第三章 压力与真空度检测仪表

K为电阻应变灵敏系数。
3.3.4 应变式压力传感器 B 应变式压力传感器 组成:弹性元件、应变片以及相应测量电路。
R1
R1
R5
R5
圆筒形应变压力传感器及应变检测桥路
测量片R1沿应变筒轴向贴放;温度补偿片R5沿径向贴放。 压力p→应变片产生应变→电阻发生变化→毫伏电势。
应变片测量电路
R1 E R3 R2
液柱式压力计
原理:基于流体静力学原理,把被测 压力转换成液柱高度进行测量。
po
1 h 2
p
p p0 gh
po 1 h 2 2 p po
2
Po L h a
p
(a) U形管压力计
（b） 单管压力计 （c） 倾斜式压力计 图3-2 液柱式压力计
h
p
3.2 弹性式压力计 将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测压的仪表。 特点:测量范围宽,结构简单,价格便宜,使用方便等。 测量范围:几百帕到数千兆帕。 3.2.1 弹性元件 弹性元件是一种简单可靠的测压敏感元件。 (1).弹簧管 (单圈和多圈的) 是截面呈椭圆形或扁圆形的中空金属管,当通入压力p后, 它的自由端就会产生位移。 适合测高、中、低压。
V
R4
R2 R4 - R1 R3 V E ( R1 R4 )( R2 R3 )
R1 R2 R3 R, R4 R dR
E dR V 4 R
表3-1 常用压力换算表
单位
Pa 1 1.01325 ×105
atm
mmHg
mmH2O 0.102 1.033 ×104 13.60 1 104 1.02 ×104
kgf/cm2 (at)
bar 10-5 1.033
Psi
帕斯卡 （Pa）
标准大气压 （atm）
9.869 ×10-6
1
7.5 ×10-3
3.2.1 弹性元件
(2). 弹性膜片 由具有弹性的金属或非金属片构成,在压力作用下能产生 变形。
适合测中、低压。
膜片
膜盒
硅油
3.2.1 弹性元件 (3).波纹管 外部存在波纹的弹性金属片构成金属筒体。 弹性元件易于变形,且位移很大。 适合测微压和低压(不超过1MPa)。
3.2.2 测量原理 根据虎克定律,弹性元件在一定范围内变形与所受外力 成正比,即: x= pA/C p—压力,Pa； A—承受压力的有效面积,m2； C—弹性元件的刚度系数。 测量原理: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x与被测压力p成正比。
ΔP=P1-P2
P1
P2
3.3.2 电容式压力传感器
设在压差ΔP的作用下移动距离Δd,可近似认为: Δd=K1ΔP Ci1 =Ci2 =15pF,C =0 在ΔP=0时, d0 d0 ΔP≠0时, Ci 1 S d1 S (d0 d )
Ci 2 S d 2 S (d 0 d )
A 压电效应:压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用 时发生变形,并在其表面上产生电荷;而在去掉外力后, 又 回到原来的不带电状态,这种现象就称为压电效应。
压电元件在弹性范围内其产生的电荷量与作用力之间 呈线性关系。即: q=k· S· p
q为电荷量; k为压电常数; S为作用面积; p为被测压力。
p
3.2.3 弹簧管压力计 (3).弹簧管材料的选择 当P<19.6MPa时,选用磷青铜或黄铜的材料。 当P≥19.6MPa时,选用合金钢或不锈钢的材料。 所测流体种类不同,所用弹簧管材料不同。 弹簧管压力表的型号命名：
3.2.2.2 弹簧管压力计 (4). 电接点信号压力表 普通弹簧管压力表上带有 报警或控制触点的压力表。 当压力偏离给定范围时, 及时发出信号,提醒操作 人员注意或通过中间继 电器实现压力自动控制。
1 1 C C i 2 C i 1 S ( ) d 0 d d 0 d 2 S d 2 S d 2 K p 2 2 d 0 d d0
C K p
d1
d2
3.3.2 电容式压力传感器 平面线位移型
0 A C
