储运仪表自动化课件习题整理第2章教材

绝
绝对压力：
对
单位面积所受到的力
压
（指物体所受的实际压力）
力
表压（相对压力）：
一般压力表所测得的压力， 它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差
真空度（负压力）：
指大气压与低于大气压的绝对压力之差， 有时也称为负压
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表压 标准大气压
真空度
1.01325×105Pa
绝对 压力
将P 转换成液柱高度h
一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。
(2)弹性式压力检测
将P 转换成位移x
根据弹性元件受力变形的原理 常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等
(3)电气式压力检测 将P 转换成电量
利用敏感元件 如电阻、电荷量等各种电量
(4)活塞式压力检测 将P 转换成活塞上砝码质量
– 主要换算关系：
• 1标准大气压(atm) =101325 Pa ；1工程大气压 (kgf/cm2)=98066.5 Pa
• 1毫米汞柱(mmHg) = 133.3 Pa ；1毫米水柱(mmH2O) =9.8 Pa • 1巴bar = 100000 Pa
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压力的三种表示方法：
X Y Ymin (Xmax Xmin) Xmin Ymax Ymin
例：一台电Ⅲ型压力变送器，测量范围2～10MPa，从控制室测
得信号为12mA时，所测压力是多少? 当所测压力为7.6MPa时，
输出为多少mA?
X 12 4 (10 2 ) 2 6( MPa ) 20 4
7.6 2
Io
要求：
1、掌握各压力计结构原理。 2、学会压力表选择；了解安装要求。
一、压力
第一节 引言
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– 压力=压强 P：单位面积上的垂直均匀作用力。
P F A
P Ah g h g
A
液高h
可用液柱高度h表示。h∝P，如：mmH2O、mmHg
面积A
二、压力单位
– 国际单位制（SI）：—帕斯卡（帕） 1Pa = 1N／1m2
弹簧管压力表
常作就地安装仪表 一般安装在现场
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弹簧管压力表的结构：
刻度盘 游丝
中心齿轮 弹簧管
指针 扇形齿轮
接头
拉杆 调整螺钉
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弹簧管压力表-各组成部分的功能：
弹簧管：将感知（受）P信号，并转化成位移信号 齿轮、杠杆传动机构：
传递放大（两级放大），改变调整螺母8的位移（即 改变拉杆位置）便可调量程（即调放大倍数实现量 程调整） 一级放大：“拉杆-扇形齿轮”（∵拉杆长度发生变 化） 二级放大：“扇形齿轮-中心齿轮”（二者半径相差
应变效应：当电阻体受外力作用时，电阻体的L、S或电阻率会发生变化，即R 也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。
当应变片受压产生压缩应变时阻值减小（L变短S变大）； 拉伸应变时阻值增大（L变长S变小）
常见应变片有： 金属应变片（金属丝、金属箔，如康铜丝） 半导体应变片（硅或锗等半导体材料）
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对于该截面而言，各个方向都要张力，但大小不同（垂直方向大于水平
方向张力），使管子有扁平状转化为趋向于圆形的过程，并伴有伸直的 趋势而产生力矩，这个趋势在每个截面上均存在， 会造成弹簧管的整体
变形，变形使自由端产生一定的位移，同时改变了中心角（Δθ）如图B’ 位置，这个Δθ一般很小，直接显示有困难，故必须通过传动机构放大才 能指示出来。为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管， 其原理与单圈弹簧管相似。
0～10mA； 4～20mA
能源
140KPa
220VAC 24VDC
70-80年代中
80中-90初 90初---
二、变送器的输入输出关系
变送器输出与测量值的换算关系：
Y(IO或P O) X Xmin (Ymax Ymin)Ymin Xmax Xmin
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测量值与变送器输出的换算：
三、 压阻式压力变送器
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1、工作原理： 压阻效应：固体受力后电阻率发生变化的现象。
压力 半导体形变 电阻率ρ变化 电阻阻值变化 2、结构：
3、原理：
4、特点：
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四、电容式差压变送器
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电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件
实际生产现场中，各种工艺设备和测量仪表通常处于大气中，本身就承受着大气压力， 故工程中经常用表压或真空度来表示压力的大小 。以后若无特殊说明均指表压和真空度
压力检测仪表的分类
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目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感 元件和转换原理的不同，一般分为四类：
(1)液柱式压力检测
r1
r2
1
2
P
3
(a)传感器 1－外壳 2－弹性筒 3－膜片
测量电桥：
图中： E恒压源
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R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻
r1
A
R
3
＋
－
Uo
＋
BE
－
r2
R
4
不受压P时: r1= r2=r0 R3=R4=r 电桥平衡
Uo ( R3 r1 )E， R3 R4 r1 r2
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测压原理：
利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现
“压力-位移-霍尔电势”的转换。
霍尔片：由半导体材料（如：锗，Ge银灰色）制成的薄片
霍尔效应：将霍尔元件置于均匀磁场中，并使
霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍
尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电
流I。电子运动受到磁场力作用而使运动轨迹发
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第三节 变送器
一、变送器的作用
统一信号，便于远传与控制
XY, 供显示、记录、调节、运算、报警等。 X---非电量的工艺参数（P、 L 、T、F… 等） Y---标准统一信号4～20mA、20KPa～100KPa、0～10mA等
二、变送பைடு நூலகம்的输入输出关系
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制在一起
如图
弹簧管
工作原理： P 弹簧管 x
UH=kx
霍尔片
U k x K——霍尔式压力传感器输出系数
H
χ——自由端霍尔元件的位移量
二、 应变片压力/差压传感器
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电阻的决定式： R l
