第2章压力检测与仪表精选PPT.ppt
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1、第 2章压力检测与仪表第1页,此课件共37页哦第一节 概述第二节 弹性式压力计第三节 压力(差压)传感器第四节 真空计第五节 压力检测仪表的选用第2页,此课件共37页哦第一节第一节 概概 述述 一、压力定义与单位一、压力定义与单位 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制在国际单位制(SI)(SI)和我国法定计量单位中,和我国法定计量单位中,压力的单位是压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”,简称,简称“帕帕”,符,符号为号为“Pa”Pa”。由于历史原因,其它一些压力单位还在由于历史原因,其它一些压力单位还在使用,表使用,表1 1给出了各种压力单位之间的换算关给出了各种
2、压力单位之间的换算关系。系。第3页,此课件共37页哦表1 常用压力换算表单位单位PaPaatmatmmmHgmmHgmmHmmH2 2O Okgf/cmkgf/cm2 2barbarPsiPsi帕斯卡帕斯卡(Pa)(Pa)1 19.8699.86910 10-6-67.5017.50110 10-3-30.1020.1021.021.0210 10-5-510 10-5-51.4501.45010 10-4-4标准大气压标准大气压(atm)(atm)1013251013251 17607601.0331.03310 104 41.0331.0331.0131.01314.69614.696毫米
3、汞柱毫米汞柱(mmHg)(mmHg)133.3133.31.3161.31610 10-3-31 113.59513.5951.3601.36010 10-3-31.3331.33310 10-3-31.9341.93410 10-2-2毫米水柱毫米水柱(mmH(mmH2 2O)O)9.8079.8070.9680.96810 10-4-47.367.3610 10-2-21 11.0001.00010 10-4-49.8079.80710 10-5-51.4221.42210 10-3-3千克力千克力/厘米厘米2 2(工程大气压工程大气压)(kgf/cm(kgf/cm2 2)98066.59
4、8066.50.9680.968735.56735.561.0001.00010 104 41 10.9810.98114.22314.223巴巴(bar)(bar)10 105 50.9870.987750.062750.0621.0201.02010 104 41.0201.0201 114.50414.504磅磅/寸寸2 2(Psi)(Psi)689.5689.56.8056.80510 10-2-251.71551.715703.072703.0727.0317.03110 10-2-26.8956.89510 10-2-21 1第4页,此课件共37页哦二、压力的表示方法压力有三种表示
5、方法,即绝对压力、表压压力有三种表示方法,即绝对压力、表压力、负压力或真空度,它们的关系如下图所示。力、负压力或真空度,它们的关系如下图所示。P真空度真空度P绝对压力绝对压力P表压表压P绝对压力绝对压力大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线绝对压力、表压、负压绝对压力、表压、负压(真空度真空度)的关系的关系第5页,此课件共37页哦三、压力检测方法(1)(1)弹性力平衡法:弹性力平衡法:利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与利用弹性元件受压力作用发生弹性形变而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理。被测压力相平衡的原理。(2)(2)重力平衡方法:重力平衡方法:利用一定高度的工作
6、液体产生的重力或砝码的重量与被利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理。测压力相平衡的原理。(3)(3)机械力平衡方法:机械力平衡方法:将被测压力经变换元件转移成一个集中力,用外力与之平将被测压力经变换元件转移成一个集中力,用外力与之平衡,通过测得平衡时的外力来得到被测压力。衡,通过测得平衡时的外力来得到被测压力。(4)(4)物性测量方法:物性测量方法:基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成基于敏感元件在压力的作用下某些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理。确定关系变化的原理。第6页,此课件共37页哦第二节 弹性式压力计 用弹性传感器用弹性传感器(又称弹
7、性元件又称弹性元件)组成的压力测量仪组成的压力测量仪表称为表称为弹性式压力计弹性式压力计。1.1.弹性元件受压后产生的形变输出弹性元件受压后产生的形变输出(力或位移力或位移),可以,可以通过传动机构直接带动指针指示压力通过传动机构直接带动指针指示压力(或压差或压差),2.2.也可以通过某种电气元件组成变送器,实现压力也可以通过某种电气元件组成变送器,实现压力(或压差或压差)信号的远传。信号的远传。第7页,此课件共37页哦一、测量原理 当弹性元件在轴向受到外力作用当弹性元件在轴向受到外力作用 时,就时,就会产生拉伸或压缩位移会产生拉伸或压缩位移x x,即,即x x=pApA/CC虎克定律虎克定律
8、式中,式中,p p为压力,为压力,PaPa;A A承受压力的有效面积,承受压力的有效面积,m m2 2;C C弹性元件的刚度系数。弹性元件的刚度系数。当弹性元件材料、尺寸等确定后,则弹性当弹性元件材料、尺寸等确定后,则弹性元件产生拉伸或压缩位移元件产生拉伸或压缩位移x x与被测压力与被测压力p p成正比,成正比,这就是弹性式压力表的测量原理。这就是弹性式压力表的测量原理。第8页,此课件共37页哦二、弹性元件结构和特点第9页,此课件共37页哦三、弹性式压力计(一一)弹簧管压力计弹簧管压力计弹簧管压力表在弹弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史性式压力表中更是历史悠久,应用广泛。悠久,应用广泛。弹簧
