第十篇 压力、流量和物位检测技术.pdf
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1、第8章 压力、流量和物位检测技术 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术压力检测技术 8.2 流量测量技术流量测量技术 8.3 物位检测与控制物位检测与控制 思考与练习思考与练习 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术压力检测技术 8.1.1 压力的基本概念及单位压力的基本概念及单位 1. 压力的基本概念压力的基本概念 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。 它的大小由 两个因素所决定, 即受力面积和垂直作用力的大小, 用数学式 表示为 S F P =(8- 1) 式中,P为压力;F为垂直作用力;S为受力面积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 压力也可以用相
2、当的液柱高度来表示,如图8- 1所示。根 据压力的概念, 有 h S hS S F P =(8- 2) 式中,为压力计中液体的重度;h为液柱的高度。可见压力 等于液柱高度与液体重度的乘积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 1 液柱压力示意图 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 压力的单位压力的单位 在国际单位制中, 压力的单位是帕斯卡, 简称帕, 代号 为Pa。 它的定义是在每平方米面积上垂直作用1牛顿的力, 即 2 1N/mPa1= 帕斯卡与其它压力单位的换算关系见表8- 1。 (8- 3) 第8章 压力、流量和物位检测技术 表表8- 1 常用压力单位的换算表常用压力单位的换算
3、表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 大气压力、绝对压力、表压力与真空度大气压力、绝对压力、表压力与真空度 (1) 大气压力:指由于空气的重量垂直作用在单位面 积上所产生的压力。 (2) 绝对压力:它是指流体的实际压力,它以绝对真 空为零压力。 (3) 相对压力: 它是指流体的绝对压力与当时当地的 大气压力之差。 当绝对压力大于大气压力时, 其相对压力称 为表压力; 当绝对压力小于大气压力时, 其相对压力称为真 空度或负压力。 因此, 有 气绝表 PPP= 式中,P表为表压力;P绝为绝对压力;P气为大气压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.2 压力传感器及其类别压力传感器及其
4、类别 1. 压力传感器类别压力传感器类别 压力传感器的主要类别有电位器式、应变式、霍尔式、电感 式、压电式、压阻式、电容式及振弦式等,测量范围为710-5 5108Pa;信号输出有电阻、电流、电压、频率等形式。 压力 测量系统一般由传感器、测量线路和测量装置以及辅助电源所组 成。常见的信号测量装置有电流表、 电压表、 应变仪以及计算 机等。 目前,利用压阻效应、压电效应或其他固体物理特性的压力 传感器已实现小型化、数字化、集成化和智能化,直接把压力转 换为数字信号输出,并可与计算机连接,从而实现工业过程的现 场控制。 第8章 压力、流量和物位检测技术 表表8- 2 几种常见的压力传感器性能比较
5、表几种常见的压力传感器性能比较表 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 常用压力传感器常用压力传感器 1) 单圈弹簧管压力表 (1) 结构: 弹簧管压力表的结构如图8- 2所示。它主要 由弹簧管和一组传动放大机构(简称机芯, 其中包括拉杆、 扇形齿轮、 中心齿轮)及指示机构(包括指针、面板上的分度 标尺)所组成。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 2 弹簧管压力表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3被测压力由接头9通入,迫使弹簧管1的自由端B向右上方 扩张。自由端B的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时 针偏转,进而带动中心齿轮4作顺时针偏转,使与中心齿轮同 轴的指针5也作顺时
6、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。 游丝7用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的间隙而产生的 仪表变差。 改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大系 数), 可以实现压力表量程的调整。 第8章 压力、流量和物位检测技术 (2) 材料:弹簧管的材料因被测介质的性质和被测压力 的高低而不同,一般当P20 MPa(约200 kgf/cm2)时,采用磷 铜;当P20 MPa时, 则采用不锈钢或合金钢。但是,在选用 压力表时,必须注意被测介质的化学性质。例如,测量氨气压 力必须采用不锈钢弹簧管,而不能采
