4模塊四、壓力檢測(cè)（上）

機(jī)、電類

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程》

模塊四、壓力檢測(cè)（上）課件

本模塊介紹“壓力”等基本概念、電容式壓力表、兩線制壓力表、智能壓力表、總線制壓力表，還介紹了陶瓷式壓力傳感器。內(nèi)容簡介今天是：17十月2023現(xiàn)在時(shí)間是：14:51知識(shí)鏈接、壓力的基本概念項(xiàng)目一、電容式壓力變送器項(xiàng)目二、兩線制壓力變送器拓展閱讀、陶瓷式壓力傳感器模塊四、壓力檢測(cè)（上）目錄進(jìn)入現(xiàn)在時(shí)間是：14:51進(jìn)入進(jìn)入知識(shí)鏈接、壓力的基本概念一、壓力的單位定義1牛頓（N）力垂直均勻地作用在1m2面積上所形成的壓力為1帕斯卡，符號(hào)為Pa，還有千帕（kPa）、兆帕（MPa）等單位。我國規(guī)定“帕”為壓力的法定計(jì)量單位

。

單位帕（Pa）巴（bar）毫米水柱標(biāo)準(zhǔn)大氣壓工程大氣壓（at）毫米汞柱帕（Pa）11×10-51.019716×10-10.9869236×10-51.019×10-50.75006×10-2巴（bar）1×10511.019716×1040.98692361.0197160.75006×103毫米水柱0.980×100.980×10-410.9678×10-41×10-40.73556×10-1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/atm1.01325×1051.013251.033227×10411.03320.76×103工程大氣壓0.980×10

50.9806651×1040.967810.735×103毫米汞柱1.333×1021.333224×10-31.35951×101.316×10-31.35951×10-31二、壓力的分類及

對(duì)應(yīng)的傳感器1.絕對(duì)壓力傳感器取壓口接到被測(cè)壓力處，負(fù)取壓口接到內(nèi)部的基準(zhǔn)真空腔（相當(dāng)于零壓力參考點(diǎn)），所測(cè)得的壓力數(shù)值是相對(duì)于基準(zhǔn)真空腔而言的，是以真空零壓力為起點(diǎn)的壓力，稱為絕對(duì)壓力，用p絕或pabs表示。

2.大氣壓傳感器大氣壓傳感器的本質(zhì)也是絕壓傳感器，只是正取壓口向大氣敞開。大氣壓是指以地球上某個(gè)位置的單位面積為起點(diǎn)，向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量，用pa或p大氣表示。測(cè)量地點(diǎn)距離地面越高，或緯度越高，大氣壓就越小。1954年第十屆國際計(jì)量大會(huì)將大氣壓規(guī)定為：在緯度45o的海平面上，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，760mm高水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。若用千帕為單位時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101.3kPa。在工程中，出于簡化目的，有時(shí)候可以近似認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的數(shù)值為絕對(duì)壓力100kPa（0.1MPa），記為1bar。大氣壓

與海拔

高度的

關(guān)系管內(nèi)上方是真空，玻璃管內(nèi)水銀柱的高度只隨外界大氣壓強(qiáng)變化而變化。與玻璃管的粗細(xì)、管的長度、傾斜角度及將玻璃管提起，還是下壓等因素?zé)o關(guān)。托里拆利實(shí)驗(yàn)：

