1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 2内容提要内容提要n 概述概述n测量过程与测量误差测量过程与测量误差n仪表的性能指标仪表的性能指标n工业仪表的分类工业仪表的分类n 压力检测及仪表压力检测及仪表n压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表n弹性式压力计弹性式压力计n电气式压力计电气式压力计n智能型压力变送器智能型压力变送器n压力计的选用及安装压力计的选用及安装3内容提要内容提要n 流量检测及仪表流量检测及仪表n概述概述n差压式流量计差压式流量计n转子流量计转子流量计n椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计n涡轮流量计涡轮流量计n电磁流量计电磁流量计n漩涡流量计漩涡
2、流量计n质量流量计质量流量计4内容提要内容提要n 物位检测及仪表物位检测及仪表n概述概述n差压式液位变速器差压式液位变速器n电容式物位传感器电容式物位传感器n核辐射物位计核辐射物位计n称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪n 温度检测及仪表温度检测及仪表n温度检测方法温度检测方法n热电偶温度计热电偶温度计n热电阻温度计热电阻温度计n电动温度变送器电动温度变送器5内容提要内容提要n一体化温度变送器一体化温度变送器n智能式温度变送器智能式温度变送器n测温元件的安装测温元件的安装n 现代检测技术与传感器的发展现代检测技术与传感器的发展n软测量技术的发展软测量技术的发展n现代传感器技术的发展现代传感器技术的
3、发展6第一节第一节 概述概述 用来检测压力用来检测压力, ,流量流量, ,物位及温度等参数的技物位及温度等参数的技术工具称为术工具称为检测仪表检测仪表。 用来将这些参数转换为一定的便于传送的用来将这些参数转换为一定的便于传送的（电或气）信号的仪表通常称为（电或气）信号的仪表通常称为传感器传感器。 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为准信号时，通常称为变送器变送器。7第一节第一节 概述概述n 一、测量过程与测量误差一、测量过程与测量误差 测量过程测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程
4、，而测量仪表就是实现测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。这种比较的工具。 测量误差测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。和相对误差。 8第一节第一节 概述概述tixx 绝对误差绝对误差0 xx000 xxxxyxi i：仪表指示值：仪表指示值, , xt：被测量的真值：被测量的真值由于真值无法得到由于真值无法得到 x：被校表的读数值，：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值：标准表的读数值 相对误差相对误差9第一节第一节 概述概述n 二、仪表的
5、性能指标二、仪表的性能指标%100max测量范围下限值测量范围上限值1. 1. 精确度（简称精度）精确度（简称精度）说明：仪表的测量误差可以用绝对误差说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，来表示。但是，仪表仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的。因此，常说的“绝对绝对误差误差”指的是绝对误差中的最大值指的是绝对误差中的最大值max。 两大影响因素两大影响因素绝对误差和仪表的测量范围绝对误差和仪表的测量范围相对百分误差相对百分误差10第一节第一节 概述概述 仪表的仪表的允允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的越大，表示它的精确度越低；反
6、之，仪表的允允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉分误差去掉“”号及号及“”号，便可以用来确定仪表的号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有精确度等级。目前常用的精确度等级有0.0050.005，0.020.02，0.050.05，0.10.1，0.20.2，0.40.4，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，4.04.0等。等。允许误差允许误差%100测量范围下限值测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允 根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大根据仪表的使用要求，规定一个在正常情
7、况下允许的最大误差，称为允许误差。误差，称为允许误差。11第一节第一节 概述概述%8 . 0%1002007004举例例例1某台测温仪表的测温范围为某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时，校验该表时得到的最大绝对误差为得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的精度等级。，试确定该仪表的精度等级。 解解 该仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的如果将该仪表的去掉去掉“”号与号与“”号，其数值为号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差级仪表，同时，该仪表的误差超过了超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度级
8、仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为等级为1.0级。级。 12第一节第一节 概述概述%7 . 0%100010007允例例2某台测温仪表的测温范围为1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为 如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号，其数值介于0.51.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为1.0，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。13例例3：某被测温度信号在某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测范围内变化，工艺要求测量误差不超过
9、量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级，现有两台温度测量仪表，精度等级均为均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一，另一台仪表的测量范围是台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。足上述测量要求。 解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：| |maxmax| |70701 10.70.7 测量范围为测量范围为0 0100100的仪表的最大允许绝对误差为：的仪表的最大允许绝对误差为：| |maxmax| |1 11001000.50.50.50.5 测量
