壓力計量測試技術(shù)

1、 過程參數(shù)密度流量溫度壓力壓力成分物位質(zhì)量和安全的保證 垂直垂直并且并且均勻均勻作用在單位面積上的力作用在單位面積上的力稱為稱為“壓強壓強”SFP 工程技術(shù)工程技術(shù)上一般稱其為上一般稱其為 。(1623-1662) （Pascal，Blaise），法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、近代概率論的奠基者。他建立的直覺主義原則對于后來一些哲學(xué)家，如盧梭和伯格森等都有影響物理學(xué) :“帕斯卡定律” “加在密閉流體任一部分的壓強，必然按照其原來的大小由流體向各個方向傳遞?！?（液壓機械的理論基礎(chǔ) ）哲學(xué)：思想錄 “人只不過是一根蘆葦， 是自然界最脆弱的東西，但他是一根有思想的蘆葦。” 計算機領(lǐng)域：“機械式加法機” 世

2、界上第一臺機械式數(shù)字計算機 ，PASCAL語言 。(1623-1662) 大氣壓力是地球表面上空氣柱的重量所產(chǎn)生的壓力。PB表示：氣象情況、海拔高度和地理緯度hPa氣壓表托里拆利16081647托里拆利16081647（16081647）：意大利 1643,與維維尼亞完成了著名的發(fā)現(xiàn)大氣壓力的試驗，后稱托里拆利試驗。在實驗中還發(fā)現(xiàn)了當 氣壓變化時，水銀柱的高度也隨之變化，據(jù)此原理發(fā)明了水銀壓力計.(我們是生活在大氣組成的海底之下的 ) 并由此掀起了有關(guān)實驗和理論工作的熱潮，使得歐洲物理學(xué)界的研究活動為之一新。托里拆利特別強調(diào)處理力學(xué)問題時的重要性 如果測壓儀表所指示的壓力是以大氣壓力為零起算的

3、壓力，則稱其為表壓力。符號PG領(lǐng)域：工程中是指不附帶任何條件的全壓力，它等于大氣壓力和表壓力之和。如：液體、氣體和蒸汽所處空間的全部壓力。當絕對壓力小于大氣壓力時，大氣壓力與絕對壓力之差又稱：疏空壓力，負壓力、真空度。壓差）兩個相關(guān)壓力之差。符號P注意：基準點任意且相同 完全真空0大氣壓PB真真空空度度P PH H壓力差P代表規(guī)定基準點代表任意基準點表表壓壓力力P PG G絕絕對對壓壓力力P PA A絕對壓力絕對壓力P PA A1工程大氣壓(6)(6)： 不隨時間變化或隨時間變化緩慢的壓力。例如：對于管道流動由管壁處所測壓力，均為靜壓值。壓頭（靜水頭）：過去常用液柱高度表示靜壓。 隨時間做快速

4、變化的壓力。通常是指流體單位體積所具有的動能大小 1/22流體密度；v流體運動速度。又稱動壓頭。 差壓式流量計差壓式流量計就是利用測量節(jié)流件兩端的壓力就是利用測量節(jié)流件兩端的壓力差來實現(xiàn)流量計量的差來實現(xiàn)流量計量的U型管單管斜管鐘罩環(huán)天平測壓力測真空單活塞雙活塞圓柱形活塞球形活塞彈簧管式膜片式膜盒式波紋管式 原理 誤差來源原理：利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡封液： 水、酒精、水銀 （1）環(huán)境溫度變化的影響 封液影響 )20(1 (20thht標尺長度影響 精密測量時考慮 （2）重力加速度變化的影響 )21 ()2cos(00265. 01 RHggN封液標準高度 NNgghh（3）毛細現(xiàn)象

5、造成的影響 （4）安裝、讀數(shù)、刻度等方面的誤差 酒精：D=3mm；水銀：D=8mm 海拔緯度海拔高度體積膨脹系數(shù) 彈簧管、齒輪傳動機構(gòu)、指針、刻度盤普通型： 級；精密：0.10.5 級。真空1091/31/2量程；（波動小，2/3量程）注意：防塵、防爆、防腐等問題，并要定期校驗。測量腐蝕性介質(zhì)、非凝固、非結(jié)晶介質(zhì)測量氣體的微壓和負壓特點精度：2.5 級測量范圍：膜片式：膜盒式：遲滯誤差遲滯誤差：相同壓力下，同一彈性元件正反行程的變形不一樣；彈性后效誤差：彈性后效誤差：彈性元件變形落后于被測壓力變化；間隙誤差：間隙誤差：儀表的各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對應(yīng)；摩擦誤差：摩擦

