在高温下，被测测介介质对质对敏感元件有一定的腐敏感元件有一定的腐蚀蚀作用，作用，长长期使用会影响敏感元件的性能，因此，需要在敏感元件外加保期使用会影响敏感元件的性能，因此，需要在敏感元件外加保护护套管，套管，这样这样同同时还时还增加了增加了测测量体的机械量体的机械强强度。但是，保度。但是，保护护套管的套管的使用大大增加了温度使用大大增加了温度检测检测的响的响应时间应时间。第29页，共126页，编辑于2022年，星期三2 举举例例 乙乙烯烯是合成是合成纤维纤维、合成橡胶、合成塑料的基本化工原料、合成橡胶、合成塑料的基本化工原料,也用于也用于制造制造氯氯乙乙烯烯、苯乙、苯乙烯烯、环环氧乙氧乙烷烷、醋酸、乙、醋酸、乙醛醛、乙醇和炸、乙醇和炸药药等，等，其中生其中生产产聚乙聚乙烯约烯约占乙占乙烯烯耗量的耗量的45%。由于乙由于乙烯烯中一般含有炔中一般含有炔类杂质类杂质，会影响，会影响产产品品质质量，所以量，所以对对乙乙烯烯需要需要进进行脱炔行脱炔处处理。理。为为了保了保证证脱炔工脱炔工艺艺的的顺顺利利进进行需要行需要对对乙乙烯烯脱炔床温度脱炔床温度进进行行检检测测。已知操作温度。已知操作温度为为30，温度最大，温度最大值为值为170，试选择试选择合适的温度合适的温度检测检测元件。元件。第30页，共126页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 压力检测压力检测 主要内容主要内容压力检测的主要方法和分类压力检测的主要方法和分类弹性式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测电气式压力检测压力检测器件的选用及举例压力检测器件的选用及举例第31页，共126页，编辑于2022年，星期三一、概述一、概述 压力的定义压力的定义压力是指均匀而垂直作用在单位面积上的力，符号用压力是指均匀而垂直作用在单位面积上的力，符号用P表示。表示。压力的单位是帕斯卡，即牛顿压力的单位是帕斯卡，即牛顿/米米2；用符号；用符号Pa表示表示除了帕斯卡，我国目前还同时使用以下单位：除了帕斯卡，我国目前还同时使用以下单位：工程大气压、物理大气压等工程大气压、物理大气压等压力的表示方式压力的表示方式绝对压力绝对压力 表压力表压力 真空度真空度 差压差压 第32页，共126页，编辑于2022年，星期三二、压力检测的主要方法及分类二、压力检测的主要方法及分类液体压力计液体压力计弹性式压力计弹性式压力计 电远传式压力仪表电远传式压力仪表物性型压力传感器物性型压力传感器 第33页，共126页，编辑于2022年，星期三三、弹性式压力检测仪表三、弹性式压力检测仪表 弹性式压力检测仪表是用弹性元件作为压力敏感元件把弹性式压力检测仪表是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统称弹性式压力表称弹性式压力表。弹性元件受外力作用通过受压面感受力的作用，其力大小为弹性元件受外力作用通过受压面感受力的作用，其力大小为A:弹性元件承受压力的有效面积；弹性元件承受压力的有效面积；p弹性元件所受外力弹性元件所受外力虎克定律虎克定律C:弹性元件的刚度系数；弹性元件的刚度系数；x弹性元件在外力作用下的位移弹性元件在外力作用下的位移第34页，共126页，编辑于2022年，星期三膜片膜片沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按形状分为平膜片沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按形状分为平膜片和波纹膜片。和波纹膜片。仪表的准确度等级一般为仪表的准确度等级一般为1.52.5级测压力级测压力范围较宽，最高可达范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性元件的膜。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表-电容式压力传感器电容式压力传感器-光纤式压力传感器光纤式压力传感器-力矩平衡式压力传感器力矩平衡式压力传感器膜片压力表膜片压力表金属膜片金属膜片气动压力变送器气动压力变送器 电动压力变送器电动压力变送器 第35页，共126页，编辑于2022年，星期三波纹管差压计波纹管差压计波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压），但是迟波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压），但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为00.4MPa，仪表的准确度等级为，仪表的准确度等级为1.52.5级级 波纹管波纹管双波纹管压力表双波纹管压力表第36页，共126页，编辑于2022年，星期三弹簧管压力表弹簧管压力表弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测仪表弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测仪表 弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它测量范围弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压（可达宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压（可达1000MPa）根据制造的要求，仪表的准确度等级最高为根据制造的要求，仪表的准确度等级最高为0.1级级弹簧管压力表弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管螺旋弹簧管、盘簧管第37页，共126页，编辑于2022年，星期三四、电气式压力检测四、电气式压力检测利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元件（或装置）和转换电路能将弹性元件的位移转换为电件（或装置）和转换电路能将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传信号输出，实现信号的远传 压电材料及压电式压力传感器压电材料及压电式压力传感器压电效应：压电效应：正压电效应：机械能转为电能正压电效应：机械能转为电能 逆压电效应（电致伸缩效应）：电能转化为机械能逆压电效应（电致伸缩效应）：电能转化为机械能石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示第38页，共126页，编辑于2022年，星期三天然石英晶体外形天然石英晶体外形石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装压电材料压电材料第39页，共126页，编辑于2022年，星期三压力式单向测力传感器结构图压力式单向测力传感器结构图 压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点 由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于稳态测量稳态测量 压电式压力传感器压电式压力传感器第40页，共126页，编辑于2022年，星期三应变片与应变式压力传感器应变片与应变式压力传感器 电阻应变效应：电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象成为阻值将发生变化，这种现象成为“应变效应应变效应”。电阻应变片就是基于。电阻应变片就是基于应变效应工作的。应变效应工作的。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。-非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝(应变元件应变元件)在弹性元在弹性元件上，且构成一个简单桥路件上，且构成一个简单桥路-粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的变化片的电阻值发生相应的变化第41页，共126页，编辑于2022年，星期三 设有一根长度为设有一根长度为l，截面积为，截面积为S，电阻率为，电阻率为的电阻丝，其电阻初的电阻丝，其电阻初值可表示为：值可表示为：若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则 会引起会引起 l、A 的变化，从而引起电阻的变化的变化，从而引起电阻的变化。工作原理：工作原理：第42页，共126页，编辑于2022年，星期三 当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F作作用用时时,将将伸伸长长L,横横截截面面积积相相应应减减小小S,电电阻阻率率将将因因晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素而而改改变变,故故引起电阻值相对变化量为引起电阻值相对变化量为：式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量,用用应变应变表示表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即即 第43页，共126页，编辑于2022年，星期三 由由材材料料力力学学可可知知,在在弹弹性性范范围围内内,金金属属丝丝受受拉拉力力时时,沿沿轴轴向向伸伸长长,沿沿径径向向缩缩短短,那那么么轴轴向向应应变变和和径径向向应应变变的的关关系系可可表表示为：示为：式式中中:电电阻阻丝丝材材料料的的泊泊松松比比,负负号号表表示示应应变变方方向向相相反反。