10、范围为测量范围为0 0200200的仪表的最大允许绝对误差为：的仪表的最大允许绝对误差为：| |maxmax| |2 22002000.50.51.01.0 根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.50.5级，级，但只有测量范围是但只有测量范围是0 0100100的温度测量仪表才满足本题的的温度测量仪表才满足本题的测量要求。测量要求。 14第一节第一节 概述概述仪表的精度等级仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表
11、，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例举例1.51.0如：15第一节第一节 概述概述 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精
12、度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。许的最大相对百分误差。 小结小结16第一节第一节 概述概述%100测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差2.2.变差变差 变差变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。得到的两条特性曲线
13、之间的最大偏差。 图3-1 测量仪表的变差必须注意必须注意：仪表的变差不能超出仪表仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则，应及时检修。的允许误差，否则，应及时检修。173.3.灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限 仪表的灵敏度仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即起这个位移的被测参数变化量的比值。即xS 式中，式中，S S为仪表的灵敏度；为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角为指针的线位移或角位移；位移；x x为引起为引起所需的被测参数变化量。所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参是指
14、能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。许绝对误差的一半。 注意：注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。往往用分辨力表示。 18第一节第一节 概述概述4.4.分辨力分辨力 对于数字式仪表，对于数字式仪表，分辨力分辨力是指数字显示器的是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。 不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称
15、为该表的分辨力称为该表的最高分辨力最高分辨力，也叫，也叫灵敏度灵敏度。通常以。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。如，某表最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。如，某表最低量程是最低量程是0 01.0000V1.0000V，五位数字显示，末位一个数，五位数字显示，末位一个数字的等效电压为字的等效电压为1010VV（.00001V.00001V）当数字仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便当数字仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关。如一是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关。如一台仪表的有效数字位数为三位，其分辨率便为千分之台仪表的有效数字
16、位数为三位，其分辨率便为千分之一。（一。（.001.001）19第一节第一节 概述概述%100max仪表量程ff5.5.线性度线性度 线性度线性度是表征线性是表征线性刻度仪表刻度仪表的输的输出量与输入量的实际校准曲线与理论出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。仪表的输出与输入之间呈线性关系。 图3-2 线性度示意图 式中式中，f为线性度（又称非线性误差）；为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。
17、 206.6.反应时间反应时间 反应时间反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。 如果仪表尚未显示出被测值时，参数就变化了，则仪表就始终指示不出参数的瞬时值。故仪表反应时间的长短反映了仪表动态特性的好坏。 仪表的反应时间有不同的表示方法 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。
18、逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号由开始变化到新仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的稳态值的63.263.2（9595）所用的时间，可用来表示反应时）所用的时间，可用来表示反应时间。间。 21第一节第一节 概述概述n 三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类1. 按仪表使用的能源分类按仪表使用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表气动仪表、电动仪表、液动仪表 以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动在电动仪表可以做到防火、防爆，更有
19、利于电动仪表的安全使用。仪表的安全使用。 一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。放射性等环境影响。 优点优点缺点缺点22第一节第一节 概述概述2. 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表检测仪表 作用是获取信息，并进行适当的转换。作用是获取信息，并进行适当的转换。 显示仪表显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。 集中控制装置集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表控制仪表 可以根据需要对
20、输入信号进行各种运算。可以根据需要对输入信号进行各种运算。 执行器执行器 可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。作员的指令，对生产过程进行操作或控制。 23第一节第一节 概述概述图3-3 各类仪表的作用上述各种仪表在信息传递过程中的关系如下：上述各种仪表在信息传递过程中的关系如下：24第一节第一节 概述概述3. 3. 按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 基地式仪表基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这