6、誤差：儀表活動部件運動時，相互間有摩擦力；溫度誤差：溫度誤差：環(huán)境溫度改變會引起金屬材料彈性模量變化 采用材料：減小遲滯誤差和后效誤差；如合金Ni42CrTi,Ni36CrTiA料、熔凝石英采用，減小中間環(huán)節(jié)，如電阻應(yīng)變技術(shù)、差動變壓器技術(shù)；采用；改善制造工藝 。傳感器傳感器電路電路 通信通信 擴擴散散硅（壓阻式）硅（壓阻式）8080年代年代擴擴散散硅（壓阻式）硅（壓阻式）9090年代年代諧諧振式振式 90 90年代年代,21,21世紀世紀 A電電容式容式 70 70年代年代AAAAAA電電容式容式 80 80年代年代ADD電電容式容式 90 90年代年代ADDDDDDDA（模擬）（模擬）方式

7、、方式、D（數(shù)字）（數(shù)字）方式方式21 世紀是數(shù)字化的時代世紀是數(shù)字化的時代根據(jù)測量原理分類： 電阻電容電感振弦式金屬電阻絲半導(dǎo)體電阻彈性元件應(yīng)變壓力電阻R硅片上擴散生成)(RfP 壓力傳感器壓力變送器光學(xué)蝕刻法0.0030.01特點：耐高溫，如用鉑、鉻應(yīng)變片（藍寶石基底），溫度達800。真空蒸鍍真空蒸鍍沉積沉積濺射濺射0.1N*100 nm單根導(dǎo)線的電阻 ：金屬材料的電阻率、長度和截面積，其關(guān)系：SlR喬治西蒙歐姆(1789-1854)喬治西蒙歐姆(1789-1854) 德國物理學(xué)家。歐姆是一個很有天才和科學(xué)抱負的人，他長期擔任中學(xué)教師，由于缺少資料和儀器，給他的研究工作帶來不少困難，但他在

8、孤獨與困難的環(huán)境中始終堅持不懈地進行科學(xué)研究，自己動手制作儀器。1827年：電路的數(shù)學(xué)研究一書中，將其實驗規(guī)律總結(jié)成如下公式：式中S表示電流；E表示電動力，即導(dǎo)線兩端的電勢差，為導(dǎo)線對電流的傳導(dǎo)率，其倒數(shù)即為電阻。 歐姆在自己的許多著作里還證明了：電阻與導(dǎo)體的長度成正比，與導(dǎo)體的橫截面積和傳導(dǎo)性成反比；在穩(wěn)定電流的情況下，電荷不僅在導(dǎo)體的表面上，而且在導(dǎo)體的整個截面上運動。SlR在均勻拉伸應(yīng)力的作用下,導(dǎo)線電阻的相對變化量為dSldSSldlSdR2dSlR令，SSllRRSlR對于圓導(dǎo)線，故近似有受拉伸時，增大的同時 減小，兩者關(guān)系為材料的泊松比材料的泊松比金屬：金屬：lldd定義應(yīng)變拉伸應(yīng)

9、力引起KRR)21 (/Ed)/(10)8040(211mN)/(1067. 1211NmE)10050( Kd半導(dǎo)體材料的彈性模量某晶向的壓阻系數(shù)應(yīng)力應(yīng)變 在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從虎克定律，即變形與受力成正比。縱向應(yīng)力與縱向應(yīng)變的比例常數(shù)就是材料的彈性模量E，也叫楊氏模量。 （Thomax Young,17731829年） 托馬斯楊（Thomax Young,17731829年）英國醫(yī)生兼物理學(xué)家，光的波動說的奠基人之一 。科學(xué)成就：1著名的楊氏干涉實驗，為光的波動說奠定了基礎(chǔ)。 2對人眼感知顏色的研究，建立三原色原理 (從生理角度說明了人眼的色盲現(xiàn)象 。指出一切色彩都可以從紅、綠、藍這三