S
(ρ表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，L表示电阻的长度，S表示电阻的 横截面积)
根据液压机液体传送压力的原理
优点：测量精度较高，精度可达0.05～0.02级， 常用作标准仪器对其它压力检测仪表进行检定
缺点：结构复杂、价格较高
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四大类压力检测仪表
▪液柱式 ▪弹性式 ▪电气式 ▪活塞式
液柱式压力检测
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测量原理： 将P 转换成液柱高度h
思考： 如何得“可变UH ”
使霍尔片处于线性非均匀磁场的不同位置
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“位移-电势”转换电
路：
I 恒定 线性非均匀磁场B
霍尔元件（已选定）
当霍尔元件处于B的不同位置时，“UH=kx”转换电路 所受B不同，故UH与位移x成比例
霍尔式压力表
磁钢
组成：
“霍尔片 + 弹簧管的自由端”
e
生偏转，造成一端电子积累另一端过剩，这样
会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差UH， 该现象称霍尔效应，此电位差称为霍尔电势
E （ （左毫手伏级定）则），其大小：h kh BI kh:灵敏度系数，与材料和几何尺寸有关
UH与B、I成正比，增减B、I可增减UH
但二者有一定限度（I为3～20mA，B约几千高斯，故为UH几十毫伏）
输入：Xmin～Xmax变送器测量范围 L =Xmax―Xmin 变送器量程
输出：Ymin～Ymax 输出信号范围
输出为标准信号，不同类型的变送 器输出范围不同。输入X和输出Y一般为 线性关系。
输出信号
气动变送器(QDZ仪表)：
20～100KPa 电动变送器(DDZ仪表)：
DDZ-Ⅱ型: DDZ-Ⅲ型:
工作过程：P 弹簧管 位移 一级放大 二级放大 指示
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电接点压力表
作用：与电气设备（开关）配用，实现 控制和发信。 工作原理：动静触头接触，接通电路。
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当压力超过上限给定值时，高压报警：动、静触点1接触----红灯通 电亮。 当压力低于下限给定值时，低压报警：动、静触点3接触----绿灯通 电亮。
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应变片式压力传感器：是利用电阻应变原理制成的 外壳： 保护/固定应变筒
传感筒 密封膜片：感知压力信号，不锈钢材质
组成：
应变筒：应变片r1沿应变筒轴向贴放（作测量片） r2沿应变筒横向贴放（作温度补偿片）
作用：受压产生压缩/拉伸应变使阻值增/减
测量桥路： R改变产生△U ，如下图所示
OEM压力芯片
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第四节 电气式压力计
电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生 的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的 一类压力计。
将P 转换电成 量 适于信号远传
电气式压力检测原理图 特点：反应迅速，测量范围广，精度高，易实现远距离传送。
一、霍尔式压力表
结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好 的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作 用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地 用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.5～1.0％左右。
优点： 直观、可靠、准确度较高等
缺点：
P=h 故：h=P/
只能测量较低的压力或差压
为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破
常用于较低压力、负压或压力差的检测。损,另外它只能进行现场指示。
液柱式压力检测
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弹性式压力计
将P 转换成位移x
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通过测量弹性元件受压后产生弹性形变（即位移）来测量P ，常见弹性元件有：
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第二章 压力测量及变送
引言
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在石油化工生产中，压力往往是决定安全生产、产品 质量和生产效率的重要因素。
内容：
1、压力概念。 2、弹性式、电容式、应变式、压阻式压力计、智能式变 送器结构原理与应用。 3、压力计选用、校验与安装。
不受压时Uo 0
应变片受压P时：
(b)测量电桥
r1= r0+Δr1；r2= r0+Δr2 (Δr1≠Δr2)
1 Uo (
r0 r1
)E
r1 r2
E
2r0 r1 r2
r1
r2
E
P
2 r0 r1 r0 r2
4r0 2r1 2r2
4r0
由此可见，由压力P作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出（毫伏级电压输出）； 当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电 压UO进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。
( 20 4 ) 4 15.2( mA ) 10 2
常见压力传感器外形 油气储运仪表及自动化-第2章
工业压力变送器 数字压力变送器 通用压力变送器 隔离压力变送器 高温压力变送器 隔离压差变送器 隔离液位变送器 微压变送器 电容压力变送器 隔膜压力变送器 绝压变送器 双膜压差变送器
微型探针压力计 暖风空调压力计 湿式压力变送器 本安压力变送器 OEM血压计
游大丝）： 克服齿轮间隙、减少变差 指针即表盘： 指示
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优点：结构简单、使用方便、 价格低廉、测量范围宽， 可以测量负压、微压、低压、 中压和高压 缺点：弹性元件有滞后，不 宜测量变化频繁的脉动压力， 如果元件对温度变化敏感， 需加温度校正。
一般的工业用弹簧管压力表的精 度等级为1.5级或2.5级，但根据 制造的要求，其精度等级最高可 达0.15级。
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油气储运仪表及自动化-第2章
弹性元件实物简图：
油气储运仪表及自动化-第2章
——弹簧管和弹簧管压力表
弹簧管：扁平、中空、横截面呈椭圆形，弧度270° 材质为铜、合金铜、钢
管子的一端为封闭，另一端为开口。 闭口端作为自由端，开口端作为固定端。
椭圆形管子的受力情况分析：
包括测量部件和转换放大电路两部分：
调零、零 迁电路
Iz
＋
Δp 差压电 ΔC 容膜盒
电容-电流转 换电路
Ii ＋
Io 电流放大器
－
测量部分
If
转换放大部分
反馈电路
电容式差压变送器测量原理
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回忆：平板电容工作原理
A
C A
式中：ε—电容器极板间绝缘介质的介电常数 A— 电容器两平行板覆盖的面积