《过程检测技术》PPT课件.ppt

过程装备控制技术及应用,第三章 过程检测技术（1）,内容提要,测量与误差的基本知识测量过程与测量误差仪表的性能指标工业仪表的分类传感器概述传感器基本概念及组成传感器分类传感器特性及标定新型传感器介绍传感器的选用现代传感器技术的发展压力测量压力单位及测压仪表弹性式压力计电气式压力计智能型压力变送器压力计的选用及安装,内容提要,温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器测温元件的安装,内容提要,流量检测及仪表概述差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计漩涡流量计质量流量计物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪,3.1 测量与误差的基本知识,过程参数检测的重要性：准确及时地检测出生产过程中各种有关参数是实现自动控制的一个基本环节，是实现自动控制的前提。常见被测参数：温度、压力、流量、物位、组分、物性等几个概念：检测仪表用来检测上述这些参数的技术工具称之。传感器用来将上述参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称。变送器当传感器的输出为规定的标准信号时，通常称之。,3.1 测量与误差的基本知识,3.1.1 测量的基本概念3.1.1.1 测量定义测量是人类对自然界的客观事物取得数量概念的一种认识过程。在这一过程中，借助于专门的设备，通过实验方法，求出被测未知量的数值。即测量就是为取得任一未知参数而做的全部工作。3.1.1.2 测量方法测量方法是指实现被测量与单位进行比较并取得比值所采用的方法。测量原理是指仪器、仪表工作所依据的物理、化学等具体效应。根据分类依据的不同，测量方法主要有以下几种分类方法。,3.1.1 测量的基本概念,(1)直接测量与间接测量直接测量法将被测量与被测量的单位直接比较，立即得到比值，或者仪表能直接显示出被测量数值的测量方法称之。例如，用米尺测物体长度、用水银温度计测温度等。特点：可以直接得出测量结果，测量过程简单、迅速；缺点是测量精度不容易达到很高。工程技术中应用最广的一种方法。间接测量法 先测出一个或几个与被测量有一定函数关系的其他量，然后计算出被测量的数值，这种方法称之。,3.1.1 测量的基本概念,（2）等精度测量与不等精度测量根据测量条件的不同，测量方法可以分为等精度测量法和不等精度测量法。等精度测量法 在测量过程中，使影响测量误差的各因素保持不变，对同一被测量值进行次数相同的重复测量，这种测量方法称为等精度测量法。等精度测量所获得的测量结果，其可靠程度是相同的。通常工程技术中采用不等精度测量法 在测量过程中，测量环境条件有部分不相同或全部不相同，所得测量结果的可靠程度不同，这种方法称为不等精度测量法。通常在科学研究及重要的精密测量或检定工作中采用。为了获得更可靠和精确度更高的测量结果,3.1.1 测量的基本概念,(3)接触测量与非接触测量接触测量：仪表的某一部分(一般为传感器部分)必须接触被测对象(被测介质)。非接触测量：仪表的任何部分均不与被测对象接触。过程检测多数采用接触测量法。(4)静态测量与动态测量按照被测量在测量过程中的状态不同，测量可分为静态测量与动态测量静态测量：在测量过程中，被测参数恒定不变。动态测量：被测参数随时间变化而变。动态测量的分析与处理比静态测量复杂得多。过程检测中的被测参数严格讲均属动态测量。可近似成静态测量对待。,3.1.1 测量的基本概念,3.1.1.3 测量仪器与设备组成:传感器、变送器、显示器几个环节，如图3-1所示。(1)感受件(传感器)传感器（敏感元件、一次仪表等）作用：感受被测量的变化，直接从对象中提取被测量的信息，并转换成相应的输出信号。传感器是检测仪表的重要部件，有如下要求。准确性 传感器的输出信号必须及时准确地反映被测量的变化。单值函数关系；最好是线性关系。稳定性 函数关系不随时间和温度而变化，受其他因素的影响小，能准确地复现。,3.1.1 测量的基本概念,灵敏性：较小的输入量便可得到较大的输出信号。其他：经济性、耐腐蚀、低能耗等。(2)中间件(变送器或变换器)变送器是检测仪表中的中间环节，它的作用是将传感器的输出信号进行变换，实现放大、远距离传送、线性化处理或转变成规定的统一信号，供给显示器等。对变迭器的要求是：能正确稳定地传输、放大和转换信号，且受外界其他因素的干扰影响小，变换信号的误差小。,3.1.1 测量的基本概念,(3)显示件(显示器)作用：显示被测量数值的大小。它可以是瞬时量的显示、累积量的显示、越限报警等，也可以是相应的记录显示。通常称为二次仪表。显示方式有三种类型：指示式(模拟式显示)、数字式和屏幕式(图像显示式)。,3.1.2 测量误差的基本概念,分析测量误差的目的，是根据测量误差的规律性，找出消除或减少误差的方法，科学地表达测量结果，合理地设计测量系统。3.2.1.1 测量误差及分类测量过程是将被测变量与其的标准量进行比较的过程。测量误差：测量值与其真值之差。任何测量过程都不可避免地存在误差，其真值是未知的。静态误差：当被测变量不随时间变化时，其测量误差称之。动态误差：当被测变量随时间而变化时，在测量过程中所产生的附加误差称之。一般在未加特别说明的情况下，测量误差指静态误差。,3.2.1.1 测量误差及分类,分类：按其性质可分为 系统误差、随机误差、粗大误差(1)系统误差定义：在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的、绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化的误差。产生原因：测量工具不准确或安装调整不正确；测试人员的分辨能力或固有的读数习惯；测量方法的理论依据有缺陷或采用了近似公式，等处理方法：,3.2.1.1 测量误差及分类,(2)随机误差（偶然误差）定义：在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的、绝对值和符号都以不可预计的方式变化的误差。