3.3.3 压电式压力传感器 利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
3.1 概述 3.1.3 压力检测的基本方法 3) 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 平衡, 测得平衡时的外力就是被测压力。 主要用在压力或差压变送器,精度较高,但结构复杂。 4) 物性测量方法 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。 将被测压力直接转换成电量进行测量。 如压电式. 应变片式.电容式.压阻式压力传感器等。
6.8 ×10-2
7.04 ×102
7.03 ×10-2
6.895 ×10-2
注意:表中除单位Pa和bar之外均为非许用单位,只在旧仪器及某些国家尚沿用。
第三章 压力与真空度检测仪表
3.1 概述 3.1.2 压力的表示方法 在压力测量中,常有绝对压力.表压.负压或真空度。 绝对压力:以绝对零压为零点的压力。 表压:是绝对压力和大气压力之差,即: P表压 p表压 = p绝对压力- p大气压力
3.3 压力(差压)传感器 定义:能检测压力信号,并转换成电信号进行输出的器件。 分类:压电式.压阻式.应变式.电感式.电容式.霍尔式等。 3.3.1 霍尔压力传感器 依据:根据霍尔效应,即利用霍尔元件将由压力所引起的弹 性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量。 霍尔片由半导体材料制成的薄片。 恒定磁场B 1 霍尔效应:电子逆Y轴运动时,受电磁力的 作用,使其运动发生偏移,在X轴上 出现电位差(霍尔电势)。 这物理现象称为霍尔效应。
3.3.4 应变式压力传感器
A 理论基础 电阻率的变化与电阻丝体积的变化成正比,即：
dV dA dl m m( ) m(1 2 ) V A l dR d 1 2 m 1 2 1 2 K R d
3.2.3 弹簧管压力计 (2).工作原理(单圈弹簧管) 通入压力p后,椭圆形截面在p作用下将趋于圆形,使自由 端B产生位移,且与p的大小成正比(具有线性刻度)。所以 只要测得B点的位移量,就能反映压力p的大小。
p
3.2.3 弹簧管压力计 (2).工作原理(单圈弹簧管) 放大过程: 自由端B的位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时 针偏转,指针5通过同轴的中心齿轮4的带动作顺时针偏转, 在面板6的刻度标尺上显示出被测压 力p的数值。由于B的位移与p的大 小成正比,则刻度标尺是线性的。 游丝7用来克服因扇形齿轮与 中心齿轮间的传动间隙而产生 的仪表变差。 改变调节螺钉8的位置,可调整 仪表的量程。
760 1 7.36 ×10-2 736 750 51.715
1.02 ×10-5
1.033
1.45 ×10-4
14.706
毫米汞柱 （mmHg）
毫米水柱 （mmH2O） 千克力/厘米2 (工程大气压) （kgf/cm2） 巴 （bar）
1.33322Baidu Nhomakorabea×102
9.896375
1.316 ×10-3
dR dl dA d , R l A
dA d ( r 2 ) dr 2 , 2 A r r
dr dl - - r l
μ为应变材料的泊松比;ε=dl/l为应变。
dR dl dA d d 1 2 R l A
3.3.4 应变式压力传感器
第三章 压力检测与仪表
3.1 概述 3.2 弹性式压力计
3.3 压力(差压)传感器 3.4 真空计
3.5 压力检测仪表选用
第三章 压力检测与仪表
3.1 概述 3.1.1 压力的概念及单位 1.压力:指均匀垂直地作用在单位面积上的力。
F p S
2. 单位(SI):帕斯卡,简称帕(Pa)。 1Pa=1N/m2 1MPa=1X106Pa
