5压力检测及仪表.ppt

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1、 压力检测及仪表压力检测及仪表 一、概述一、概述 在工业生产过程中，经常要对压力进行检测，如熔炼炉、在工业生产过程中，经常要对压力进行检测，如熔炼炉、加热炉就要适当的控制炉膛压力及烟道压力，来获得良好的加热炉就要适当的控制炉膛压力及烟道压力，来获得良好的热工效果。又如许多冶金物化反应，对反应空间的压力有一热工效果。又如许多冶金物化反应，对反应空间的压力有一定的要求，某些在常压下不能发生反应，需要高压或一定的定的要求，某些在常压下不能发生反应，需要高压或一定的真空度下才能反应等等。另外，要测量某些流体的流量，也真空度下才能反应等等。另外，要测量某些流体的流量，也是通过压力来测量的，如孔板流量计。

2、因次，对压力的检测是通过压力来测量的，如孔板流量计。因次，对压力的检测是常见而非常重要的。是常见而非常重要的。压力检测的基本知识压力检测的基本知识压力的单位压力的单位（这里的压力指压强：单位面积所受的力）压力表示方法：压力表示方法：）绝对压力）绝对压力；）表压力（相对压力）；）负压力（真空度）表压力（相对压力）；）负压力（真空度）压力表分类：压力表分类：（按信号转换原理不同）分为以下四类：（按信号转换原理不同）分为以下四类：）液柱式压力计）液柱式压力计将被检测压力转换成液柱高度差进行测量的压力计将被检测压力转换成液柱高度差进行测量的压力计如：形管压力计，斜管压力计等如：形管压力计，斜管压力计等

3、）弹性式压力计）弹性式压力计将被测压力转换成弹性元件变形所引起的位移而进行测量的压力计将被测压力转换成弹性元件变形所引起的位移而进行测量的压力计如：弹簧管压力计，波纹管压力计，膜盒压力计如：弹簧管压力计，波纹管压力计，膜盒压力计）电气式压力计）电气式压力计 将被测压力转换成电量进行压力测量的压力计。将被测压力转换成电量进行压力测量的压力计。如：压电式压力计、应变片式压力计、霍尔压力计。如：压电式压力计、应变片式压力计、霍尔压力计。4）活塞式压力计）活塞式压力计 将被测压力转换成活塞上所加砝码重量进行测量的压力计。它是一将被测压力转换成活塞上所加砝码重量进行测量的压力计。它是一种标准型压力计，对

4、其它类型的压力计进行校验。种标准型压力计，对其它类型的压力计进行校验。一霍尔压力传感器一霍尔压力传感器 属于位移式压力传感器，是利用霍尔效应，是将属于位移式压力传感器，是利用霍尔效应，是将P作用下所产生的弹作用下所产生的弹性元件的位移信号转变成电势信号来测量压力。性元件的位移信号转变成电势信号来测量压力。P弹性元件（变形）弹性元件（变形）霍尔效应霍尔效应V（mv）显示显示1）霍尔效应）霍尔效应 霍尔片是一块锗半导体薄片。霍尔片是一块锗半导体薄片。当霍尔片中流过电流时，电子受磁场力（方向可由左手定则确定）的当霍尔片中流过电流时，电子受磁场力（方向可由左手定则确定）的作用，其运动方向（与电流方向相

5、反）将发生偏移，使得在作用，其运动方向（与电流方向相反）将发生偏移，使得在“X轴方向的轴方向的一个端面上造成电子积累而形成负的表面电荷，而在另一端面上则正电一个端面上造成电子积累而形成负的表面电荷，而在另一端面上则正电荷过剩，于是在荷过剩，于是在“X轴方向出现了电场。由于电场的建立，产生了电场轴方向出现了电场。由于电场的建立，产生了电场力，电场力阻止电子的偏移。当磁场力与电场力相平衡时，电子积累达力，电场力阻止电子的偏移。当磁场力与电场力相平衡时，电子积累达到了动态平衡，这时就建立了稳定的霍尔电势：到了动态平衡，这时就建立了稳定的霍尔电势：式中：RH霍尔常数（视霍尔片材料、结构而定）2）霍尔压