水銀柱的高度與大氣壓成正比。與大氣壓有關(guān)的實(shí)驗(yàn)3．表壓傳感器表壓傳感器能感受相對(duì)于大氣壓的壓力（壓強(qiáng)），其正取壓口接到被測(cè)壓力處，負(fù)取壓口向大氣敞開，所測(cè)得的壓力數(shù)值是相對(duì)于大氣壓而言的，是以大氣壓為起點(diǎn)的壓力，稱為表壓，用p表或pg表示。例如，表壓傳感器指示為1.0MPa，表示比大氣壓高1MPa，絕對(duì)壓力大約為1.1MPa。p=ρgh4．真空度傳感器以大氣壓力為基準(zhǔn)，絕對(duì)壓力高于測(cè)量地大氣壓力的壓力稱為正壓，絕對(duì)壓力小于測(cè)量地大氣壓力的壓力稱為負(fù)壓。負(fù)壓的絕對(duì)值稱為相對(duì)真空度。用符號(hào)pz或p真空表示?；钊秸婵斩鹊臋z測(cè)電離式超低壓的測(cè)量真空的程度與數(shù)值范圍真空的程度壓力/帕(Pa)低真空101325~1333中真空1333~1.33×10-1高真空1.33×10-1~10-6超高真空10-6~10-10極高真空<10-10大氣壓與表壓、絕對(duì)壓力、相對(duì)真空度的關(guān)系p表=p絕-p大氣p真空=|p絕-p大氣|例：用絕壓傳感器測(cè)量某容器的壓力，讀數(shù)為90kPa，若測(cè)量地的大氣壓約為100kPa，則相對(duì)真空度只有（負(fù)壓為-10kPa）。真空表與壓力-真空表

（指針的“0”位表示進(jìn)氣管壓力與大氣壓相同）5．差壓傳感器差壓是指兩個(gè)壓力p1和p2之差，又稱為壓力差，用符號(hào)Δp或pd表示。差壓傳感器能感受兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)壓力（壓強(qiáng)）之差，其正取壓口接到被測(cè)壓力p1處，負(fù)取壓口接到被測(cè)壓力p2處。如果將差壓傳感器的負(fù)取壓口向大氣敞開，就相當(dāng)于表壓傳感器；

如果將差壓傳感器的負(fù)取壓口接到基準(zhǔn)真空腔，就相當(dāng)于絕對(duì)壓力傳感器。差壓傳感器外形三、壓力傳感器簡介1．液柱式壓力表Δp=p2-p1=ρg(h2-h1)=ρgH須注意水和水銀的毛細(xì)管現(xiàn)象2．彈性式壓力表彈性元件可以將壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變或位移。在一定的范圍內(nèi)，應(yīng)變或位移與彈性元件感受到的壓力成確定的函數(shù)關(guān)系，多為線性關(guān)系。常見感受壓力的彈性元件有膜片、膜盒、波紋管以及彈簧管等。

變換壓力為位移的彈性元件a）等截面平膜片b）膜盒c）波紋管d）彈簧

用不銹鋼、陶瓷、多晶硅薄片等構(gòu)成膜片。周邊固定。當(dāng)膜片的上（或下）面受到均勻分布的壓力時(shí)，薄板將彎向壓力低的一面。將兩個(gè)同心波紋膜片焊接在一起，做成空心膜盒，用于測(cè)量微小壓力。彈簧管（又稱波登管），是彎成扁平的C形空心管子。它一端固定、一端自由。可以用于測(cè)量高壓。彈簧管式壓力表（圖4-5）a）部分剖面圖b）原理示意圖1－彈簧管

2－杠桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－面板刻度7－游絲

8－靈敏度（位移放大倍數(shù)）調(diào)整螺絲9－壓力接頭彈簧管電接點(diǎn)式壓力表圖4-6

彈簧管電接點(diǎn)式壓力表1－指針2－動(dòng)觸點(diǎn)3－低限靜觸點(diǎn)4－高限靜觸點(diǎn)5－綠燈6－紅燈7－接線盒8－壓力接頭3．常用壓力傳感器的類型、測(cè)量范圍和特點(diǎn)

