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The basic knowdage of PL 40.压力产品的基础知识。

3Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun

定义 ( 物理 ):

压力 : 垂直作用于单位面积上的力的大小定义为压力 P( 压强 )有如下公式 :

p = F/A

单位 : 帕斯卡 ( 牛顿每平方米 ):

1 Pa = 1 N/m2

什么是压力 ?


A) 官方定义的单位（ 1978年 1 月 1 日启用）- Pascal ( 帕斯卡 ) 1 Pa = 1 N/m2

-bar 1 bar = 105 Pa ( 广泛用工程技术行业 )

B) 用于液位测量- mmWS 1 mmWS = 9.80665...Pa = 0.098 mbar

C) 地区性的单位 ( 主要是英联邦国家和美国 )-psi, ftH20, inH20, inHg 1 psi = 0.068 bar

D) 用于医疗行业 , 比如血压- mm 汞柱 1 mmHg = 1 Torr = 133.322 Pa

E) 过时的单位 ( 从公斤力转换成牛顿 )- kp/cm2 1 kp/cm2 = 1 at = 98.0665...KPa

各种的压力单位


不同压力单位间换算


从技术上分为 3 种不同的压力形式 :

1. 差压 (differential pressure)

2. 绝压 (absolute pressure)

3. 相对压力 ( 表压 ) (gauge pressure, relative pressure)

不同的压力形式


表压 ( 相对压力 ) prel 是以环境压力 pamb （实际大气压）为基准来表示的压力 .它根据海波高度和天气的不同变化 .

带大气压力补偿的表压变送器

表压的值 :从 -pamb ... 无穷大 ,也可以是负值 ( 负压 )

表压是差压的一种 “差压 , 其中 p2 = 环境压力” 其它的表压表示方法 : 超压 ( 高于大气压 ), 负压 ( 低于大气压 ), 标准压力 ( 英语 )

3. 表压


绝压 pabs 是以绝对真空（零压）为基准，高于绝对真空的压力 .

绝压的值从 0 到无穷大 ,永远是正值绝压也是差压的一种 , 其中 p2 = 真空

2. 绝压

例如 :

通过真空泵把一个容器抽真空


两个压力 p1 和 p2 间的差被称为差压 p = p1 - p2

p1

p2 p

例如 : 流量测量或过滤网监测

例如 :带两个过程连接的智能压差变送器

1. 差压


举例：表压，用于液位测量

例如 :表压变送器作为投入式液位仪使用

表压测量变送器测量压力 p ( 一定高度的液体产生的静压 ) 并把这个信号转换成电子信号 .该信号在已知液体密度情况下，正比于液位的高度 . 公式： P=ρgh

应用 :井水 , 湖水 , 积水 , 游泳池 , 容器 ,罐 , 暖气系统等等 .

Quiz

3. 表压


区别 : 表压 / 绝压举例 : 通过真空泵把容器抽真空目的 : 当容器内压力达到 5 mbar 绝压的时候，关闭真空泵

设备的状态在晴天的时候 , 大气压力 960 mbar 在阴天的时候 , 大气压力 940 mbar

测量绝压 ( 正确 )

测量表压 ( 错误 )

测量绝压 ( 正确 )

测量表压 ( 错误 )

充满空气的容器( 大气压 )

960 mbar abs 0 mbar rel 940 mbar abs 0 mbar rel

空容器( 剩余 )

5 mbar abs - 955 mbar

rel

5 mbar abs -935 mbar rel

只有用绝压才能保证开关点为常数 .

请不要与前面 3 个压力形式混淆 :

-静压 (Static pressure)

- 公称压力 (PN)

其它的压力定义


公称压力 PN 是… ( 根据 ISO-Norm 7268)

用数字形式，表示设备的耐压能力目的是设备上的所有部件选用一个相同的公称直径和公称压力 .

实际上允许的工作压力取决于材料 , 设计和工作温度 . 是根据规定的压力 / 温度表格来选用 .

可以替代 PN 的另外一个概念是等级 "Class“, 它的单位是 psi

例如 :DIN PN 16 (in bar)

PN420 (in bar)

ANSI lbs 150 (in psi)lbs 300 (in psi)

公称压力 (PN)


汽车轮胎压力约 2 bar rel自行车轮胎压力约 4 bar rel香槟酒瓶中的压力 ( 密封时 ) 约 6 bar rel水管中的压力约 4 bar rel

10 米深的水的压力约 1 bar rel

100 m 深的水的压力约 10 bar rel海平面的大气压 ( 绝压 ) 约 1013 mbar abs

楚格峰 ( 德国 ) 顶的大气压 ( 约 2962 m) 约 724 mbar abs朱穆朗玛峰顶的大气压 ( 约 8848 m) 约 404 mbar abs宇宙中的压力 ( 真空 )