6、力传感器）霍尔压力传感器 基本结构（如图）基本结构（如图）a）压力）压力位移转换部分位移转换部分 霍尔片、弹簧管组成霍尔片、弹簧管组成 b）位移）位移电势转换部分电势转换部分 霍尔片、磁钢及引出线霍尔片、磁钢及引出线 c）稳压电源）稳压电源二压电式压力传感器二压电式压力传感器利用压电材料（功能材料）的压电效应做成的传感器利用压电材料（功能材料）的压电效应做成的传感器1）压电效应）压电效应压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生变性，并在其表面上产生压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生变性，并在其表面上产生电荷，去掉力时，又回到原不带电的状态。在蛋形范围内，电荷为：电荷，去掉力时，又

7、回到原不带电的状态。在蛋形范围内，电荷为：式中：S作用面积；K压电常数 常用压电材料：石英晶体、压电陶瓷（钛酸钡陶瓷；钛酸鉛系列陶瓷）常用压电材料：石英晶体、压电陶瓷（钛酸钡陶瓷；钛酸鉛系列陶瓷）2）压电式压力传感器）压电式压力传感器 结构结构：（如图）如图）压电元件夹于两弹性片之间，一膜片接地，另一膜片通过金属箔和引出线压电元件夹于两弹性片之间，一膜片接地，另一膜片通过金属箔和引出线 将电量引出。将电量引出。特点：特点：体积小，结构简单，工作可靠；动态质量小，固有频率高，不需外加电源；体积小，结构简单，工作可靠；动态质量小，固有频率高，不需外加电源；适应工作频率高的压力测量，范围适应工作频率

8、高的压力测量，范围070MPa;输出阻抗高；温度效应较大，输出阻抗高；温度效应较大，环境适应有限。环境适应有限。三电容式压力传感器三电容式压力传感器 1、原理、原理将被测压力通过弹性膜片的位移转换为平行板电容器的电容量将被测压力通过弹性膜片的位移转换为平行板电容器的电容量 平行板电容器电容量为平行板电容器电容量为式中:平行极板间的介电常数；s极板的面积；d平行极板间的距离电容变换器通常有：电容变换器通常有：a）变间隙式（）变间隙式（d）b）变面积式（）变面积式（s）c）变介电常数（）变介电常数（E）2、变间隙式电容压力传感结构：、变间隙式电容压力传感结构：差动电容的活动极板差动电容的活动极板

9、感压元件：弹性膜片（弹性稳定性好特殊合金制成，如合氏合金、蒙耐尔合金等）可左右移动约0.1 mm的距离。固定电极供极板固定电极供极板 在弹性膜片左右有两个用玻璃绝缘体磨成的球形凹面，采用真空渡膜法在该表面镀上一层金属薄膜，作为差动电容的固定极板。弹性膜片位于两固定极板的中央，它与固定极板构成两个测压室，压室填充硅油。三、压阻式压力传感器三、压阻式压力传感器 1、原理、原理 基于单晶硅半导体的压阻效应而构成的基于单晶硅半导体的压阻效应而构成的。采用单晶硅平膜片为弹性元件，在单晶硅平膜片上利用集成电路工艺，采用单晶硅平膜片为弹性元件，在单晶硅平膜片上利用集成电路工艺，在单晶硅的特定方向制成在单晶硅