21、种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。上限制了基地式仪表的应用范围。 分为基地式仪表和单元组合仪表分为基地式仪表和单元组合仪表 25第一节第一节 概述概述 化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。仪表。注意注意 单元组合仪表
22、单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。适用性和灵活性都很好。 26第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表n 一、压力单位及测量仪表一、压力单位及测量仪表表示受力面积
23、。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp 是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。的单位为帕斯卡，简称帕（的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）211mNPa PaMPa61011 为了使大家了解国际单位制中的压力单位（为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。之间的换算关系表。 27压力单位压力单位帕帕/Pa兆帕兆帕/ MPa工程大气压工程大气压/ (kgf/cm2)物理大气压物理大气压/ atm汞柱汞柱/ mmHg水柱水柱/ mH2O（磅（磅/英寸英
24、寸2）/ （1b/in2）巴巴/bar帕帕111010- -6 61.01971010- -5 59.8691010-6-67.5011010-3-31.01971010-4-41.4501 10 0-4-411010-5-5兆帕兆帕110106 61 110.1979.8697.50110103 31.019710102 21.4501 10 02 210工程大气工程大气压压9.80710104 49.8071 10 0-2-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气物理大气压压1.01331 10 05 50.101331.0332176010.3314.701.0
25、133汞柱汞柱1.33321 10 02 21.33321010-4-41.35951010- -3 31.31581010- -3 310.01361.9341 10 0-2-21.33321010-3-3水柱水柱9.80610103 39.8061 10 0-3-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅（磅/英英寸寸2）6.89510103 36.8951 10 0-3-30.070310.0680551.710.703110.06895巴巴110105 50.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1 各种压力单位换算表28大气压力绝
26、对压力表压pppp表P真P绝P绝大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。般用负压或真空度来表示。图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系29pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa0appp0happp第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表30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
27、敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)(1)液柱式压力检测液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃一般采用充有水或水银等液体的玻璃U U形形管或单管进行测量。管或单管进行测量。(2)(2)弹性式压力检测弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)(3)电气式压力检测电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电
28、量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。(4)(4)活塞式压力检测活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。来进行测量。 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到可以小到0.050.050.020.02，它普遍被用作标准仪，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。器对压力检测仪表进行检定。 第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表31 液柱式压力检测是以液体静力学原理为液
29、柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用用U U型管进行测量，常用于较低压力、负型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。压或压力差的检测。 p1 p2p1 p2h(a)(b)21pppgh 特点：直观、可靠、准确度较高等，但特点：直观、可靠、准确度较高等，但U U形管只能测量较低的形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，压力或差压，为了便于读数，U U形管一般是用玻璃做成，易破损，形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。另外它只能进行现场指示。 用用U U形管进行压力检测，其误差来源主要有：形管进
30、行压力检测，其误差来源主要有：温度误差温度误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。由使用环境温度的变化引起的测量误差。 它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U U形管材料的温形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从1010变变到到2020时，其密度从时，其密度从999.8kg/m999.8kg/m3 3减小到减小到998.3kg/m998.3kg/m3 3，相对变化量为，相对变化量为0.150.15。安装误差安装误差当当U U形管安装不垂直时将