壓力儀表類型壓力測(cè)量范圍/MPa工作原理特點(diǎn)液柱式＜0.1液柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力平衡無源，信號(hào)不能遠(yuǎn)傳，玻璃管易破損；多用于實(shí)驗(yàn)室，可用于校準(zhǔn)其他壓力傳感器彈性式陶瓷膜片＜50膜盒＜20波紋管＜2彈簧管＜100在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、直觀、價(jià)廉；機(jī)械式彈性壓力表不能遠(yuǎn)傳；可作為其他電測(cè)式傳感器的感壓元件熱傳導(dǎo)真空計(jì)10-3~10-7根據(jù)氣體分子熱傳導(dǎo)與壓力有關(guān)的物理現(xiàn)象可以測(cè)量低壓力；標(biāo)定困難電離真空計(jì)10-5~10-10低氣壓下，氣體分子易在高電壓下電離,產(chǎn)生的離子電流隨壓力變化可以測(cè)量極低壓力；玻璃管易損壞；不適用50Pa以上的壓力3．電測(cè)式壓力傳感器（續(xù)）電容式壓力傳感器10電容的兩個(gè)極板距離隨壓力而變化可以由硅微加工工藝制作微差動(dòng)電容，準(zhǔn)確度高，溫度自補(bǔ)償；大量用于工業(yè)壓力變送器諧振式硅微結(jié)構(gòu)式壓力傳感器10諧振膜的諧振頻率隨壓力增加而變大，由電磁激勵(lì)和電磁拾振，或靜電激勵(lì)和電容拾振直接輸出頻率量，準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10-6/℃；可用于校驗(yàn)其他壓力傳感器壓阻式壓力傳感器20硅的壓阻效應(yīng)壓力直接作用在擴(kuò)散硅杯，不需要傳壓液體；工作溫度低于100℃厚膜電阻式陶瓷式壓力傳感器20硅的壓阻效應(yīng)壓力直接作用在陶瓷膜片上，不需要傳壓液體，過載能力強(qiáng)，采用橋路激光修正，準(zhǔn)確度高；工作溫度低于120℃項(xiàng)目一、電容式壓力傳感器【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識(shí)目標(biāo)1）熟悉電容式傳感器的工作原理。2）熟悉差動(dòng)變極距電容式傳感器的特性。?技能目標(biāo)1）掌握壓力表的安裝。2）掌握壓力表的量程計(jì)算。回目錄現(xiàn)在時(shí)間是：14:51任務(wù)一認(rèn)識(shí)電容式壓力傳感器一、變極距電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式圖4-7

平行板電容器式中

A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；

d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；

ε

——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；

εr——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)，ε0=8.85

10-12（F/m）1－上極板2－下極板

3－電力線4－邊緣效應(yīng)變極距電容式傳感器的

結(jié)構(gòu)以及電容與

極板距離的關(guān)系(圖4-8)1－定極板2－動(dòng)極板（平膜板）3－彈性膜片二、差動(dòng)電容式壓力傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)

差動(dòng)形式的電容式壓力傳感器的靈敏度比非差動(dòng)式高一倍，線性也得到較大改善。諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等外界的影響也能基本上相互抵消。

非差動(dòng)電容傳感器演示非差動(dòng)式電容傳感器1－高壓側(cè)進(jìn)氣口

2－低壓側(cè)進(jìn)氣口

3－過濾片4－空腔5－柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6－導(dǎo)壓硅油

7－凹形玻璃圓片8－鍍金凹形電極（定極板）9－彈性平膜片

10－δ腔

11－鋁合金外殼12－限位波紋盤

13－過壓力保護(hù)懸浮波紋膜片

14－公共參考端（地電位）15－螺紋壓力接頭16－測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及顯示器鋁合金盒17－信號(hào)電纜圖4-9差動(dòng)電容式差壓傳感器(見后頁)2023/10/1730圖4-9差動(dòng)電容式差壓傳感器非差動(dòng)電容式傳感器與差動(dòng)傳感器的特性比較圖4-10非差動(dòng)電容式傳感器與差動(dòng)電容式傳感器的特性比較1－C1的電容/位移特性

2－C2的電容/位移特性

3－C1、C2差接后的的電容/位移特性三、硅微電容式差壓傳感器圖4-11FCXAⅡ型硅微電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)1－壓力接口2－陶瓷環(huán)3－硅微加工固定膜片（定極板）4－硅微加工感壓膜片（動(dòng)極板）