产生原因：大多是由测量过程中大量彼此独立的微小因素，即随机因素，对被测值的综合影响产生的。这些因素通常是测量者所不知道的，或者因其变化过分微小而无法加以严格控制的。处理方法：随机误差服从统计规律，可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。,3.2.1.1 测量误差及分类,(3)粗大误差（疏失误差）定义：明显地歪曲测量结果的误差称为粗大误差。产生原因：测量者的粗心(如读错、记错、算错数据等)，操作不正确；实验条件不正确坏值：含有粗大误差的测量值称为异常值或坏值。处理方法：所有的坏值均应从测量结果中剔除。注意：测量数列中包含坏值，不可能得到真实测量结果。把正常测量数据当坏值删除，会对测量结果造成歪曲。只有利用相关理论，经过正确的分析判断，才能确认那些属于坏值。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,坏值判断方法：统计判别法。基本思路：规定一个置信概率和相应的置信系数，即置信区间，误差超过此区间的测量值，都属于坏值。统计判别法准则很多，根据理论上的严密性和使用上的简便性，介绍以下几个准则。在准则中，表示标准差，用贝塞尔(Bessel)公式求得。即：式中：n-测量次数；xi-第i个测量值；-xi的算术平均值；vi-xi的剩余误差。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,(1)拉依达准则(3准则)对某一测量值xk(1kn)的剩余误差Vk，如果：则该测量值存在粗大误差。按上述准则剔除坏值xk后，应重新计算剔除坏值后的标准误差。，再按准则判断，直至余下的值无坏值存在。3准则是建立在无限次测量的基础上的，当进行有限次测量时，该方法并不可靠。特点：简单，可用作粗大误差的近似判断。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,(2)肖维奈(Chauvenet)准则在一系列等精度测量数据 中，若：则：xb可判别为可疑值或坏值剔除。式中，Vb为测量值xb(1bn)的剩余误差，kc：判别系数(表3-1)表3-1 肖维奈准则的判别系数表,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,(3)格拉布斯(Grubbs)准则准则规定：凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差，都属于粗大误差，相应的测量值是坏值，应予剔除。即：式中，g(n,a)-格拉布斯准则鉴别值；g(n,a)-格拉布斯准则判别系数，与测量次数n及粗大误差误判概率a有关。见表3-2。特点：该准则根据正态分布理论提出，理论推导严密，使用比较方便。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,应用：格拉布斯判别方法可用于有限测量次数时的粗大误差判定，是目前应用较广泛的粗大误,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,例3-1 应用以上介绍的三种粗大误差判别方法，分别对下列测量数据进行判别，若有坏点，则舍去。测量数据xi：38.5，37.8，39.3，38.7，38.6，37.4，39.8，38.0，41.2，38.4，39.1，38.8。解：n=12，平均值：38.8剩余误差=：-0.3，-1.0，0.5，-0.1，-0.2，-1.4，1.0，-0.8,2.4,-0.4，0.3，0.0。按贝塞尔方程计算标准差:方法一：按拉依达准则33.0VmaxV92.43 因而x9不属于粗大误差，该组数中无坏值。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,方法二：按肖维奈准则由表3-1查得，当n12时，K2.03，K2.03因：Vmax=V9=2.4K 所以，x9属于粗大误差，即该组数中的41.2为坏值，剔除。对剩余的11个数值再进行粗大误差判别。算得n=11,剩余误差Vi-0.08，-0.78，0.72，0.12，0.02，-1.18，1.22，-0.58，-0.18,0.52，0.22由表3-1可查得，当n11时，K2.00，K=1.374。vi中无一数值的绝对值K，因而剩余的11个数中无坏值。,3.2.1.2 粗大误差的检验与剔除,方法三：按格拉布斯法选a为0.05，由表3-2可得，当n12时，g(n,a)2.28，g(n,a)=2.28VmaxV92.4 g(n,a)，x9届于粗大误差，即该组数中的41.2为坏值，剔除。对剩余的11个数值再进行粗大误差判别。算得 n11，剩余误差Vi-0.08,-0.78，0.72，0.12，0.02，-1.18，1.22，-0.58，-0.18,0.52，0.22=0.687 选a为0.05，由表32可得，当n12时，g(n,a)2.23，g(n,a)=1.532,vi中无一数值的绝对值g(n,a)，剩余的11个数中无坏值。,3.1.3 仪器仪表的主要性能指标,仪表的性能指标很多，主要有技术、经济及使用三方面技术方面：误差、精度等级、灵敏度、变差、量程、响应时间、漂移等。经济方面：使用寿命、功耗、价格等对性能好的仪表，总是希望：使用寿命长、功耗低、价格便宜。,3.1.3.1 量程与精度,(1)仪表的量程测量范围：仪表在保证规定精确度的前提下所能测量的被测量的区域称为仪表的测量范围。上限、下限：仪表在保证规定精确度的前提下所能测量的被测量的最高、最低值分别称为仪表测量范围的上限和下限(简称上、下限，又称仪表的零位和满量程值)。量程：仪表的量程是指上限与下限的代数差。例如，某温度计的测量范围为-200一800，那么该表的测量上限即为800，下限为-200，而量程为1000。,3.1.3.1 量程与精度,在整个测量范围内，仪表所提供被测量信息的可靠程度并不相同，在下限值附近的测量误差较大。更合理的量程概念应规定为：在仪表工作量程内的相对误差不超过某个设定值。仪表的量程涉及仪表的精度。