7、用易被腐蚀的铜质材料; 测量氧气压力时,则严禁沾有油脂,以免着火甚至爆炸。 目前, 我国出厂的弹簧管压力表量程有0.1, 0.16, 0.25, 0.4, 0.6, 1, 1.6, 2.5, 4, 6, 10, 16, 25, 40, 60(MPa)等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 (3) 信号远传式压力表: 利用变频控制进行恒压供水已 经广泛应用。 在弹簧管压力表中装入电触点, 可构成具有上、 下限指示与控制的电接点信号压力表; 与电位器配合, 可构 成电位器式远传压力表, 如YCD- 150型压力传感器, 它结构 简单, 价格便宜。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2) 应变式压力
8、传感器 (1) 板式压力传感器: 该类传感器分为薄板式、 膜片式和 组合式。 测量气体或液体压力的薄板式压力传感器如图8- 3(a) 所示。 圆薄板直径为10 mm, 厚度为1 mm,和壳体连接在一 起,引线自上端引出。工作时将传感器的下端旋入引压管, 压 力均匀地作用在薄板的下表面。薄板受压变形后表面上应变分布 如图8- 3(b)所示。 在薄板周边上, 其切向应变为零, 径向应 变为负应变, 且绝对值最大, 而在中心处其切向应变与径向应 变相等且最大。因此,在贴片时,一般在薄板中心处沿切向贴两 片R2和R3,在边缘处沿径向贴两片R1和R4。将应变片按R1、R2、 R4、R3的顺序接成闭合回路
9、,便构成差动电桥, 可以提高灵敏度 和进行温度补偿。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 3板式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 (2) 筒式压力传感器:当被测压力较大时,多采用筒式 压力传感器,如图8-4所示。图中工作应变片R1贴在空芯的筒 臂外感受应变,补偿应变片R2贴在不发生变形的实芯部位作为 温度补偿用。 这种传感器可用来测量机床液压系统的压力(几 十公斤/厘米2几百公斤/厘米2)和枪、 炮筒腔内的压力(几 千公斤/厘米2)(1 kgf/cm2=0.098 MPa)。 (3) 扩散硅固体压力传感器: 如图8- 5所示, 扩散硅固体 压力传感器是在一块圆形膜片上集成四个
10、等值电阻并串接成电 桥, 膜片四周用硅杯固定, 高压腔与被测压力相接, 低压腔 与大气相通, 通过应变测量压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 4 筒式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 5 扩散硅压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 (4) 硅X型压力传感器: 利用半导体材料的压阻效应, 在硅膜片表面用离子注入制作一个X形的四端元件, 一只X形 压敏电阻器被置于硅膜边缘, 其原理如图8- 6(a)所示。 其 中, 1脚接地, 3脚加电源电压, 激励电流流过3脚和1脚。 加 在硅膜上的压力与电流垂直, 该压力在电阻器上建立了一个横 向电场, 该电场穿过中点
11、,所产生的电压差由2脚和4脚引出。 图8- 6中(b)为MPZ10、 MPX12系列器件外封装形式, 其量 程为010 kPa,线性度为1.0%。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-6 硅压力传感器 (a) 工作原理图; (b) 外形图 第8章 压力、流量和物位检测技术 3) 电感式压力传感器 电感式压力传感器是用变换压力的弹性敏感元件将压力变 换成位移,再由电感式位移传感器转换成电信号。在压力测量 中,差动变压器式传感器应用的比较广泛。 (1) CPC型差压计: 图8- 7是CPC型差压计的结构与电路 图。 当所测的P1与P2之间的差压变化时, 差压计内的膜片产生 位移, 从而带动固定
12、在膜片上的差动变压器的衔铁移位, 使差 动变压器二次侧输出电压发生变化, 输出电压的大小与衔铁位 移成正比, 从而也与所测差压成正比。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 7 CPC型差压计 第8章 压力、流量和物位检测技术 (2) 微压力变送器: 图8- 8是微压力变送器的结构示意 图。 由膜盒将压力变换成位移, 再由差动变压器转换成输出 电压。 内装电路, 可输出标准信号, 故称变送器。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 8 微压力变送器结构示意图 第8章 压力、流量和物位检测技术 4) 电容式压力传感器 电容式压力传感器是将压力的变化转换成电容量变化的一 种传感器。目前,从
