拉压力传感器(弹性式压力表、弹簧管压力表、压阻式压力传感器的原理、选型、安装)

拉压力传感器
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弹性式压力表、弹簧管压力表、压阻式压力传感器的原理、选型、安装

 弹性式压力表
       

齐亚斯弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单,价格低廉,现场使用和维修都很方便,又有较宽的压力测量范围,因此在工程中获得了非常广泛的应用。 
        1.  弹性元件
       采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件,可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图15-29给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量; 单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。

图15-30为利用弹性形变测压原理图。活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧,弹簧一端固定,当通入被测压力p时,弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡,在弹性形变的限度内, 弹簧被压缩后产生的弹性位移量Δx与被测压力p的关系符合胡克定律,表示为

式中: c——弹簧的刚度系数; 
         A——活塞的有效面积。

图15-30  弹性元件测压原理图

当c、A为定值时,测量压力就变为测量弹性元件的位移量Δx。 
        金属弹性元件都具有不完全弹性,即在所加作用力去除后, 弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象,这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关。若要减小这方面的误差,则应注意选用合适的材料,加工成形后进行适当的热处理等。
2.  弹簧管压力表
        弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久,应用广泛。 弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形(椭圆形或扁形),弯成圆弧形的空心管子,如图15-31所示。 管子的一端为封闭,作为位移输出端,另一端为开口,为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后,非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形,并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩,其结果使弹簧管的自由端由B移至B′而产生位移,弹簧管的中心角减小Δθ,如图15-31中虚线所示。中心角的相对变化量Δθ/θ与被测压力p有如下的函数关系:

图15-31  单圈弹簧管结构
由前面可知,如果a=b,则Δθ=0,这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管,中心角变化量Δθ比较小,要提高Δθ,可采用多圈弹簧管。 
        弹簧管压力表结构如图15-32所示。被测压力由接头9通入, 迫使弹簧管1的自由端产生位移,通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮所产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置(即改变机械传动的放大倍数),可以实现压力表量程的调整。

图15-32 弹簧管压力表
3.  压阻式压力传感器
        压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件,它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻, 当它受外力作用时,其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件,常用的是单晶硅膜片。 
        图15-33是压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构,封装在外壳内。在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,两片位于受压应力区,另外两片位于受拉应力区,它们组成一个全桥测量电路。 硅膜片用一个圆形硅杯固定,两边有两个压力腔,一个和被测压力相连接的高压腔, 另一个是低压腔,接参考压力,通常和大气相通。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。

图15-33 压阻式压力传感器的结构示意图
(a) 内部结构; (b) 硅膜片示意图
压阻式压力传感器的主要优点是体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想,目前发展较为迅速和应用较为广泛的一种压力传感器。
        这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响, 从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,它利用大规模集成电路技术,将传感器与微处理器集成在同一块硅片上,兼有信号检测、处理、记忆等功能,从而大大提高了传感器的稳定性和测量准确度。
4.  压力传感器的选用与安装
      (1) 压力传感器的选用 在工业生产中,对压力传感器进行选型,确定检测点与安装等是非常重要的,传感器选用的基本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、 测压范围、允许误差、介质特性及生产安全等因素,要经济合理,使用方便。 
        对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作,在选择传感器量程时必须留有足够的余地。 一般在被测压力较稳定的情况下,最大压力值应不超过满量程的3/4;在被测压力波动较大的情况下,最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度,被测压力最小值应不低于全量程的1/3。
如要测量高压蒸气的压力,已知蒸气压力为(2~4)×105 Pa,生产中允许最大测量误差为104 Pa,且要求就地显示。如何选择压力表呢? 根据已知条件及弹性式压力传感器的性质决定选Y-100型单圈弹簧管压力表,其测量范围为(0~6)×105Pa(当压力从2×105 Pa变化到4×105 Pa时,正好处于量程的1/3~2/3)。 要求最大测量误差小于104 Pa,即要求传感器的相对误差

所以应选精度为1.5级的表。
(2) 压力传感器的安装    传感器测量结果的准确性,不仅与传感器本身的精度等级有关,而且还与传感器的安装、使用是否正确有关。 
        压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况处。因此,取压点不能处于流束紊乱的地方,即要选在管道的直线部分,离局部阻力较远的地方。 
         测量高温蒸气压力时,应装回形冷凝液管或冷凝器,以防止高温蒸气与测压元件直接接触。如图15-34(a)所示。

图15-34 测量高温、 腐蚀介质压力表安装示意图
(a) 测量蒸气; (b) 测量有腐蚀性介质
测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时,应加装充有中性介质的隔离罐, 如图15-34(b)所示。隔离罐内的隔离液应选择沸点高、 凝固点低、 化学与物理性能稳定的液体,如甘油、 乙醇等。 
   齐亚斯压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图15-35所示情况,压力表的指示值要比管道内的实际压力高,应对取压管道的液柱附加的压力误差进行修正。

图15-35 压力表位于生产设备下安装示意图

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