5－SiO2絕緣層6－金屬化通孔FCXA/C型硅微電容式浮動(dòng)膜盒差壓傳感器結(jié)構(gòu)圖4-12FCXA/C型硅微電容式浮動(dòng)膜盒差壓傳感器結(jié)構(gòu)1－隔離膜片

2－波紋座3－導(dǎo)壓液

4－保護(hù)膜片

5－硅微電容式壓力入口6－測(cè)量小室（δ室）

7－單晶硅測(cè)量膜片

8－右定極板9－左定極板

10－硅方塊任務(wù)二壓力表的安裝與選型1）測(cè)量高壓介質(zhì)時(shí)，為安全起見，壓力表的表殼應(yīng)向著墻壁或無人通過的位置。2）取壓口是被測(cè)對(duì)象的壓力開口，應(yīng)選擇安裝在流速平穩(wěn)的直線管段上(取壓口應(yīng)在障礙物的前面)。3）當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為液體時(shí)，取壓口應(yīng)開在管道的下方；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為干凈氣體時(shí)，取壓口應(yīng)開在管道的上方；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為蒸氣時(shí)，在管道水平中心線成0o~45o的夾角范圍內(nèi)，最好在管道水平中心線。4）截止閥應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的地方。5）導(dǎo)壓管的內(nèi)徑為6～10mm，長度應(yīng)盡可能短。6）當(dāng)被測(cè)介質(zhì)存在脈動(dòng)壓力時(shí)，應(yīng)加裝減振緩沖器。7）當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度過高時(shí)，應(yīng)采用冷凝彎來防止高溫介質(zhì)直接與測(cè)壓傳感器接觸。導(dǎo)壓管管路的敷設(shè)a）壓力表在容器（管道）的下方

b）壓力表在容器（管道）的上方

c）取壓口在管道橫截面的角度帶冷凝彎壓力表的安裝8）當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有腐蝕性或粘度大、易結(jié)晶時(shí)，應(yīng)加裝隔離罐、隔離法蘭。9）當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，導(dǎo)壓管、壓力傳感器應(yīng)采取保溫和伴熱措施。10）當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為食品等有衛(wèi)生要求的氣體或液體時(shí)，應(yīng)采用陶瓷式壓力傳感器或不銹鋼隔離法蘭壓力傳感器。11）壓力傳感器的外殼通常需要接地。1－被測(cè)管道2－管道壁3－管接座（或內(nèi)螺紋凸臺(tái)）4－冷凝彎5－外螺紋截止閥6－直管7－壓力接頭8－壓力表隔離法蘭壓力傳感器圖4-17

隔離法蘭壓力傳感器a）齊平式b）伸出式c）遠(yuǎn)傳式d）波紋膜片截面示意圖1－波紋膜片2－法蘭安裝孔3－波紋座4－導(dǎo)壓孔5－導(dǎo)壓液隔離法蘭壓力傳感器不銹鋼隔離法蘭壓力表的選型在被測(cè)壓力波動(dòng)較大的情況下（例如往復(fù)泵出口），最大壓力值不應(yīng)超過壓力表滿量程的1/2，否則易產(chǎn)生彈性后效；最小壓力值最好不要低于壓力表滿量程的1/3，否則將增加測(cè)量誤差。在被測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值不應(yīng)超過滿量程的2/3；為了減小測(cè)量誤差，被測(cè)壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；測(cè)量高壓（10MPa以上）時(shí)，最大過程壓力不應(yīng)超過量程的3/5。例4-1如果某壓力容器最大壓力為6MPa，允許最大絕對(duì)誤差為±200kPa。求：

1）若選用量程為0～16MPa、準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表進(jìn)行測(cè)量，能否符合誤差要求？

2）若改為測(cè)量范圍為0～10MPa、準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，是否允許采用？試說明其理由。（見下頁）解1）對(duì)于測(cè)量范圍為0～16MPa，準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，允許的最大絕對(duì)誤差為16MPa×1.5%=0.24MPa=240kPa。因?yàn)榇藬?shù)值超過了工藝上允許的最大絕對(duì)誤差數(shù)值（200kPa），所以該壓力表是不合格的。解：2）對(duì)于測(cè)量范圍為0～10MPa，準(zhǔn)確度亦為1.5級(jí)的壓力表，允許的最大絕對(duì)誤差為10MPa×1.5%=0.15MPa。因?yàn)榇藬?shù)值的絕對(duì)值小于該工藝允許的最大絕對(duì)誤差，故允許采用。求（續(xù)）：