9、弹簧管压力表中压力敏感元管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形横截面呈非圆形(椭圆形椭圆形或扁形或扁形),弯成圆弧形的,弯成圆弧形的空心管子,如图所示。空心管子,如图所示。第10页,此课件共37页哦 弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管弹簧管拉杆拉杆指针指针中心齿轮中心齿轮扇形齿轮扇形齿轮接头接头游丝游丝刻度盘刻度盘调整螺钉调整螺钉螺旋弹簧管、盘簧管螺旋弹簧管、盘簧管第11页,此课件共37页哦(二)波纹管差压计波纹管的特点是灵敏度高波纹管的特点是灵敏度高(特别是在低压特别是在低压),但是迟滞误差较大,波纹管压力表的测量,但是迟滞误差较大,波纹管压力表的测量范围较
10、小,一般为范围较小,一般为0 00.4MPa0.4MPa,仪表的准确度,仪表的准确度等级为等级为1.51.52.52.5级。级。波纹管波纹管双波纹管差压表双波纹管差压表第12页,此课件共37页哦 膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力,膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力,压力测量范围为压力测量范围为-20-2040kPa40kPa,仪表的准确度等级一般为,仪表的准确度等级一般为1.51.52.52.5级。级。膜片压力表膜片压力表膜盒压力表膜盒压力表金属膜片金属膜片(三)膜盒压力表第13页,此课件共37页哦第三节 压力(差压)传感器 压力传感器结构型式多种多样,常见的压力传感
11、器结构型式多种多样,常见的型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、型式有压电式、压阻式、应变式、电感式、电容式、霍尔式及振弦式等。电容式、霍尔式及振弦式等。电气式压力检测方法一般是用压力敏感电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。能实现这种压力的变化。能实现这种压力-电量转换的压敏元电量转换的压敏元件有:压电材料、应变片和压阻元件。件有:压电材料、应变片和压阻元件。第14页,此课件共37页哦一、霍尔压力传感器霍尔压力传感器属于位移式压力霍尔压力传感器属于位移式压力(差压差压)传传感器。它是利用霍尔效应,把压力作用所产生
12、感器。它是利用霍尔效应,把压力作用所产生的弹性元件的位移转变成电势信号,实现压力的弹性元件的位移转变成电势信号,实现压力信号的远传。信号的远传。(一一)霍尔效应霍尔效应 把半导体单晶薄片把半导体单晶薄片(霍尔片霍尔片)置于磁场置于磁场B B中,中,当在晶片的当在晶片的y y轴方向上通以一定大小的电流轴方向上通以一定大小的电流I I时,时,在晶片的在晶片的x x轴方向的两个端面上将出现电势,轴方向的两个端面上将出现电势,这种现象称霍尔效应,所产生的电势称为霍尔这种现象称霍尔效应,所产生的电势称为霍尔电势电势U UH H。第15页,此课件共37页哦霍尔效应原理 霍尔电势霍尔电势U UH H与电流与
13、电流I I以及磁场强度以及磁场强度B B的关系的关系如下:如下:U UH H=R RH HIBIB式中,式中,R RH H为霍尔系数,与霍尔片材料、结构尺为霍尔系数,与霍尔片材料、结构尺寸有关。改变磁场强度寸有关。改变磁场强度B B或电流或电流I I都可使都可使U UH H发生发生变化。变化。第16页,此课件共37页哦(二)霍尔式压力传感器 它由压力它由压力-位移转换部分、位移位移转换部分、位移-电势转换部分和稳压电电势转换部分和稳压电源等三部分组成。源等三部分组成。霍尔片式压力传感器结构原理图霍尔片式压力传感器结构原理图1弹簧管;弹簧管;2磁钢;磁钢;3霍尔片霍尔片第17页,此课件共37页哦
14、二、电容式压力传感器 电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力从而测出压力(或差压或差压)的。平行极板电容器的电容量的。平行极板电容器的电容量C C与极板间与极板间介质的介电常数介质的介电常数 、极板面积、极板面积S S以及极板间距以及极板间距d d的关系为:的关系为:C C=SS/d d 只要保持上式中任何两个参数为常数,电容就是另一只要保持上式中任何两个参数为常数,电容就是另一个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变个参数的函数。故电容变换器有变间隙式、变面积式和变介电常数式三种。电容式压力介电常数式三种。电
15、容式压力(差压差压)传感器器常采用变间隙传感器器常采用变间隙式。式。Sd第18页,此课件共37页哦电容式压力传感器结构与检测原理图电容式压力传感器结构与检测原理图 I0测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等。测量原理测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化;再将电容的变化通过:将被测压力的变化转换成电容量的变化;再将电容的变化通过电容电容/电流转换电路,即可得到与压力成正比的电流转换电路,即可得到与压力成正比的420mADC输出信号。输出信号。填充液(硅油)固定电极可动电极P1转换放大单元 P2隔离膜片d=K1PC=C2-C1=K3P第19页
16、,此课件共37页哦三、压电式压力传感器 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。输出的大小与输入压力将被测压力转换为电信号。输出的大小与输入压力成正比例关系,按压力指示。成正比例关系,按压力指示。压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时而发生变形,并在其表面上产生电荷;而且在时而发生变形,并在其表面上产生电荷;而且在去掉外力后,它们又重新回到原来的不带电状态,去掉外力后,它们又重新回到原来的不带电状态,这种现象就称为这种现象就称为压电效应压电效应。第20页,此课件共37页哦压电式压力传感器结构
17、示意图1 1绝缘体;绝缘体;2 2压电元件;压电元件;3 3壳体;壳体;4 4膜片膜片第21页,此课件共37页哦四、应变式压力检测 应变式压力传感器是基于应变式压力传感器是基于应变效应应变效应工作工作的一种压力敏感元件。的一种压力敏感元件。应变效应:应变效应:当金属导体受力当金属导体受力(拉伸或压缩拉伸或压缩),导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化,导体的几何尺寸及其电阻率都会发生变化,从而引起电阻值的相对变化,且阻值变化与从而引起电阻值的相对变化,且阻值变化与应变成正比。应变成正比。第22页,此课件共37页哦应变压力传感器及检测电路 应变式压力传感器就是由弹性元件、应变片以及相应测量电路应变
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