10、的特定方向制成扩散压敏电阻扩散压敏电阻。单晶硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性。当硅片受压后，膜片的单晶硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性。当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化。变形使扩散电阻的阻值发生变化。相对电阻变化为相对电阻变化为：式中 Ke 压阻系数；应力 2、压阻式压力传感器的结构、压阻式压力传感器的结构 单晶硅平膜片的扩散电阻通常做成桥式测量电路，相对的桥臂电阻对单晶硅平膜片的扩散电阻通常做成桥式测量电路，相对的桥臂电阻对称布量，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。称布量，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。平膜片在圆形硅杯的底部，硅杯内

11、外两侧分别感受被测压力与参考压平膜片在圆形硅杯的底部，硅杯内外两侧分别感受被测压力与参考压力，压差使膜片变形，膜片上的两对电阻的阻值发生变化。力，压差使膜片变形，膜片上的两对电阻的阻值发生变化。温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个温度效应的影响，一般还可在膜片上沿对压力不敏感的晶向生成一个电阻，这个电阻只感受温度电阻，这个电阻只感受温度 变化，可接人桥路作为温度补偿电阻以提变化，可接人桥路作为温度补偿电阻以提高测量精度。高测量精度。3、特点：、特点：精度高，工作可靠，频率响应高，结构简单；可使用在环境恶劣的精度高，工作可靠，频率响应高，结构简单；可使用在环境恶劣的条件下

12、，便于实现显示数字化。压阻式压力传感器不仅可以用来测量条件下，便于实现显示数字化。压阻式压力传感器不仅可以用来测量 压压力，稍加改变也可用来测量差压、高度、速度、加速度等参数。力，稍加改变也可用来测量差压、高度、速度、加速度等参数。智能型压力（差压）变送器智能型压力（差压）变送器 为满足集散控制系统和现场总线控制系统的应用要求，近年来出现了采用为满足集散控制系统和现场总线控制系统的应用要求，近年来出现了采用先进传感器技术和微处理器的智能差压变送器。先进传感器技术和微处理器的智能差压变送器。智能差压变送器的精度、可靠性、稳定性均优越于模拟式差压变送器，它智能差压变送器的精度、可靠性、稳定性均优越

13、于模拟式差压变送器，它可以输出模拟和数字信号，通过现场总线网络可与上位计算机相连。可以输出模拟和数字信号，通过现场总线网络可与上位计算机相连。特点：特点：1）测量精度高）测量精度高 基本误差仅为0.075或0.1，且性能稳定、可靠、响应快；2）具有温度、静压补偿功能；）具有温度、静压补偿功能；3）量程比大、零点迁移范围较宽；）量程比大、零点迁移范围较宽；4）输出模拟、数字混合信号或全数字信号；）输出模拟、数字混合信号或全数字信号；5）功能多）功能多 除有检测功能外，智能变送器还具有计算、显示、报警、控制、诊断等功能，与智能执行器配合使用可就地构成控制回路。6）对信号进行各种形式的传输对信号进行

14、各种形式的传输 利用手操器或其他组态工具对变送器进行就地或远程组态、传输、读取、显示测量数据、自诊断等信，目前智能差压变送器的种类较多，结构也各有差异，从整体上看，是由硬目前智能差压变送器的种类较多，结构也各有差异，从整体上看，是由硬件和软件两大部分组成，从电路结构看，智能差压变送器包括传感器部件和件和软件两大部分组成，从电路结构看，智能差压变送器包括传感器部件和电子部件两部分。下面介绍几种有代表性的智能差压变送器。电子部件两部分。下面介绍几种有代表性的智能差压变送器。ST3000差压变送器差压变送器 SB000差压变送器是由Honeywe11研制开发出的二线制变送器，它将输人的差压信号转换成

15、420 mA直流电流或数字信号输出，其原理框图如图315所示，它的检测元件是采用扩散硅压阻传感器。但与模拟式扩散硅差压变送器不同的是，SB000差压变送器所采用的是复合型传感器，该传感器在单个芯片上集成了测量差压、温度、静压用的三种感温元件。（1）工作原理。狡测差压挥翊守正且扭戥啷鼬觐曳迕且洼叟莼液簋递到复金篮累邂H酗勤芟瞅陂，蜘检出这垫蛆塑坐墼跳与此同时，复合传感器上的两种辅助传感器（温度传感器和静压传感器）检出环境温度和静压参数，也经AD转换送人微处理器。微处理器从EEPRoM中取出在变送器生产时存人的各种补偿数据（如差压、温度、静压特性参数和输入输出特性等），对三种数字信号进行运算处理，