代代入入整整理理,可得可得 或或第44页，共126页，编辑于2022年，星期三电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏度度系系数数，其其物物理理意意义义是是单位应变所引起的电阻相对变化量。单位应变所引起的电阻相对变化量。灵敏度系数受两个因素影响灵敏度系数受两个因素影响:1）材料几何尺寸的变化）材料几何尺寸的变化,即（即（1+2）;2）材料的电阻率发生的变化）材料的电阻率发生的变化,即（即（/）/。对对金金属属材材料料电电阻阻丝丝来来说说,灵灵敏敏度度系系数数表表达达式式中中（1+2）的的值值要要比比（/）/）大大得得多多,而而半半导导体体材材料料的的（/）/）项项的的值值比比（1+2）大得多。）大得多。R/R=K灵敏度系数 大量实验证明大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对电阻的相对变化与应变成正比变化与应变成正比,即即R/R=K,K为常数。为常数。第45页，共126页，编辑于2022年，星期三 用用应应变变片片测测量量应应变变或或应应力力时时,根根据据上上述述特特点点,在在外外力力作作用用下下,被被测测对对象象产产生生微微小小机机械械变变形形,应应变变片片随随着着发发生生相相同同的的变变化化,同同时时应应变变片片电电阻阻值值也也发发生生相相应应变变化化。当当测测得得应应变变片片电电阻阻值值变变化化量量R时时,便便可可得得到到被被测测对对象象的的应变值。根据应力与应变的关系应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值得到应力值为为 =E 式中式中:试件的应力试件的应力;试件的应变试件的应变;E试件材料的弹性模量。试件材料的弹性模量。由由以以上上分分析析可可知知,应应力力值值正正比比于于应应变变,而而试试件件应应变变正正比比于于电电阻阻值值R的的变变化化,所所以以应应力力正正比比于于电电阻阻值值R的的变变化化,这这就就是是利利用用应应变变片片测测量应变的基本原理。量应变的基本原理。第46页，共126页，编辑于2022年，星期三压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件：基于压阻效应工作的压力敏感元件。压阻元件：基于压阻效应工作的压力敏感元件。压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单单 和应变式压力传感器一样，压阻式压力传感器的缺点也是和应变式压力传感器一样，压阻式压力传感器的缺点也是敏感元件易受温度的影响敏感元件易受温度的影响 压阻式压力变送器压阻式压力变送器第47页，共126页，编辑于2022年，星期三谐振式压力传感器谐振式压力传感器 谐振式压力传感器是依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相谐振式压力传感器是依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号或电流（电压）信号，根据谐振原理的不同，谐振式压力传感，根据谐振原理的不同，谐振式压力传感器有振弦式、振膜式及振筒式几种器有振弦式、振膜式及振筒式几种图图2-28 振筒式振筒式压压力力传传感器感器结结构示意构示意fp为受压后的振筒频率；为受压后的振筒频率；f0为固有频率；为固有频率；为结构系数；为结构系数；p为被测压力为被测压力此种此种仪仪表体表体积积小，小，输输出出频频率信号，重复性好，耐振；率信号，重复性好，耐振；精确度高，其精确度精确度高，其精确度为为0.1%和和0.01%；测测量范量范围围00014MPa至至050MPa，适用于气体，适用于气体测测量。量。第48页，共126页，编辑于2022年，星期三五、压力检测仪表的使用五、压力检测仪表的使用 压力仪表的选用压力仪表的选用 仪表的量程仪表的量程为保证安全，一般最大压力值应不超过满量程的3/42/3；为了保证测量精度，被测压力值应不低于仪表满量程的1/3为宜目前我国的压力测量仪表的量程系列为1，1.6，2.5，4，6，1010nMPa（n为整数）仪表准确度等级的选择仪表准确度等级的选择根据允许的最大误差确定仪表的精度。根据允许的最大误差确定仪表的精度。仪表类型的选择仪表类型的选择 要考虑被测介质的性质，测量的要求，要考虑被测介质的性质，测量的要求，以及各种压力测量元件的特性来决定。以及各种压力测量元件的特性来决定。机械式拉力表机械式拉力表耐震差动远传压力表耐震差动远传压力表第49页，共126页，编辑于2022年，星期三压力检测系统压力检测系统 一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表检测仪表 设备取压口取压口压力仪表压力仪表引压管路引压管路一个简单的压力检测系统示意图一个简单的压力检测系统示意图 取压口取压口 引压管路引压管路 引压管路中常用的一些附件引压管路中常用的一些附件 截止阀截止阀 隔离罐隔离罐 集气器集气器 集液器集液器 冷凝器冷凝器 第50页，共126页，编辑于2022年，星期三一些特殊介质的取压方式一些特殊介质的取压方