3.2.3 弹簧管压力计 分单圈和多圈;按用途分普通压力表.耐腐蚀氨用压力表. 禁油氧气压力表。它们外形和结构相同,只是材料不同。 (1).结构 1—弹簧管; 2—拉杆; 3—扇形齿轮; 5--指针; 4—中心齿轮; 6—面板; 7—游丝; 8—调节螺钉; 9—接头。 弹簧管1是测量元件,是一根弯成 270°的椭圆截面的空心金属管。 管子的自由端B封闭,另一端固定 在接头9上。
大气压力线
P真空度 真空度(负压):当被测压 P绝对压力 力低于大气压力时,大气 P绝对压力 绝对压力的零线 压力和绝对压力之差,即 p真空度 = p大气压力 - p绝对压力 绝对压力、表压、负压（真空度）的关系
压力仪表测量的为表压或真空度。
3.1 概述 3.1.3 压力检测的基本方法 1) 弹性力平衡法 利用弹性元件受压力后发生弹性形变而产生的弹性力与 被测压力相平衡的原理。 将压力转换成位移,测出弹性元件变形的位移就可测出压 力。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。 2) 重力平衡方法 利用一定高度的液体产生的重力或砝码的重量与被测 压力相平衡的原理。 例如液柱式压力计、活塞式压力计。
A 理论基础
dR dl dA d d 1 2 R l A
1 2 —由几何尺寸变化引起的。电阻丝在外力作用时
发生机械变形,其电阻随之发生变化的现象,叫应变效应。 d —由电阻率变化引起的。受压力后,其晶格间距发生 变化,电阻率随压力变化的现象,叫压阻效应。 金属材料,以应变效应为主,称为金属电阻应变片,制成 应变式压力传感器。 半导体材料,以压阻效应为主,称为半导体应变片,制成 压阻式压力传感器。 导体阻值的变化只取决于电阻率和材料几何尺寸的变化。
引入 压力 产生 位移
3.3.2 电容式压力传感器 工作原理:在压力作用下,通过膜片的位移引起电容量变化 来测出压力(或差压)的。 S 平行极板电容器的电容量为: C
d
电容变换器有变间隙式、变面积式 和变介电常数式三种。 结构: 1.隔离膜片;2,7固定电极; 3.硅油;4.测量膜片;5.玻璃层; 6.底座;8.引线。
Y 霍尔电势:UH=RHBI RH--霍尔常数,与霍尔片材料、 外电场(直流稳压电源) 几何形状有关。
3.3.1 霍尔压力传感器 2 霍尔式压力传感器
霍尔电势与位移关系: UH=RHBI I为定值,B为非均匀 霍尔片位置不同,B就不同 位移与霍尔电势成正比例。 实现位移－电势的线性转换。 结构:霍尔元件.磁钢与弹簧管。 工作原理:压力→弹性位移 →霍尔片移动→霍尔电势。 应用:所测压力不高、 压力波动小、信号需要远 传的场合。
0.968 ×10-4 0.968 0.98665
1.36 ×10-3
0.9997 ×10-4 1 1.02
1.333 ×10-3
9.80 ×10-5 0.980665 1
1.933 ×10-2
1.422 ×10-3 14.217 14.5 1
9.80665 ×104
105
磅/寸2 （Psi）
6.895 ×102
3.3.4 应变式压力传感器 材料的电阻变化取决于“应变效应”和“压阻效应” 。 应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件。
A 理论基础
l 金属导体或半导体的电阻值为： R A l l R R R dR dl - 2 dA d dl - dA d A A l A A
压电元件:石英晶体、压电陶瓷、半导体材料。
3.3.3 压电式压力传感器
石英晶体的压电效应
Z
晶体学常用三根相 互垂直的轴来表示
Y
X
天然结构：六角棱柱体
3.3.3 压电式压力传感器 B 压电式压力传感器的结构 1—绝缘体; 2—压电元件; 3—壳体; 4 --膜片;
引线
C 工作原理:被测压力均匀作用在膜 片上,使压电元件受力而产生电荷。 电荷量经放大转换为电压或电流输出, 其大小与输入压力成正比。 更换压电元件可改变压力的测量范围,还可用多个压电元 件叠加的方式提高仪表的灵敏度。 特点:体积小,结构简单紧凑,全密封,工作可靠;固有频率高, 不需外加电源;适于工作频率高的压力测量。 测量范围:0～70MPa,测量精确度为1％, 0.2％, 0.06％。