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當(dāng)前位置:電子發(fā)燒友網(wǎng) > 圖書頻道 > 儀器 > 《檢測控制儀表與裝置》 > 第2章 過程檢測與系統(tǒng)

第3節(jié) 壓力檢測儀表與系統(tǒng)

 

壓力是指均勻而垂直作用于單位面積上的力,用符號p表示,單位為帕斯卡(Pa)。

壓力的表示方式有四種,即絕對壓力()、表壓力()、真空度或負(fù)壓()和差壓(兩個壓力之差),其中為大氣壓力。

1.  液體壓力計

   液體壓力計是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的,一般由U形玻璃管構(gòu)成,管內(nèi)用已知密度的水銀、水或酒精為工作液,常用于低壓、負(fù)壓或差壓的測量。

如圖3.1所示,當(dāng)時,;當(dāng)時,液面高度差與差壓之間有以下關(guān)系

                                       

式中,為工作液的密度;g為重力加速度。

    液體壓力計也可以采用單管,以減少兩次讀數(shù)的誤差。當(dāng)被測壓力較小時,還可以將單管傾斜,以提高測量的準(zhǔn)確度。

影響液體壓力計測量準(zhǔn)確度的主要因素有:工作液密度受環(huán)境溫度等的影響,安裝的垂直度,讀數(shù)誤差,傳壓介質(zhì)和重力加速度等。

2.  彈性式壓力檢測儀表

 

    彈性式壓力檢測儀表是用彈性元件作為壓力敏感元件,把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的位移,并經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械傳動和放大機(jī)構(gòu),通過指針指示被測壓力大小的一種壓力表,統(tǒng)稱彈性式壓力表。

根據(jù)所用的敏感元件的不同,常見的彈性式壓力表有彈簧管壓力表、波紋管壓力表、膜盒(片)壓力表等,其中彈簧管壓力表是最常用的一種指示式壓力檢測儀表,其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉、測量范圍寬,可以測量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓,因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)使用的要求,儀表有各種系列的準(zhǔn)確度等級,其中最高可達(dá)0.1級。

     被測介質(zhì)的性質(zhì)和被測介質(zhì)的壓力高低決定了彈簧管的材料。對于普通介質(zhì),當(dāng)<20MPa時,彈簧管采用磷銅;當(dāng)>20MPa時,則采用不銹鋼或合金鋼。對于腐蝕性介質(zhì),可采用耐腐蝕的彈簧管,如不銹鋼等;也可以采用隔離液等方法。

波紋管壓力表不僅可測壓力,也可測差壓。這種壓力表的測量范圍較小,一般為0~0.4MPa,儀表準(zhǔn)確度等級為1.5~2.5級。

膜盒壓力表主要用于測量較低壓力或負(fù)壓的氣體壓力,壓力測量范圍為-20~40kPa,儀表準(zhǔn)確度等級為1.5~2.5級。

膜片壓力表的工作原理與膜盒壓力表相近,但膜片壓力表的可測壓力范圍較寬,最高可達(dá)2.5MPa。作為彈性元件的膜片常常和其他轉(zhuǎn)換元件一起使用構(gòu)成電遠(yuǎn)傳式壓力檢測儀表。
 

     3.  電遠(yuǎn)傳式壓力檢測儀表

電遠(yuǎn)傳式壓力儀表一般是利用彈性元件作為敏感元件,并配上適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號輸出,實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)傳。

(1)力平衡式壓力變送器

力平衡式壓力變送器是基于杠桿原理力矩平衡工作的。彈性元件(一般是膜片)的位移帶動杠桿的一端,使裝在杠桿的另一端的位移-電信號轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電流輸出,輸出信號正比于壓力的大小,并同時通過電磁反饋裝置對杠桿施加反饋力,最后達(dá)到力矩平衡。

 

(2)電容式差壓變送器

電容式差壓變送器由檢測部分和信號變換部分構(gòu)成。檢測部分是一對差動電容器,其中作為彈性元件的測量膜片為電容器的可動電極;信號變換部分是將電容的變化量轉(zhuǎn)換成電流輸出,輸出電流的大小正比于被測壓力的大小。

力平衡式壓力(差壓)變送器和電容式差壓變送器具有穩(wěn)定性好、量程范圍寬、適用范圍廣等特點(diǎn),在工業(yè)過程的壓力(差壓)測量中應(yīng)用十分廣泛。

除此之外,常見的電遠(yuǎn)傳壓力檢測儀表還有霍爾壓力傳感器,電感式壓力傳感器,諧振式壓力傳感器等。

4.  物性型壓力傳感器

物性型壓力傳感器是基于物質(zhì)定律基礎(chǔ),敏感元件感受被測壓力,并將壓力的大小轉(zhuǎn)換成敏感元件的某個物理量輸出。常見的物性型壓力傳感器有:應(yīng)變式壓力傳感器和壓阻式壓力傳感器(將所感受的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電阻的變化)以及壓電式壓力傳感器(壓電元件為敏感元件,將所感受的作用力轉(zhuǎn)換成壓電元件的表面電荷)。

應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的測量電路組成。圖3.3是一種典型的粘貼式的應(yīng)變片分布結(jié)構(gòu)及應(yīng)力曲線圖。在被測壓力作用下膜片變形向上凸起,膜片上任一點(diǎn)的徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變分別為

                                       

壓電式壓力傳感器中,壓電元件被夾在兩塊彈性膜片之間。當(dāng)壓力作用于膜片,使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量經(jīng)放大可轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、小巧輕便,工作可靠,具有線性度好,頻率響應(yīng)高,量程范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但由于在晶體邊界上存在漏電現(xiàn)象,易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移,所以不能用于穩(wěn)態(tài)壓力測量。

5.  壓力檢測儀表的使用

(1)壓力儀表的選用

壓力檢測儀表在選用時,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力檢測的要求、被測介質(zhì)的特性和現(xiàn)場使用的環(huán)境等條件,本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、準(zhǔn)確度等級和類型。其中在量程選擇時,一般應(yīng)使工作壓力在儀表滿量程的1/3~2/3范圍;在準(zhǔn)確度等級選擇時,應(yīng)滿足儀表的基本誤差小于實(shí)際被測壓力允許的最大絕對誤差。

(2)壓力儀表的應(yīng)用

由于壓力儀表都是接觸式的,被測介質(zhì)直接與敏感元件接觸,并通過被測介質(zhì)來傳遞壓力,所以在壓力儀表使用時應(yīng)注意取壓口位置的選??;引壓管路的設(shè)計和敷設(shè)。對于特殊介質(zhì)(如腐蝕介質(zhì)、易結(jié)塊或顆粒性易堵介質(zhì)和兩相流介質(zhì))還須采取特殊的方式以保證壓力的傳遞和壓力的準(zhǔn)確測量。當(dāng)壓力表與被測對象不在同一水平面上時,必須考慮由于壓力表到被測對象間液柱高度引起的附加壓力,并進(jìn)行相應(yīng)的修正。

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