血压 ( 健康的人 ) 约 120/80 Torr

压缩机中的气体压力约 16 bar rel

液压中的油压约 400 bar rel

洁净室中的过压 ( 比如芯片加工 ) 约 2 mbar DP

高压共轨柴油直喷泵约 2000 bar rel

天气 : 高压（晴天）和低压（阴天）差约 20 mbar 绝对 0 mbar abs

min/ max / typ


高压锅 (120°C) 约 2 bar abs杀菌器 (142°C) 约 4 bar abs

炼奶机 ( 奶烙厂 ) 约 200 bar rel

声波压力 ( 可听波 ) 约 10-5 Pa DP声波压力 ( 房间里的声音大小 ) 约 0,02 Pa DP声波压力 ( 刺痛感波强 ) 约 150 Pa DP

蒸汽锅炉 ,发电厂 (225 °C) 约 26 bar rel

高压清洗机约 15-1000 bar rel

锅炉内压力 ( 发电厂 ) 约 5 mbar rel

孔板前后的作用压力约 1-100 mbar DP

地球中心的压力 ( 计算得到 ) 约 3.5 Mbar

太阳中心的压力 ( 计算得到 ) 约 220 Gbar

橡胶挤压机约 700 bar rel

水液位 (1m) 约 100 mbar rel


1 m 深的水的压力 ? 约 100 mbar rel(100 cmWS)

10 m 深水的压力 ?

约 1 bar rel

1000 m 水道深的压力 ? 约 100 bar rel

Quiz: 液位

1 m 深的汽油的压力 ( = 0.8) ? 约 80 mbar rel80 cmWS

10 m 供暖设备的压力 ? 约 1 bar rel


• 2. 2. 压阻应变片传感器压阻应变片传感器• 2.1 2.1 扩散硅扩散硅 – – 电阻应变片电阻应变片• 2.2 2.2 薄膜式薄膜式 - - 电阻应变片电阻应变片• 2.3 2.3 厚膜式厚膜式 - - 电阻应变片电阻应变片• 2.4 2.4 电阻应变片传感器比较电阻应变片传感器比较• 3. 3. 电容式压力传感器电容式压力传感器• 4. 4. 电感式压力传感器电感式压力传感器• 5. 5. 一览一览 / / 比较比较

内容


膜片

1. 压阻应变片原理• 电阻应变片把压力形变转化成电信号电阻应变片把压力形变转化成电信号• 电阻的改变通过惠斯登电桥放大加强电阻的改变通过惠斯登电桥放大加强• 电阻应变片可以是金属电阻应变片可以是金属 , , 金属合金金属合金 ,, 半导体或厚膜电阻组成半导体或厚膜电阻组成• 膜片大部分充当应变基体膜片大部分充当应变基体 ,, 最简单的膜片是圆形的最简单的膜片是圆形的 ..

电阻应变片电阻应变片电阻率电阻丝长度电阻丝横截面积


温度补偿( 模拟 )

每个传感元件除了压力传感芯片外还含有一个温度传感芯片 . 每个元件上的温度误差随温度的不同而不同 . 通过合理的接线可以实现用简单的方法达到足够好的温度补偿

1. 电阻应变片原理

对温度补偿来说 , 　电阻 RV ，ＲＬ，ＲＰ１，ＲＰ２必须由检测报告来确定


扩散硅电阻应变片（压阻效应）


结构 :半导体金属电阻的改变是由扩散硅晶体结构中的电子运动性改变引起的。由于半导体（大多数是硅）比金属应变片大１００倍左右的电阻改变值，使通过很小的压力传感器测量很小的测量范围成为可能（可以到 mbar 范围） .

２ .１扩散硅－电阻应变片（压阻）


２ .１半导体－电阻应变片（压阻）


半导体组装机

半导体传感元件

元件板


半导体元件组装机


连线机


压力传感器

温度传感器

连线

基座 (TO39)

压力传感元件


压力测量元件

不锈钢膜片

焊接环基座


压力测量元件的结构介质隔离 :

扩散硅元件是通过填充油和不锈钢膜片与介质隔离开的 .从而测量元件几乎可以适用所有有腐蚀的介质 .

根据需要 , 隔离膜片也可以用其它金属 , 比如说镍基合金


充油设备


惰性气体焊机


压力测量元件


优点 :• 通过半导体加工和微加工方面的先进技术可以大量生产• 很小的传感元件尺寸• 可以测量绝压• 部件可以焊接• 形式上多样化缺点 : • 需要和介质隔离 .• 温度漂移高 ( 必须接温度补偿 )



0.001 1000

p (bar)

压阻式 (1)

薄膜式 (2)

厚膜式 (3)

电容式 (4)

电感式 (5)

无隔离膜片只适用气体

0,250 100

40 1000

0.040

1.6 100

0.050 25

10.0005

测量范围

测量范围一览


2.2 薄膜式 - 电阻应变片


结构 :

大多数情况下 , 圆形膜片作为变形体使用 . 大部分是由不锈钢组成 .