在介绍精度之前，需先了解误差的表示方法,测量误差的表示方法,测量误差:仪表测得的测量值 与被测真值 之差,因 在理论上是无法真正获取，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。即：,x0标准表读数,测量误差的表示形式：,绝对误差,实际相对误差,标称相对误差,相对百分误差,3.1.3.1 量程与精度,3.1.3.1 量程与精度,（2）精确度(简称精度),说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。,相对百分误差,允许误差,3.1.3.1 量程与精度,仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”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0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,小结,3.1.3.1 量程与精度,举例,某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的精度等级。,解 该仪表的相对百分误差为,如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。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等级为1.0级。,3.1.3.1 量程与精度,例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 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。,3.1.3.1 量程与精度,仪表的精度等级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，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,1.5,1.0,如：,3.1.3.1 量程与精度,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：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）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，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。,小结,3.1.3.2 静态性能指标,仪表的特性：仪表的输出与输入之间的对应关系。静态特性：处于稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系称为静态特性。动态特性：处于非稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系称为静态特性。介绍几个主要的静态持性指标。(1)灵敏度灵敏度K：输出增量y与输入增量x之比，即：K=y/x式中：K-灵敏度；y-输出变量y的增量；x-输入变量x的增量。,3.1.3.2 静态性能指标-灵敏度,对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度亦可定义为：单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量，即：式中，K：灵敏度；为指针的线位移或角位移；x：引起所需的被测参数变化量。当仪表的“输出输入”关系为线性时，其灵敏度为一常数；反之，当仪表具有非线性特性时，其灵敏度将随着输入变量的变化而攻变。灵敏限：引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。分辨力：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。,3.1.3.2 静态性能指标-线性度,(2)线性度线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。,图中a：标定曲线；b：拟合直线。,3.1.3.2 静态性能指标-迟滞误差,(3)迟滞误差（变差）迟滞误差（变差）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。,3.1.3.2 静态性能指标-漂移,(4)漂移漂移是指输入量不变时，经过一定的时间后输出量产生的变化。温漂：由于温度变化而产生的漂移称温漂。零漂：输入在零点不变时，输出量的变化称为零漂一般情况下，用变化值与满量程的比值来表示漂移。它们是衡量仪表稳定值的重要指标。漂移产生原因：仪表弹性元件的失效、电子元件的老化等(5)重复性重复性：指在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度。,3.1.3.2 静态性能指标其它,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。,仪表反应时间的长短，实际上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逐渐变化到新的稳态值。,仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。,3.2 传感器概述,传感器对被测量进行精确可靠测量和转换，是实现自动测试和自动控制的首要环节，是自动检测和自动控制的最重要的组成部分。本节介绍：传感器的基本概念及组成传感器分类传感器特性及标定新型传感器介绍传感器的选用传感器的发展方向,3.2.1 传感器的基本概念及组成,1)传惑器基本概念定义：传感器是将被测物理量转换为与之有确定对应关系的输出量的器件或装置。传感器把从被测对象中感受到的有用信息进行变换、传送。传感器的作用 将被测量（如温度、压力、流量等）转换为电量（电压、电流等）。