2）若改為測(cè)量范圍為0～10MPa、準(zhǔn)確度為1.5級(jí)的壓力表，是否允許采用？試說明其理由。例4-2

某一壓力容器的壓力波動(dòng)較小，正常工作壓力為10MPa左右?，F(xiàn)要求示值相對(duì)誤差不大于1.5%，試確定：

1）壓力表的量程。

2）壓力表的準(zhǔn)確度等級(jí)。解1）設(shè)壓力表的量程為M，p=10MPa，則有以下不等式方程p＜M×2/3，且p＞M×1/3解此不等式方程，得M＞15MPa，且M＜30MPa，因此選擇量程為0~20MPa的壓力表。（續(xù)）求：2）壓力表的準(zhǔn)確度等級(jí)2）由題意可知，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差與示值相對(duì)誤差的關(guān)系為Δm=10MPa×1.5%=0.15MPa，要求所選壓力表的最大引用誤差按照表1-3所示的準(zhǔn)確度等級(jí)，選取0.5級(jí)壓力表。量程比量程比用于最小量程與最大量程的差距太大的場(chǎng)合。量程比是指最大測(cè)量范圍（URV）與最小測(cè)量范圍（LRV）之比。智能壓力傳感器（也稱智能變送器，具體定義見項(xiàng)目二）的“量程比”較大，可達(dá)40~400。量程比越大，實(shí)際測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度就越低，當(dāng)儀表的準(zhǔn)確度降低到最大量程的40%時(shí)，稱為“可用量程比”δ，即3051電容式壓力（差壓）變送器的型號(hào)和主要技術(shù)指標(biāo)305電容式壓力變送器代號(hào)壓力類型

CD差壓

CG表壓

CA絕對(duì)壓力

HD高溫差壓（過程溫度190℃）

HP高溫表壓（過程溫度190℃）

量程測(cè)量范圍（x1~x2kPa）或（x3~x4MPa）3051電容式壓力（差壓）變送器的型號(hào)和主要技術(shù)指標(biāo)例如，型號(hào)“3051HP（0~100kPa）2A”表示：電容式高溫表壓變送器，過程溫度為190℃，綜合準(zhǔn)確度為±0.25%FS，輸出信號(hào)為4~20mA及基于HART協(xié)議的串行通信信號(hào)。代號(hào)綜合準(zhǔn)確度（線性+重復(fù)性+遲滯）1±0.4%FS2±0.25%FS

代號(hào)信號(hào)輸出

N非智能型，4~20mA模擬輸出，無HART輸出

A4~20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字量輸出

MDC1~5V，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)字量輸出任務(wù)三壓力表的校驗(yàn)一、砝碼校驗(yàn)法1－砝碼2－托盤3－活塞4－活塞柱5－標(biāo)志線6－工作液（變壓器油）

7－手搖液壓泵8－手搖液壓泵活塞

9－絲杠10－手輪11－油杯12－進(jìn)油閥把手13－標(biāo)準(zhǔn)壓力表

14－被校壓力表圖4-18

活塞式壓力校驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)

活塞式壓力校驗(yàn)臺(tái)的力平衡關(guān)系p=mg/Am——測(cè)量活塞、托盤與砝碼重量之和（kg）；g——測(cè)量地的重力加速度（m/s2）；A——環(huán)境溫度為20℃時(shí)活塞的有效面積（m2）。校驗(yàn)方法：1）調(diào)整活塞式壓力計(jì)的水平位置。2）排除管道內(nèi)的空氣。3）關(guān)閉進(jìn)油閥，緩慢地旋轉(zhuǎn)手輪，使活塞