化工测量及仪表第3章讲解

12
3.3 电阻式压力计
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理 3.3.2 金属应变片与应变式压力传感器 3.3.3 压阻元件和压阻式压力传感器 3.3.4 电阻信号的测量电路
3.3 电阻式压力计
电阻式压力计利用传感器将弹性元件受压力影响
产生的形变转换为电阻信号，再利用对电阻信号的转
换处理获得被测的压力值。常用的传感器有金属应变
R L
R L A
A
式中：ρ — 电阻率 L — 导体长度 A — 导体横截面积 对于一根圆截面的金属电阻丝，当受到轴向外力F作用后，
电阻丝的长度伸长了dL，截面积缩小了dA，电阻率的变化为 dρ，电阻的相对变化量则为：
dR d dLdA R LA
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
金属导体的应变效应
第3章 压力测量
化学工业出版社
本章要点
➢ 压力的定义和表示 ➢ 弹性元件和弹性压力计 ➢ 电阻（应变）式压力计 ➢ 电容式压力计 ➢ 电感式压力计 ➢ 霍尔式压力计 ➢ 其他常见的压力测量方法 ➢ 压力仪表的选用原则
3.1 压力检测概述
3.1.1 压力定义及单位 3.1.2 压力的几种表示方法
3.1.1压力定义及单位
其他单位：公斤力、bar、Psig、mmH2O、 mmHg、工程大气压
3.1.2压力的几种表示方法
表压力与真空度：
被测压力大于大气压力时，称被测压力与大气压力差值 为表压力，当被测压力小于大气压力时，称其差值为真空度 或负压。
绝对压力：
被测量压力与真空的差值称为绝对压力。
3.2 弹性压力计
3.2.1 弹性元件 3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
3.2.1 弹性元件
弹性元件wenku.baidu.com类和特性
常用的弹性元件类型有膜片、弹簧管、波纹管等类型， 可将压力信号转换为位移信号。
波纹管
弹簧管
膜片和膜盒
3.2.1 弹性元件
弹性元件种类和特性
➢膜片主要用于低压的测量，压力增大时，膜片圆心处的硬心会产生 直线位移。在压力测量中，常用两片膜片沿周边对焊起来，组成膜盒 结构。膜片可直接带动传动机构就地显示，但由于膜片的位移较小， 灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。 ➢波纹管在管内压力增大时，侧壁上的褶皱曲率变化，产生自由端的 水平位移，由于波纹管的位移相对较大，一般可直接带动传动机构， 就地显示。其优点是灵敏度高，但波纹管迟滞误差较大，其输出的水 平位移比弹簧管大，但位移和压力的线性度不如弹簧管。 ➢弹簧管又称波登管，管的横截面为椭圆形，当管内压力变大时，椭 圆截面在压力作用下趋向于圆形，使整个弯管曲率发生变化，其自由 端产生向外的位移，在位移量不大时，可近似的看作直线运动，且位 移大小与压力近似成正比。弹簧管还有多圈的盘状或螺旋状的结构， 可以增大输出的位移量。
➢常见的弹性元件位移输出和压力信号的关系如表3-2-2所示。
3.2.2 弹性元件在压力测量中的应用
1、弹簧管压力表原理
被测压力由接头9引入，迫使弹簧管 1的自由端B向右上方扩张移动。自由端 B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3 做逆时针偏转，于是指针5通过同轴的 中心齿轮4带动而做顺时针偏转，从而 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p 的数值。由于自由端的位移与被测压力 之间具有比例关系，因此弹簧管压力表 的刻度标尺是线性的。
片和半导体硅杯，以这类传感器的工作原理是应变效
应，即金属或半导体材料的电阻，在受到外力作用产
微小形变的同时，其电阻值
也会发生变化，以金属应变
片或硅杯作为传感元件制造
的压力计分别称为应变式压
力计和压阻式压力计。
应变式压力传感器
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
金属导体的应变效应
金属导体的电阻可以表示为：
2020/8/15
原理图
11
讨论
1. 弹簧管压力表的量程与哪些因素有关？ 弹簧管初始几何形状（角度、截面）、
刚度（材料、壁厚）
2. 当弹簧管刚度、几何形状确定，量程应如何调整？ 改变放大机构的放大倍数。
调整拉杆与扇形齿轮连接点（调整螺钉） 3.具有均匀壁厚的圆形弹簧管能否作为测压元件？
不能
2020/8/15
因为圆截面的电阻丝A=πD2/4，故可以 得出
dA 2dD AD
式中 D —— 电阻丝直径。
又根据材料力学可知： d D d L
D
L
式中μ — 材料的泊松系数 dL／L—金属电阻丝的轴向应变 。
电阻的相对变化量
d R (1 2) d L d
R
L
忽略电阻率变化影响 d R (1 2) d (1 2) K
压力定义
工程上的压力定义是垂直而均匀地作用于单位面积上 的力。 相当于物理上的压强定义。
压力的单位
压 力 的 国 际 标 准 单 位 为 Pa( 帕 斯 卡 ) ， 1Pa 的 定 义 是 在 1m2的面积上有1N（牛顿）的作用力。但是该单位表示的力 较 小 ， 因 此 ， 工 程 上 更 多 的 是 使 用 kPa( 千 帕 斯 卡 / 千 帕 ) 或 MPa（兆帕斯卡/兆帕）作为压力表示单位。
游丝7是用来克服扇形齿轮和中心 齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变 调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放 大 倍 数 ) ， 可 以 实 现 压 力 表 量 程 的 调 整 。实物示例
2、弹簧管压力表结构
（1）弹簧管 扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固 定 ，另一端为自由端, 弧度为270°。 （2） 齿轮、杠杆传动机构 （3） 游丝：克服齿轮间的间隙, 减少 变差(说明变差产生原因)。 （4） 指针、表盘：显示
3.2.1 弹性元件
弹性元件的测量原理
当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件受到其轴向外 力的作用，产生弹性形变，形成拉伸或压缩的位移信号， 在弹性形变的范围内，其受力和形变的关系可表示为：
F CX
式中F —— 轴向外力 X —— 弹性元件的位移 C —— 弹性元件的刚度系数 根据弹性元件的形变大小，可以确定被测压力的大小。
R
3.3.1 应变效应和压阻效应的原理
半导体的压阻效应
半导体材料受力后的电阻变化同样可以表示为
dR d dLdA R LA
对于半导体材料而言，因为半导体材料几何尺寸对电阻的变化率影响 很小，故上式的后两项可以忽略不计，也就是说，半导体电阻的变化率主