13、工业生产过程自动化应用来说, 有压力、 差压、 绝对压力、带开方的差压(用于测流量)等品种及高差压、 微差压、 高静压等规格。 第8章 压力、流量和物位检测技术 (1) 电容式差压传感器: 电容式差压传感器的核心部分如 图8- 9所示。 它主要由测量膜片(金属弹性膜片)、镀金属的凹 形玻璃球面及基座组成。测量膜片左右空间被分隔成两个室。 在两室中充满硅油,当左右两室分别承受高压PH和低压PL时,硅 油的不可压缩性和流动性,便能将差压PPHPL传递到测量 膜片的左右面上。 因为测量膜片在焊接前加有预张力, 所以当 P=0时处于中间平衡位置并十分平整, 此时定极板左右两电容 的电容值完全相等, 即
14、CH=CL,电容量的差值C=0。 当有差压 作用时, 测量膜片发生变形, 也就是动极板向低压侧定极板靠 近, 同时远离高压侧定极板, 使得电容CHCL。通过引出线将 这个电容变化输送到电子转换电路,可实现对压力或差压的测量。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 9 电容式差压传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 (2) 变面积式电容压力传感器: 这种传感器的结构原理 图如图8- 10(a)所示。 被测压力作用在金属膜片1上, 通过中 心柱2、 支撑簧片3使可动电极4随膜片中心位移而动作。 可动电极4与固定电极5都是由金属材质切削成的同心环形 槽构成的, 有套筒状突起, 断面呈梳齿形,
15、 在两电极交错 重叠部分的面积决定电容量。 固定电极的中心柱6与外壳间有 绝缘支架7, 可动电极则与外壳连通。 压力引起的极间电容 变化由中心柱引至电子线路, 变为直流信号420 mA输出。 电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中, 整体小巧紧凑。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-10 变面积电容式压力传感器 (a) 结构图; (b) 悬挂在介质中; (c) 安装在容器壁上 第8章 压力、流量和物位检测技术 5) 压电式压力传感器 压电式压力传感器可以测量各种压力, 如车轮通过枕木时 的强压力, 继电器接点压力和人体脉搏的微小压力等。用得最 多的是在汽车上测量气压、 发动机内部燃烧压力
16、和真空度。 如图8- 11所示的膜片式压电压力传感器目前较常用。 图 中, 膜片起密封、 预压和传递压力的作用。 由于膜片的质量 很小, 而压电晶体的刚度很大, 所以传感器具有很高的固有频 率(高达100 kHz以上), 尤其适用于动态压力测量。 常用的压电 元件是石英晶体。 为了提高灵敏度, 可采用多片压电元件层叠 结构。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 11 膜片式压电压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 这种压力传感器可测量102108 Pa的压力, 且外型尺寸可 做得很小, 其下限频率由电荷放大器决定。 传感器中, 常设 置的一个附加质量块和一组极性相反的补偿压电晶体
17、, 以补 偿测量时因振动造成的测量误差。 第8章 压力、流量和物位检测技术 6) 振弦式压力传感器 如图8- 12所示是振弦式压力传感器的原理结构图。 在圆形 压力膜片1的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦3、4, 它 们被固紧在支座2上,并加上一定的预应力。 当它们受到激励 而振动时, 产生的振动频率信号分别经放大、振荡电路10、 11 后到混频器12进行混频, 所得差频信号经滤波、整形电路输出。 如无外力作用时,压力膜片上、下两根振弦所受张力相同, 受 激励后产生相同的振动频率,由混频器所得差频信号的频率为 零。 若有外力F垂直作用于柱体9上时,压力膜片受压弯曲, 使 上侧振弦3的张力减小
18、, 振动频率减低,而下侧振弦4的张力增 大, 振动频率增高。由混频器输出两者振动频率的差频信号, 其频率随外力增大而升高。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 12 振弦式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 7) 霍尔压力传感器 (1) 霍尔式压力计:它是利用霍尔元件测量弹性元件变 形的一种电测压力计。 它结构简单、体积小、频率响应宽、 动态范围(输出电势的变化)大、可靠性高、易于微型化和集成 电路化。 但其信号转换频率低、 温度影响大,使用于要求转 换精度高的场合时必须进行温度补偿。 第8章 压力、流量和物位检测技术 (2) 霍尔式微压力传感器:它的原理如图8-13所示。 当