,3.2.1 传感器的基本概念及组成,(2)传感器的组成传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的。传感器的组成形式随其用途、检测原理、方式等的不同而有差异。一般说来，敏感元件、转换元件、测量电路与其他辅助部件组成，如图34所示。,3.2.1 传感器的基本概念及组成,敏感元件：能直接感受、获取被测量并能输出与被测量有确定函数关系的其他物理量的元件。当敏感元件输出为电量时，称为一次转换型传感器，此时敏感元件和转换元件合为一体，例如，热电偶敏感元件是整个传感器的核心元件，它是每个传感器必须具有的组成部分。,3.2.1 传感器的基本概念及组成,转换元件：将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量。当敏感元件的输出是非电量时，转换元件就成为传感器不可缺少的重要组成部分。例如应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成。电阻应变片就是转换元件。,3.2.1 传感器的基本概念及组成,测量电路：把转换元件(或敏感元件)输出的电信号转换成便于测量、显示、记录、控制和处理的电信号后输出。测量电路的具体形式随转换元件的类型而定，如电桥电路，高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等。当转换元件输出的电信号较强时，可以不用测量电路。当转换元件的输出信号微弱时，测量电路中一般还包括放大器。辅助电路通常包括电源电路等。,3.2.2 传感器分类,(1)按被测物理量分可分为：温度传感器、湿度传感器、流量传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。优点：明确地表达了传感器的用途，使于选择。缺点：难以看出传感器的转换工作原理，对掌握传感器的基本原理及分析方法不利。(2)按工作原理分可分为：压电式、压阻式、热阻式等。优点：能比较清楚地说明传感器的转换原理；分类少；有利于对传感器的深入研究分析与设计。,3.2.2 传感器分类,(3)按能量的关系分类 两大类可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电能量转换为电能量，称为能量转换型传感器，或换能器。通常配有电压测量电路和放大器。如压电式、热电式、电磁式等。无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。如电阻式、电容式和电感式等。(4)按输出信号的性质分类可分为模拟式和数字式两大类。,3.2.3 传感器特性及标定,(1)传感器特性被测量的两种形式：静态信号、动态信号静态特性 传感器在被测量处于稳定状态时的输出、输入关系，一般用表格或曲线表示。通常要求静态特性是线性关系。静态特性是在静态标准条件下进行标定的。静态标准条件：没有加速度、振动和冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)；环境温度一般为室温(205)；相对湿度不大于85；大气压力(76060)133.322Pa。静态特性重要指标有：线性度、迟滞、重复性等。,3.2.3 传感器特性及标定,动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性。希望其输出量尽可能快速准确地跟随被测量的变化。在讨论动态特性时，常用的典型输入信号：两种正弦函数阶跃函数。动态特性表示方法：传递函数、频率特性（幅频特性、相频特性）。动态特性指标：主要有：响应时间、频率响应范围等,3.2.3 传感器特性及标定,响应时间：阶跃输入时，输出从它的初始值第一次(在过冲之前或无过冲)到达最终值的规定范围时所需时间。考虑振荡影响时，可定义为：当输入阶跃信号时，输出从它的初始值进入最终值的规定范围时所需时间。规定范围：最终值的90或95频率响应范围：指幅频特性曲线相对幅值变化在3dB时所对应的频率范围。,3.2.3 传感器特性及标定,(2)传感器的标定标定：用试验的方法确定传感器的性能参数的过程称之。标定就是利用某种规定的标准或标准器具对传感器进行刻度。,3.2.4 新型传感器介绍（略）,(1)光纤传感器(2)激光传感器(3)仿生传感器(4)霍尔传感器(5)气、湿敏传感器(6)数字式传感器(7)智能式传感器(8)其他新型传感器,3.2.5 传感器的选用,选择传感器时应考虑的几方面准则(1)对传感器的技术性能要求精度高；灵敏度高，线性范围宽广；响应快，滞后、漂移小；输出信号信躁比高；稳定性、重复性好；动态性能好；负载效应低；超标准过大的输入信号保护,3.2.5 传感器的选用,(2)传感器的选用原则按测量方式选 针对被测对象的工作条件、工作方式，选择不同的测量方式。如：接触与非接触测量；破坏与非破坏性测量；在线与离线测量等。按测量要求选 测量要求不同，选择的传感器不同按使用方便选 便于安装、调试和维修。按性能价格比选,3.2.6 传感器的发展方向,传感器的发展有以下几个方面。(1)采用新原理新的理论不断产生，促进了新的种类的传感器不断涌现。(2)固态化和小型化结构型传感器 发展早，已趋于成熟。特点：原理明确，受环境影响小，结构复杂、体积偏大、价格偏高。物性型（固态）传感器 包括半导体、电介质和强滋体三类。半导体传感器 灵敏度高、响应速度快，小型化。电路可以做在半导体传感器的硅片上，并实现温度、非线性补偿。如：单晶硅、多晶硅压力传感器。,3.2.6 传感器的发展方向,(3)传感器的集成化和多功能化随着半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密细微加工及组装技术等的发展，传感器从单个元件，单一功能向集成化和多功能化方向发展。集成化主要是指将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分，集成在同一芯片上。多功能化是指一块芯片具有多种参数的检测功能，即一次可测量许多信息，如半导体温度湿敏传感器和多功能气体传感器等。