在膜片上要有一层绝缘材料 .

通过光电效应把膜片金属和绝缘层连接起来 . 前提条件是长期稳定性并且无断损变形 .

上覆一对变形敏感的应变层 (喷雾 , 在高真空下喷洒 ) 最后用影像平板蚀法过程把应变片在湿浸条件下生产出来 .



优点 : • 传感器实际上由一个部分组成 ,非常结实• 不需要和介质隔离• 高负载能力• 高长期稳定性• 高抗破裂能力缺点 : • 只能表压范围• 变形敏感度小 ,输出信号小• 因为传感器直径小 , 测量范围要大于 30 bar才行



2.3 厚膜式 - 电阻应变片


陶瓷传感器过程连接结构3 种介质接触材料 :

• 陶瓷膜• 密封圈• 过程连接

注意 :陶瓷传感器总需要密封圈



优点 :• 成产成本低• 小于破裂界限值 ,陶瓷一直都有很好的弹性和重复性• 金属厚膜传感器是可焊接的缺点 :• 传感器灵敏度小• 测量范围的局限性• 在传感器和过程连接间 , 必须使用密封圈 (陶瓷 )



0.001 1000

p (bar)

Piezoresistiv (1)

薄膜式 (2)

厚膜式 (3)

电容式 (4)

电感式 (5)

0.250 100

40 1000

0.040

1.6 100

0.050 25

10.0005

测量范围

测量范围一览

无隔离膜片只适用气体


陶瓷厚膜式金属薄膜式扩散硅 ( 压阻式 ) 测量范围 1.6...100 bar 100...600 bar 0.25...100 bar

压力形式表压表压表压 / 绝压介质接触部分 Al²O³ /橡胶 1.4571/1.4542 1.4571/1.4435

结构密封性渗漏 O-Ring “焊接 , 不透气密封” “焊接 , 不透气密封“

破裂压力 3-5倍满量程 3-5倍满量程 4倍满量程超压 -破裂情况破裂 / 超压变形 / 破损 /(膜片 ) 介质流出 “保持密封” 保持密封

2.4 电阻应变片传感器比较


结构 :陶瓷电容压力传感器

CP-阳电极CR-阴电极

连接环

基座

带有相应电极的压力膜片

带电子处理元件的CMOS-ASIC

背面

3. 电容压力传感器


优点 :• 超压性能好 • 长期稳定性能好• 膜片可高负载外力• 干的测量元件 ( 无填充油 )

缺点 :• 必须加密封垫圈• 快速的温度变化时有问题

3. 电容压力传感器


膜片电感式位移接收器

外壳过程连接

4. 电感式压力传感器结构


外壳

波曼诺铁镍合金块

膜片

压力

位移接收器

位移接收器

功能4. 非接触式压力传感器


压力

位移接收器

位移接收器

4. 非接触式压力传感器


优点 :• 可以用于很小的压力范围 (0.6 mbar)

缺点 :• 承受超压能力差 • 仅仅适用于气体 , 不适合液体• 适用温度范围小 -10 °C ... +50 °C



原理

膜片材料测量范围典型

特点

电阻应变片扩散硅

金属 0.2... 100 bar rel., abs. , diff.

带填充油可焊接

电阻应变片薄膜

金属 25 ... 1000 bar rel.

无填充油传感器抗破裂压力好可焊接

金属

1.6... 100 bar rel.

无填充油传感器抗破裂压力好可焊接

电阻应变片厚膜

陶瓷

1.6... 100 bar rel.

带密封圈无填充油传感器

电容式

陶瓷 50 mbar ... 40 bar rel., abs.

带密封圈无填充油传感器可承受机械外力

电感式

金属 0.6 ... 1000 mbar rel. , diff.

只适用气体

5. 一览 / 比较


陶瓷金属充油金属陶瓷厚膜式压阻式薄膜式电容式 MIDAS（ 401001 ） MIDAS SI（ 401006 ） MIDAS HP（ 401005 ） ---- MIDAS DP（ 401050 ）

---- dTRANS p30 dTRANS p30 404327 dTRANS p33 (Ex) dTRANS p33 (Ex)

dTRANS p32 dTRANS p31

CANtrans p (402055) CANtrans p (402056) CANtrans p (402056) ---- CANtrans pT (402057) CANtrans pT (402057)

---- dTRANS p02 dTRANS p02 dTRANS p02 Keramik dTRANS p02 DELTA

一览 : 在 JUMO 压力变送器的应用

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