10、種原色的不同比例的混和而得到。)3在考古學(xué)方面的貢獻 ：用了幾年時間破譯了古埃及石碑碑上的文字 精通繪畫、音樂，幾乎掌握當時的全部樂器；他一生研究過力學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、生理光學(xué)、語言學(xué)、動物學(xué)、埃及學(xué)等，可以說是一位百科全書式的學(xué)者。 E 橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比值稱為泊松比，也叫橫向變型系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。法國數(shù)學(xué)家、力學(xué)家、物理學(xué)家。泊松一生從事數(shù)學(xué)研究和教學(xué)，他的主要工作是將數(shù)學(xué)應(yīng)用于力學(xué)和物理學(xué)中。1、1829年：在固體力學(xué)中，泊松以材料的橫向變形系數(shù)，即泊松比而知名。彈性體平衡和運動研究報告一文。2、1831年：彈性固體和流體的平衡和運動一般方程研究報告一文中第一

11、個完整地給出說明粘性流體的物理性質(zhì)的方程,即本構(gòu)方程。3、1837年關(guān)于判斷的概率之研究一文中提出描述隨機現(xiàn)象的一種常用分布，在概率論中現(xiàn)稱泊松分布 除泊松分布外，還有許多數(shù)學(xué)名詞是以他名字命名的，如泊松積分、泊松求和公式、泊松方程、泊松定理，等等。Simeon-Denis Poisson (17811840)lldd材料康銅 （Ni 45%,Cu 55%）靈敏系數(shù)約為1.92.1 鐵鉻鋁合金 （Fe70%，Cr2%，AL）靈敏系數(shù)約 為2.42.6直徑0.050.15 紙或膠質(zhì)：紙或膠質(zhì)：0.02-0.04mmu金屬材料的電阻具有一定的溫度系數(shù)；u彈性元件（基底）與金屬應(yīng)變電阻兩者的線膨脹系

12、數(shù)不等；注：如果固體（非晶體或多晶體）在溫度升高時形狀不變，說明固體在各方向上膨脹規(guī)律相同。因此可以用一個方向上的線膨脹規(guī)律來表現(xiàn)它的體膨脹。溫度每升高1，某方向上的長度增量L與室溫下（嚴格些應(yīng)是0時）同方向上的長度L0之比，即0/LtL （2個應(yīng)變片）電橋（相鄰橋臂）實現(xiàn)：溫度補償，輸出電壓靈敏度1倍。（4個應(yīng)變片）電橋（4個橋臂）溫度補償，電壓靈敏度2倍。 防止受被測介質(zhì)污染、氧化、腐蝕，貼在彈性元件不和被測介質(zhì)接觸的一面。膜片受壓受拉膜片上任意一點的應(yīng)變h彈性變形222maxmax183)r(Ehptr3/rx 當0r3/rx 當0rrx 當222)1 (43rEhpr0trt41r,)

13、(RR壓縮32t,RR（拉伸）彈性膜片 金屬電阻絲應(yīng)變片貼牢在懸臂梁上下表面，懸臂梁遠端加砝碼使它彎曲，上表面受到拉伸，下表面受到壓縮。所以上表面電阻阻值變大，下表面電阻阻值變小應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖1 敏感柵 2 引線 3 粘結(jié)劑 4 蓋層 5 基底u分別將一個、兩個或四個電阻應(yīng)變片與固定電阻組成電橋（所謂）,以電壓表為平衡檢測器。u未加砝碼時，調(diào)節(jié)電橋平衡，輸出電壓為零。隨著負載增加，電橋不平衡性加大，電壓表讀數(shù)越大。 )(oUfm 金屬絲或箔式應(yīng)變片性能穩(wěn)定，精確度高，已得到廣泛應(yīng)用。缺點：缺點：靈敏度系數(shù)較?。?.42.6），對粘貼工藝要求嚴格。是指常溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。

14、：摻雜質(zhì)的單晶硅或鍺，具有晶體屬性，即各向異性。半導(dǎo)體通過傳導(dǎo)的方式傳輸電流。在半導(dǎo)體材料上用方法形成的電阻；)10050(/EERRK晶體在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。)/(10)8040(211mN)/(1067. 1211NmE 在硅膜片上，擴散型電阻，根據(jù)方向不同，分為和 膜片 若圓形硅膜片周邊固定，在均布壓力作用下，當膜片位移遠小于膜片厚度時，則膜片的應(yīng)力分布為：把硅底膜片上擴散的 個P型應(yīng)變電阻，接成；阻值增加的兩個電阻對面布置；阻值減小的兩個電阻對面布置電橋靈敏度最大;電橋電源有和恒流源恒流源兩種。 RtRRRtRRRtRRURtRRRtRRRt