16、得到一个与输人差压对应的420 mA直流信号和数字信号，作为变送器的输出。EEPRoM在变送器也起后备存储器的作用。它在仪表工作时存储着与HAM中同样的数据；当似表因故障停电后恢复供电时，EEPRoM中的数据会自动传递到RAM9因此该变送器不需要后备电池。ST3000差压变送器中的RAM用来存储由现场数据通讯器sC设定的变送器各种参数，如编号、测量范围、线性平方根输出的选定、阻尼时间常数、零点和量程的校准等。SFC可接在输出回路中的任意位置，读取变送器的输出数字信号，并对变送器进行组态。丨 半导体复合传感器是一种在单个芯片上形成差压测量用、温度测量用和静压测量用三种敏感元件的复合型传感器。ST

17、3000差压变送器采用复合型传感器和综合误差补偿技术，有效克服了扩散硅压阻传感器对温度和静压变化敏感以及存在非线性的缺点，提高了变送器的测量精度，拓宽了量程范围。（2）组态（设定）。由现场数据通讯器对变送器进行组态，输人变送器编号、输出形式、测量范围罡冕圪间晏君灵薷g圣詈位051C型智能差压变送器型智能差压变送器是美pisherRosemount公司开发生产的另一种二线制变送器，图L6为其原理框图，它由传感组件和电子组件两部分组成，采用专用集成电路（AsIC）和表面安（1）工作原理。3051C型智能差压变送器的检测元件采用高精度的曳 其工作原理与模拟式电容差压变送器相同。但3051C差压变送器

18、除了电容式压力传感器之外，还配置了温度传感器，用来补偿热效应带来的误差。两个传感器的信号通过允D转换器转换为数字信号送到电子组件，微处理器完成对输人信号的线性化、温度补偿、数字通信、自诊断等处理后，得到一个与输人差压对应的420 mA直流电流或数字信号作为变送器的输出。在电子组件的EEPROM存储器中存有变送器的组态数据，当遏到意外停电，其中数据仍然保存，所以恢复供电之后，变送器能立即工作。3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，其上带有键盘及液晶显示器。它可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。为了

19、通信方便，信号回路必须有不小于250的负载电阻。（2）组态。对3051C变送器的组态可以通过数据设定器或任何支持HART通讯协议的上位机来完成。组态可分为两部分。首先，设定变送器的工作参数，包括测量范围、线性或平方根输出、阻尼时间常数、工程单位选择；其次，可向变送器输入信口息性数据，以便对变送器进行识别与物理描述，包括给变送器指定工位号、描述符等。1151智能式差压变送器智能式差压变送器 51智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合HART通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储功能，同时又可传输420 mA直流信号，特

20、别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造。其原理图如图17所示。传感器部分的作用是将输人差压转换成允D转换器所要求的02，5电压信号。1151智能式差压变送器检测元件采用电容式压力传感器，传感器部分的工作原理与模拟式电容差压变送器相同，此处不再赘述。值得指出的是，由于二线制变送器的正常工作电流必须等于或小于变送器输出电流的下限值（4 mA），同时HART通信方式是在420 TrLA直流基础上迭加幅度为05 mA的正弦调制波作为数字信号，因此变送器正常工作电流必须等于或小于3，5 mA，才能满足要求。为此，传感器部分采取5供电且采用低功耗放大器，使其工作电流从模拟式变送器的约3 mA降低为0，8 mA左右；相应的，变送器的其他部分也都采用低功耗器件。