31、会产生安装误差。例如形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜若倾斜5 5，读数误差约读数误差约0.380.38。 第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表32n 二、弹性式压力计二、弹性式压力计 是利用各种形式的弹性元件，是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。精度等优点。 可用来测量几
32、百帕到数千兆帕范围内的压可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。力。 33第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。同时，所用的弹性元件也不一样。 图3-5 弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件34第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 35第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 36第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 37 使用的测压元件使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈
33、弹簧单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。管压力表。 用途用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。力表、禁油的氧气压力表等。 1弹簧管；弹簧管；2 拉杆；拉杆；3 扇形扇形齿轮；齿轮；4 中心齿轮；中心齿轮；5 指针；指针；6 面板；面板；7 游丝；游丝；8 调整螺调整螺丝；丝；9 接头接头38 单圈弹簧管是一根弯成单圈弹簧管是一根弯成270270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端管子的自由端B B封闭，另一端固定封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力在接头上。当通入被测的压力p p后，后，由于椭圆
34、形截面在压力由于椭圆形截面在压力p p的作用下，的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。管也随之产生扩张变形。同时同时，使，使弹簧管的自由端弹簧管的自由端B B产生位移。输入产生位移。输入压力压力p p越大，产生的变形也越大。越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端由于输入压力与弹簧管自由端B B的的位移成正比，所以只要测得位移成正比，所以只要测得B B点的点的位移量，就能反映压力位移量，就能反映压力p p的大小。的大小。 39：弹簧管自由端：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机
35、构才能指示出来。示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。其过程如下：弹簧管自由端其过程如下：弹簧管自由端B B的位移通过拉的位移通过拉杆杆2 2 使扇形齿轮使扇形齿轮3 3做逆时针偏转，于是指做逆时针偏转，于是指针针5 5通过同轴的中心齿轮通过同轴的中心齿轮4 4的带动而作顺的带动而作顺时针偏转，在面板时针偏转，在面板6 6的刻度标尺上显示出的刻度标尺上显示出被测压力被测压力P P的数值。由于弹簧的自由端的的数值。由于弹簧的自由端的位移与被测压力之间具有正比关系，因位移与被测压力之间具有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。游丝游丝7 7是用来克服
36、扇形齿轮和中心齿轮间是用来克服扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变的传动间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉调整螺钉8 8的位置，就改变了机械传动的位置，就改变了机械传动的放大系数，从而实现了压力表量程的放大系数，从而实现了压力表量程的调整。的调整。40第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 在化工生产过程中，常需要把压力控制在在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普时就应
37、采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。现压力的自动控制。 41第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表图3-7 电接点信号压力表1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯 压力表指针上有动触点压力表指针上有动触点2 2，表，表盘上另有两根可调节指针，上面盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点分别有静触点1 1和和4 4。当
38、压力超过。当压力超过上限给定数值时，上限给定数值时，2 2和和4 4接触，红接触，红色信号灯色信号灯5 5的电路被接通，红灯发的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，亮。若压力低到下限给定数值时，2 2与与1 1接触，接通了绿色信号灯接触，接通了绿色信号灯3 3的的电路。电路。1 1、4 4的位置可根据需要灵的位置可根据需要灵活调节。活调节。 42第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表n 三、电气式压力计三、电气式压力计电气式压力计电气式压力计是一种能将压力转换成电信是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。号进行传输及显示的仪表。 1. 该仪表的该仪表的，分别可测，分别可
39、测710-5Pa至至5102MPa的压力，允许误差可至的压力，允许误差可至0.2； 2. 由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。控制机联用。 43第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表图3-8 电气式压力计组成方框图 一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。 压力传感器的作用是把压力信
40、号检测出来，并转换成电信号进行输压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号标准信号时，压力传感器又时，压力传感器又称为压力变送器。称为压力变送器。44第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 图3-9 霍尔效应霍尔片为一半导体材料制成的薄片。霍尔片为一半导体材料制成的薄片。在霍尔片的在霍尔片的Z Z轴方向加一磁感应强轴方向加一磁感应强度为度为B B的恒定磁场，在的恒定磁场，在Y Y轴方向加一轴方向加一外电场（接入直流稳压电源），便外电场（接入直流稳压电源），便有恒定电流沿有恒定电流沿Y Y轴方向通