15、RRUUUBDO)()(假設(shè)1：個電阻的初始值為，當有壓力時，應(yīng)力電阻值兩個，兩個。假設(shè)2： 溫度變化 每個電阻值；電橋輸出電壓為整理tORRRUU0tR若 RRUUO電橋輸出Uo R /R P(被測壓力)；與U的大小和精度有關(guān)；當0時，還與溫度有關(guān)；恒壓源供電原理的測量橋路，不能消除溫度的影響。假設(shè)：兩個支路的電阻相等，即 )(2tADCABCRRRRIIIADCABC5 . 0橋路輸出 )(21)(21ttBDoRRRIRRRIUURIUo電橋輸出Uo R P(被測壓力)；與電流源I的大小和精度有關(guān)；與無關(guān)；恒流源供電原理的測量橋路，能消除溫度的影響?？朔膫€擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)的不

16、一致造成的影響。串并聯(lián)電阻補償法。（無壓力）(如，溫度T UBUD)調(diào)零補償 解決方法一：在R2上并聯(lián)一個的電阻Rp，且阻值較大，約束R2的變化。 解決方法二：在R4上串聯(lián)一個的電阻，且阻值較大，約束R2的變化。 4個橋壁電阻在低溫和高溫下的實測數(shù)值 低高溫下欲求值；A:B:要求零點溫度，低、高溫下，應(yīng)有UB=UDC:D: 設(shè) 的溫度系數(shù)已知，則E：常溫下的F: 根據(jù)溫度系數(shù)、電阻值，選擇電阻 ，接入電橋。測量橋路的靈敏度溫度漂移原因：由于傳感器而引起的。溫度T壓阻系數(shù)靈敏度；溫度T壓阻系數(shù)靈敏度；傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為 。電源電壓橋路輸出電源電壓n個二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中（恒壓源供電

17、）；當T時二極管的正向壓降橋壓 橋路輸出計算二極管個數(shù)n方法：利用二極管結(jié)的負溫度特性（ ）：傳感器低溫時滿量程輸出：傳感器高溫時滿量程輸出RREUo oooUUURREUo電源電壓滿量程輸出常溫下求得ETnTEn式中計算二極管個數(shù)n當 只二極管串聯(lián)時根據(jù)測量原理分類：根據(jù)測量原理分類： 電阻、電容、電感、振弦式壓力變送器電阻、電容、電感、振弦式壓力變送器壓力的變化測量膜片的微位移電容變化測量電路輸出標準信號。0075；01； 土02；土05輸出：420mAHART 可靠性高、維護方便、小型化、質(zhì)量輕美國Rosemount 公司1151/3351系列壓力變送器,系列全:壓力、差壓、絕對壓力、帶

18、開方器的差壓（流量測量）以及高差壓、微差壓、高靜壓隔離膜片隔離膜片測量膜片中心軸可動電極固定電極固定電極蒸鍍金屬層節(jié)流孔通道絕緣體硅油被測介質(zhì)壓力引入后隔離膜片受壓力作用中心軸受力產(chǎn)生位移測量膜片產(chǎn)生撓曲變形動極板隨之移動動極板與固定電極的間隙變化即電容L和的電容值CH變化經(jīng)電子轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出與被測壓力（差壓）成正比的 標準直流電流信號。2 隔離膜片1 隔離膜片3 測量膜片5 球面固定電極4 球面固定電極6 剛性絕緣體PLPH7 硅油注： 玻璃與金屬杯體燒結(jié)后，磨出球形凹面，再在玻璃表面蒸鍍一層金屬膜。 當發(fā)生過壓時，測量膜片與球面固定電極相貼合，得到過壓保護。 存在分布電容的影響 測量膜片

19、工作特性存在非線性 制造難度大：(微位移：0.1mm)，加工精求高。 開環(huán)誤差按1：1傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差影響整機性能。壓力壓力位移位移電容電容轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第一步第二步壓力壓力位移位移轉(zhuǎn)換)(422raTpy)(422raTppyLH（金屬膜片）單向流體球面狀位移位移電容電容轉(zhuǎn)換傳感器初始電容測量膜片受壓后形變位置與初始位置形成的電容低壓室電容高壓室電容球-平面電容位移位移電容電容轉(zhuǎn)換0AL0AC CC =C -C0AH0AC CC =C +C忽略邊緣效應(yīng)位移位移電容電容轉(zhuǎn)換球面形固定電極B平膜片電極測量膜片變形球-平面型電容器球-平面型電容器忽略邊緣效應(yīng)222()(2)rRRRRRR