19、被测压力为零时,霍尔元件的上半部分感受的磁力线方向为 从左至右,而下部分感受的磁力线方向从右至左,它们的方向 相反,而大小相等,相互抵消,霍尔电动势为零。当被测微压 力从进气口进入弹性波纹膜盒时,膜盒膨胀,带动杠杆(起位 移放大作用)的末端向下移动,从而使霍尔器件在磁路系统中 感受到的磁场方向以从右至左为主,产生的霍尔电动势为正值。 如果被测压力为负压, 杠杆端部上移,霍尔电动势为负值。 由于波纹膜盒的灵敏度很高,又有杠杆的位移放大的作用, 所以可用来测量微小压力的变化。 霍尔压力传感器也可由弹簧管与霍尔式位移传感器构成。 霍尔式位移传感器是将霍尔元件放置在由磁钢产生的恒定梯度 磁场中构成的。
20、 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-13 霍尔式微压力传感器原理示意图 (a) 结构; (b) 磁场与压力的关系曲线 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.3 集成压力传感器的应用电路集成压力传感器的应用电路 1. 压力测量电路压力测量电路 由压力传感器及运算放大器组成的压力测量电路如图8- 14 所示。 图中, 压力传感器采用43系列。 43系列是一种小型压 阻式压力传感器, 有绝对压力和表压力两大类。 标准量程系 列有05 Psi和0250 Psi,共分7挡, 每挡有A、B、C三种等 级。1 Psi=6.895103Pa,Psi是磅/英寸2(bf/in2)单位。 第8章 压力、流
21、量和物位检测技术 图8- 14 压力测量电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 供给传感器的恒流源电流I0=Uz/R2可通过R2来调整,从而 调节传感器的灵敏度。该电路的电流为0.996 mA。43系列满量 程输出为100 mV, 经A2、A3和A4放大后,要求相应的输出为 05 V,以此来决定放大器的放大倍数。 调节调零电位器 RP1, 使在零压力时输出为0 V。调节电位器RP2,使在满量程 时, 输出为5 V。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 便携式压力计电路便携式压力计电路 图8- 15为用MPX2050硅压力传感器组成的便携式压力计电 路。 它利用数字电压表(DVM)作为指示或
22、显示装置,电源为9 V电池。 MPX2050硅压力传感器的压力测量范围为050 kPa,满 量程输出为40 mV。 数字电压表的满量程选为200 mV。 所 以, 可调节增益电阻RP, 使传感器满量程输出时,A1、A2差 动输出电压为200 mV。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 15便携式压力计电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 压力变送器电路压力变送器电路 图8- 16为一个用集成变送器XTR101将传感器输出电压转 为420 mA电流的二线制变送器电路。 二线制即信号、负载 和电源串联, 信号需要远距离传送(可能达几百米),该系 统采用直流24 V电源。负载可以用串联
23、电流表来指示,也可以 用如图所示的RL=240 转换为0.964.8 V的电压输出来指示。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 16 420 mA压力变送器电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 4. 固态压力开关电路固态压力开关电路 图8- 17是一个低成本定点的压力开关电路,它可用来对电 动机M实现控制。 图8- 17 固态压力开关电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 5. 压力压力/频率变换电路频率变换电路 压力/频率变换电路如图8- 18所示。它利用四个运放U2A U2D,将压力传感器MPX2100输出的差模电信号转换成单端输 出的电信号,然后直接和AD654电压频率变换器相接
24、。AD654 输出的频率信号经场效应管V和R10组成的缓冲器输出。该电路 标称零压力输出频率为1 kHz, 满量程为100 kPa, 输出频率为 10 kHz。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 18 压力/频率变换电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8- 18中, B+为外界电源输入端,要求最小值为10 V,最 大值为30 V,经U1集成稳压块输出8 V电压供MPX2100; 经U4 集成稳压块输出5 V电压供场效应管V。U2A主要完成差模信号 的放大; U2B用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端; U2C和U2D,使在零压力和满量程压力(100 kPa)时, U2D输出 0
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