41、过。电子轴方向通过。电子逆电流方向运动，由于受电磁力的逆电流方向运动，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个断面上正电荷过剩，子积累，另一个断面上正电荷过剩，于是在霍尔片的于是在霍尔片的X X轴方向上出现电轴方向上出现电位差，称位差，称霍尔电势霍尔电势。这一现象称为。这一现象称为霍尔效应霍尔效应。霍尔效应：霍尔效应：45第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 霍尔电势霍尔电势表示为表示为 BIRUHH 式中，式中，UH为霍尔电势；为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、为霍尔常数
42、，与霍尔片材料、几何形状有关；几何形状有关；B为磁感应强度；为磁感应强度；I为控制电流的大小。为控制电流的大小。 霍尔电势与磁感应强度霍尔电势与磁感应强度B B和电流和电流I I成正比。提高成正比。提高B和和I值可增值可增大霍尔电势大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般，但两者都有一定限度，一般I为为3 320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。约为几十毫伏数量级。 导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。霍尔电势小得多。 46第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表
43、 将霍尔元件与弹簧管配合，将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图感器，如图3-103-10所示所示。 图3-10 霍尔片式压力传感器1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片 当被测压力引入后，在被测当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。尔电势与被测压力成比例。 利用这一电势即可实现远利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。距离显示和自动控制。 是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔
44、元是根据霍尔效应制成的，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。现压力的测量。 47第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 应变片式压力传感器应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩当应变片产生压缩（拉伸）（拉伸）应变时，其阻值减小应变时，其阻值减小（增加）（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或再通过桥式电路获得相应
45、的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。 图3-11 应变片压力传感器示意图1应变筒；2 外 壳 ；3密封膜片48第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 应变桶应变桶1 1的上端与外壳的上端与外壳2 2固定在一起，下端与不锈钢密封固定在一起，下端与不锈钢密封膜片膜片3 3紧密接触，两片康铜丝应变片紧密接触，两片康铜丝应变片r1,r2r1,r2粘贴在应变桶的外粘贴在应变桶的外壁。壁。R1R1沿轴向贴，沿轴向贴，r2r2沿径向贴。当被测压力沿径向贴。当被测压力p p作用于膜片是应作用于膜片是应变桶做轴
46、向受压变形时，变桶做轴向受压变形时，r1r1产生压缩应变产生压缩应变11，阻值变小；，阻值变小； r2r2产生拉伸应变产生拉伸应变22，阻值变大。桥路失去平衡，产生不平衡，阻值变大。桥路失去平衡，产生不平衡电压电压U U作为传感器的输出信号。作为传感器的输出信号。1应变筒；2外壳；3密封膜片r3,r4为固定电阻49第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 在桥路供给直流稳压电源最大为在桥路供给直流稳压电源最大为10V10V时，可得到最大时，可得到最大U为为5mV的输出。传感器的被测压力可达的输出。传感器的被测压力可达25MPa。由于传感器。由于传感器的固有频率在的固有频率在25000Hz以上
47、，故有较好的动态性能，适用于以上，故有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。快速变化的压力测量。1应变筒；2外壳；3密封膜片r3,r4为固定电阻50第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 利用单晶硅的压阻效应而构成。利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散当压力发生变化时，单晶硅产生
48、应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。桥式电路获得相应的电压输出信号。 51第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表图3-12 压阻式压力传感器1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻 精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单； 便于实现显示数字化； 可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。 52第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 力矩平衡式压力变送器（力矩平衡式压力变送器（膜盒式差压变送器膜盒式差压变送器）是一种
49、典是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为度（一般为0.50.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。等一系列优点。 构成构成 工作原理：力矩平衡工作原理：力矩平衡 检测元件检测元件膜盒或膜片膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构 53检测检测部分部分: P 输入力输入力Fi 杠杆系统杠杆系统: 力的传递和力矩比较
50、，生成位移信号力的传递和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器位移检测放大器: 位移位移 输出输出Io电磁反馈装置电磁反馈装置: : 输出输出反馈力反馈力FfRETURN54 作用：作用：把被测差压把被测差压PP 转换成转换成 作用于主杠杆下端的输入力作用于主杠杆下端的输入力F Fi i A1= A2= A Fi= A(P1 -P2) = AP Fi= A1P1 -A2P2因因: : 故故: :p1p2负压室正压室轴封膜片主杠杆55 进行力的传递和力矩比较进行力的传递和力矩比较 主杠杆主杠杆将将Fi转换为转换为F1 矢量机构矢量机构 将将F1转换为转换为F2 副杠杆副杠杆将将F2产生的力矩与产