20、 而 22rRRB極上寬度為dr，長度為2r 的環(huán)形窄帶環(huán)形窄帶與A極初始位置電容量:0002rrdrdCdR 0，b上積分000020022ln/2brrbdrdrCRdrRd 圖中點劃線為，其寬度為dr，長度為2r的與動膜片初始位置間電容量為02rAr drdCy )(422raTppyLH膜片撓度積分0，b0AL0AC CC =C -C0AH0AC CC =C +C位移位移電容電容轉(zhuǎn)換根據(jù)測量原理分類：根據(jù)測量原理分類： 電阻、電容、電感、振弦式壓力變送器電阻、電容、電感、振弦式壓力變送器采用最新的 技術(shù)、封裝技術(shù)、新型加工工藝和材料，結(jié)構(gòu)小巧、堅固耐用、精度高。系列電感式壓力變送器，英

21、國肯特公司在研制成功并推向市場。它在測量范圍、技術(shù)性能及可靠性諸方面具有明顯的特點工作原理工作原理自感式傳感器工作原理工作原理自感式傳感器MRNL2AAlRM012線圈中的電感為：線圈砸數(shù)磁路中的總磁阻，1/H總磁阻為：AAl012ARM02220ANL AAlRM012電感L和氣隙長度的特性：工作原理工作原理自感式傳感器MRNL2自感式傳感器的分類： 變氣息長度、變氣息面積（N一定）當氣隙較小時，忽略磁路鐵損， 令初始氣隙長度為0，對應(yīng)的初始位置的傳感器為 02002ANL 2. ，傳感器的氣隙減小，對應(yīng)的電感量為4.電感的相對變化量為)11(0000LL3.電感的變化量為氣息長度的相對變化

22、量5.當10時，將.13020000LL工作原理工作原理自感式傳感器)11(000LL展開成為級數(shù)形式00LL .13020000LL7. 展開成級數(shù)形式6. 00LL9. /越小線性越好,測量范圍，一般。，電感變化量為目的：銜鐵移動范圍改善傳感器的非線性A:起始位置：銜鐵處于中間位置，上下兩側(cè)的氣隙相同，即，021021LLL021021LLLB: 當銜鐵上下移動時，設(shè)銜鐵上移則則 .13020000LL.13020000LL .2503000LLK系列壓力變送器結(jié)構(gòu)系列壓力變送器結(jié)構(gòu)測量膜片隔離膜片引壓接口灌充液(硅油、氟油)外殼 過程流體 （液、氣、蒸汽）的壓力或差壓，經(jīng)引壓接口隔離膜片

23、和灌充液中心測量膜片上; 測量膜片產(chǎn)生位移焊在膜片上的同步; 可動銜鐵與兩側(cè)固定電磁鐵及電感線圈組成。 中心測量膜片的與過程流 體的 5.膜片位移量差動式自感傳感器 的，從而使電磁回路中。差動電感線圈差動電感線圈基準電壓 電壓比較器電壓比較器某一時刻，雙穩(wěn)觸發(fā)器輸出端A點電位由低高時，L1通過R1充電，則C點電壓為)1 (11tceUu111RL雙穩(wěn)觸發(fā)器輸出高電平充電回路時間常數(shù)； A1產(chǎn)生一脈沖 雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) A點低電位 B點高電位； C點：L1通過R1放電 D點：L2通過R2充電。 A2產(chǎn)生一脈沖雙穩(wěn)觸發(fā)器再翻轉(zhuǎn)一次A點高電位B點低電位。 周而復(fù)始， )1 (11tceUu21LL 21LL 0oU00U212110TTTTUUUUBA212110TTTTUUUUBA)1 (21tDeUuFUUURLT11111lnFUUURLT11222ln212110LLLLUU)1 (11tCeUu212110LLLLUUu 當P=0或PH =PL時： U0=0經(jīng)V/I電路Io=4mA; u 當P=max 時： L=max，L; L; T1T2 U0=UA-UB 經(jīng)V