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1、化工仪表及自动化,第三章,检测仪表及传感器,17:37:03,昆明理工大学,知识结构,第5章 自动控制仪表,第6章 执行器,第2章 过程特性,第3章 检测仪表与传感器,第4章 显示仪表,第1章自动控制系统基本概念,第7章 简单控制系统,第8章 复杂控制系统,第9章 新型控制系统,第10章 计算机控制系统,17:37:03,昆明理工大学,压力检测方法及仪表,本章内容,物位检测方法及仪表,流量检测方法及仪表,温度检测方法及仪表,数字式显示记录仪表,17:37:03,昆明理工大学,第二节 压力检测方法及仪表,第三章 检测仪表与传感器,17:37:03,昆明理工大学,压力检测方法,液柱测压法弹性变形法
2、电测压力法,压力检测仪表,弹簧管压力表霍尔式压力表差压（压力）变送器,力平衡式压力变送器微位移式变送器智能差压（压力）变送器,主要内容,17:37:03,昆明理工大学,压力的基本概念,垂直而均匀地作用在单位面积上的力,式中压力（Pa）均匀垂直作用力（N）受力面积（m2）,1Pa=1*10-3KPa=1*10-6MPa,单位:牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”,17:37:03,昆明理工大学,压力的几种表示形式,被测压力通常可表示为绝对压力、表压、负压（或真空度）,17:37:03,昆明理工大学,液柱测压法,根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量,常用的压力表有U形
3、管压力表、单管压力表、斜管压力表和活塞式压力表等。,测量原理,17:37:03,昆明理工大学,弹性变形法,将被测压力转换成弹性元件变形的位移,测量原理,17:37:03,昆明理工大学,当弹性元件在轴向受到外力作用 时，就会产生拉伸或压缩位移，即,式中 F轴向外力 S位移 C弹性元件的刚度系数,式中 A弹性元件承受压力的有效面积 P被测压力,测量原理,17:37:03,昆明理工大学,弹性元件结构和特点,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性元件弹性形变I/O广义的力广义的位移常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17
4、:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件220V供电动态性能,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,常用的弹性敏感元件,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特
5、性,弹性敏感元件的一般特性柔度（灵敏度）刚度刚度与测量,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性弹性滞后迟滞 迟滞误差,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性弹性后效,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性弹性后效,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性弹性后效与蠕变,17:37:03,昆明理工大学,弹性敏感元件的一般特性,弹性敏感元件的一般特性弹性材料的机械
6、品质因素,17:37:03,昆明理工大学,弹簧管压力表,17:37:03,昆明理工大学,电测压力法,利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。,测量原理,1.弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等；,2.非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。,17:37:03,昆明理工大学,电测压力法,电容式测压原理,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现
7、压力-电容转换的,测量原理,17:37:03,昆明理工大学,电容式压力传感器,典型的电容式压力传感器硅微机械电容式压力传感器（MEMS）,17:37:03,昆明理工大学,典型电容式压力传感器,-基于圆膜片的位移特性,17:37:03,昆明理工大学,电容式压力传感器原理,17:37:03,昆明理工大学,电容式压力传感器设计,圆平膜片几何结构参数的设计圆平膜片的半径与厚度圆平膜片的边界隔离部分固定极板的设计输出电路,17:37:03,昆明理工大学,电容式压力传感器输出电路,差动电桥的实现非线性特性的影响,17:37:03,昆明理工大学,硅微机械电容式压力传感器(MEMS),敏感结构与工作原理,-基
8、于方膜片的位移特性,17:37:03,昆明理工大学,方膜片的位移特性,17:37:03,昆明理工大学,方膜片的位移特性(上表面),17:37:03,昆明理工大学,电测压力法,压电式测压原理,根据“压电效应”把被测压力变换为电信号的。,（a）单晶体,（b）剖面图,（c）X截割的石英片,17:37:03,昆明理工大学,电测压力法,应变片式测压原理,1敏感栅 2基片 3粘合剂 4引线 5覆盖片,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝基 底 绝缘覆盖层 保护,组成,17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,霍尔式压力表,霍尔式压力表属于电气式压力表。测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材