目前先进的固态传感器，在一块芯片上能同时集成差压、静压、温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。,3.2.6 传感器的发展方向,(4)传感器的智能化智能传感器：集成有微型计算机的传感器。将传感器功能、逻辑功能、存贮功能等集成于同一半导体芯片上，智能传感器。(5)仿生传感器的研制仿制生物体感觉器官的机理，制成相应的传感器。仿生传感器是传感器的发展方向之一。,3.3 压力测量,3.3.1 概述压力单位及测量仪表压力：均匀垂直地作用在单位面积上的力，即：压力的单位：帕斯卡，简称帕（Pa）几种单位之间的换算 见关系表,表 各种压力单位换算表,3.3.1 概述,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一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,3.3.1 概述,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,1.液柱式压力计,它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。,按其结构形式的不同,有U形管压力计、单管压力计等,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,3.3.1 压力单位及测量仪表,2.弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,3.电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。,3.3.1 压力单位及测量仪表,4.活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,优点,缺点,测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。,结构较复杂，价格较贵。,3.3.2 液柱式压力计,液柱式压力计基本原理：流体静力学定理。用一定高度的液柱去平衡被测压力，用液柱的高度表示被测压力的大小。使用范围：一般用来测量较低的压力、真空或压差。分类：种类很多，常用的有u形管压力计，单管压力计和微压计等。相关内容（Page79-Page81）自学,3.3.3 弹性式压力计,定义,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,优点,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精度等优点。,可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。,3.3.3 弹性式压力计,1.弹性元件,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。,图3-5 弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。,弹性元件特性,弹性元件的不完全弹性因素主要包括弹性滞后和弹性后效。弹性滞后 指由于弹性元件工作时分子间存在摩擦而导致的加载曲线与卸载曲线不重合的现象，如图3-13弹性后效 指弹性元件所受载荷改变后，在一定时间间隔内逐渐完成变形的现象，如图3-14。弹性滞后和弹性后效与其材料特性有关，同时产生，是造成仪表误差的主要因素。,3.3.3 弹性式压力计,弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。其工作原理,膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，应用十分广泛。精度最高可达0.15级。,是：变形的大小与所受压力成比例。,1、弹性元件,2、弹簧管和弹簧管压力表,弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270）的空心管子。,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。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。中心角改变量和所加压力有如下关系：,式中,0:中心角的初始角；:中心角的改变量；R:圆弧的外半径；h:管壁厚度；a、b:椭圆形截面的长、短半轴。,1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮4中心齿轮 5指针 6面板7游丝 8调节螺钉 9接头图3-18 弹簧管压力表,弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,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。,单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）,弹簧管压力表结构简单、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,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。,3.3.3 弹性式压力计,3.3.3 弹性式压力计,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2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,电气式压力计,电气式压力计概述,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,电气式压力计,电气式压力计组成方框图,电气式压力组成,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。