9、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：是一种半导体或化合物半导体转换元件。霍尔效应：把一块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，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差VH，此电位差称为霍尔电势。,线性非均匀磁场,17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,霍尔式压力表,弹簧管,霍尔片,K霍尔式压力传感器输出系数 自由端霍尔元件的位移量,磁钢,霍尔片+弹簧管,17:37:03,昆明理工大学,电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）,差压（压力）变送器,作用：将各种物理量转换成统一的标准信号,差压变送
10、器 力平衡式变送器,位移平衡式变送器,气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）,DDZ-型仪表为010mADC,DDZ-型仪表为420mADC,20100KPa,17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,力平衡式压力变送器,1低压室 2高压室 3测量元件（膜盒、膜片）4轴封膜片 5主杠杆 6过载保护片 7静压调整螺钉 8矢量机构 9零点迁移弹簧 10平衡锤 11量程调整螺钉 12检测片（衔铁）13差动变压器 14副杠杆 15放大器 16反馈动圈 17永久磁钢 18电源 19负载 20调零弹簧,17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,主杠杆,矢量机构将F1分解成F2和F3，,副杠杆平衡：,
11、17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,微位移式变送器,I0,（1）测量部分,测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等.测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化。,填充液（硅油）,17:37:03,昆明理工大学,压力检测仪表,智能差压（压力）变送器,在普通压力传感器上增加微处理器,其特点：具有远程通讯的功能 依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定变送器各种参数 使用维护方便 长期稳定工作，每5年才需校检一次。,以3051C 为例：组成：传感膜头：被测压力-A/D转换-数字信号 电子线路板：对信号进行修正，线性化处理-D/A转换-420mA信号,17:37:03,昆明理工大学,A/
12、D转换器,温度传感器,电容传感器,传感膜头内存 修正系数 膜头信号,微处理器传感器线性化重设量程诊断工程单位通信,电子板内存量程值变送器组态信息,D/A转换,数字通信,本机量程和零点调整,手操器,传感膜头,电子线路板,420mA,3051C型智能变送器原理图,17:37:03,昆明理工大学,压力测量仪表的选用,仪表种类和型号的选择 工艺要求 现场指示、远传指示、自动记录、自动调节或信号报警 介质性质 温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性 现场环境 温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性,仪表量程的确定 化工自控设计技术规定 被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；被测压力波动较大的情
13、况，最大压力值应不超过满量程的1/2 被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3,仪表精度等级的选择,17:37:03,昆明理工大学,有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为13.516 MPa，工艺要求最大测量误差为0.8 MPa，并可就地观察及高低限报警。试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等级）。,例题,解,空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力,根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0 40 MPa。,检验量程下限,被测压力的最小值不低于满量程的1/3，符合要求。,仪表量程选择,最大引用误差,所以选择测量范围为0 40 Mpa，精度等级为1.5级的
14、YX-150型电接点压力表。,17:37:03,昆明理工大学,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器如图所示，其中定板1和动板2当动板2移动，改变间距，从而改变了电容量C,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器当变化一个,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器结论：上述表明:
15、在非线性误差灵敏度：,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器结论：灵敏度：显然 越小，灵敏度越高。但是非线性误差 会增大；存在矛盾。（2）双极板式平行板电容器为了克服上述灵敏度K和非线性误差 之间的矛盾，可采用差动式结构的电容器，如图所示,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极板式平行板电容器两块定板和中间一块动板组成差动结构。初始：动板在中间位置。则当动板上移 后，增加一个，减少一个,17:3
16、7:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器则那么差动输出，,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器忽略高次项，整理得到结论：上述得到差动式电容器灵敏度是原来的2倍关系，提高了1倍。非线性误差,17:37:03,昆明理工大学,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,4.1.2、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器非线性误差在数值上只减少了一个数量级。差动测量可以减少非线性误差（即系统误差）,