,电气式压力计,几种常见的传感器或变送器：,1.霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器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，从而实现压力的测量。,霍尔效应,霍尔电势可用下式表示,式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。,电气式压力计,注意,霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH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霍尔电势小得多。,电气式压力计,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感器，如图3-10所示。,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匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。,电气式压力计,2.应变片压力传感器,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。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,应变片压力传感器示意图,1应变筒；2外壳；3密封膜片,电气式压力计,3.压阻式压力传感器,压阻式压力传感器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。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，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，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,(1)半导体的压阻效应对于长为L，截面积为A的电阻，其阻值只为：式中，-材料的电阻率对上式微分可得为材料的泊松比，可得：设K为单位纵向应变引起的电阻变化率纵向灵敏度，则：-电阻的纵向应变，=dL/L对于半导体，K约为60-170。一般说来半导体应变片的灵敏度与半导体材料、掺杂深度、应力相对于晶轴的取向等因素有关,压阻式压力传感器,电气式压力计,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,2）压阻式压力计特点,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。,3.3.5 压电式压力计,压电式压力计的工作原理：晶体的压电效应。压电效应：晶体在承受压力(或拉力)时，表面产生电荷的特性。石英、酒石酸钾钠、款酸钡及错酸、钻酸等多晶体烷结而成的陶瓷都具有压电效应。常用石英作为压电元件。其特点：压电特性随温度的变化比较小，机械强度高，绝缘。压电式压力计特点：优点：尺寸小、重量轻、工作可靠、测量频率范围宽。缺点：对于振动和电磁场很敏感。,(1)石英的压电效应,对于如图3-19所示的石英晶体，沿x轴方向切片，然后将两块电极板放在垂直于x轴的两个面上，施以压力p，电极板表面就会产生大小相等、方向相反的电荷q。该电荷的大小与受到的压力成正比，而与石英晶体的尺寸没有关系。其关系式为：qdsp式中，d：压电系数；p：压力；s：作用面的面积。,(2)压电式压力计,如图为一种常见的膜片型的压电式压力计。被测压力作用在膜片上，并经过膜片传递给压电元件；压电元件产生的电荷分布在两个端面的极板上，其数量相等而极性相反，相当于一个电容器，两极板间的电压为：U=q/C0后接高阻放大器将U测出，即得压力P,4.力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器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0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。,电气式压力计,DDZ-III型差压变送器,检测部分作用:P 输入力Fi；结构：见图,杠杆系统:力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器:位移 输出Io,电磁反馈装置:输出反馈力Ff,电气式压力计,5.电容式压力变送器,电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。,工作原理,电容式差压变送器原理图,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,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,电气式压力计,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,小结,3.3.6 压力计的选用与安装,1.压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,1、压力检测仪表的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4 测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜。（经验要求而已）,这只是一个一般的经验要求，不是绝对的！,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为0AMPa，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。,仪表精度,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条