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压力和液位传感器测量实验
压力和液位传感器测量实验
一、实验目的:
1.了解压力传感器和液位传感器的工作原理和结构
2.学习如何安装和使用压力传感器、液位传感器
3.学习如何测定和校正传感器的量程曲线
4.学习传感器、数字转换仪表的连接和参数设置
二、实验装置与试剂
压力传感器一台,液位传感器一台,直流电源,数字显示仪表,高位槽,低位槽,电磁阀。
三、实验原理
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业过程的测量和自控包括石油、化工、航空、制药、环境等不同的行业和过程,按照不同的类型,还可以有用来测量液体或气体压力的,测量物体重量的,测量流体压差的和物体的位移量。
也可以分别叫做压力传感器、重量传感器、液位传感器和差压传感器等名称,下本实验简单介绍一些常用传感器原理与其应用。
实验装置为一个透明的有机玻璃塔,也可以作为一个液体罐。
在塔体的下部,安装有压力传感器,通过改变液体的高度,或者气体的压力,都可以造成系统压力的变化,可以用来测量塔内液体水产生的压力,并显示在数字仪表上。
该数据也可以直接连接到计算机上,实现在线监控和采集。
在塔的上、下部位,安装有液位传感器,用来测量液体的位差。
本实验中液体是水,不管液体上方的气体压力如何变化,液位传感器只是测量上下两个测量口之间的压力差。
图1压力/液位传感器测量试验流程图
传感器测量原理:
压力传感器的种类繁多,有压阻式压力传感器、电容式压力传感器、半导体应变片压力传感器电、感式压力传感器、谐振式压力传感器与电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以与较好的线性特性。
压阻式压力传感器:
通常是将电阻膜片通过特殊的粘和剂严密的粘合在一个固定基体上,当基体受力发生应力变化时,膜片的电阻值也发生相应的改变,如果电路中有一个恒流源,从而使加在电阻上的电压发生变化。
通过用电桥放大后测量该电压值,就可以知道施加到膜片上的压力值。
电阻膜片应用最多的是金属电阻膜片和半导体膜片两种。
金属电阻膜片又分丝状膜片和金属箔状片两种。
金属电阻膜片是利用吸附在基体材料上金属丝或金属箔,受应力变化时,电阻发生变化的特性来测量的。
应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。
图2传感器接线原理
采用水的变化来引起压力和压差的变化,用压力传感器来测量气体或液体的压力,用差压传感器来测量液位的差异,也就是液体高度。
实验采用水为实验物系,水可以连续的参加到一个透明的有机玻璃塔中,该塔也可以代表一个液体罐。
当液位不同时,压力传感器测量到的压力不同,同样液位传感器测量的数值也不同。
通过不断的改变液体的高度,就可测出不同的压力和液位值。
四、实验步骤
1.检查实验装置的仪器和设备,是否完好?
2.将水管连接到水龙头上,并连接到有机玻璃塔的进口,检查是否漏水?
水能否流入到塔内?
3.检查压力传感器、液位传感器连线是否正确?
并按照实验原理和仪表说明书,将信号,电源线连接好。
本实验中,压力传感器采用250Ω的电阻,INP采用第33个,正极接“17〞,负极接“18〞;液位传感器采用50Ω的电阻,INP采用第32个,正极接“19〞,负极接“18〞。
4.连接完成后,让指导教师检查。
待教师确认后,可以开始实验。
5.按照仪表的操作说明,和传感器的量程说明,设定好仪表的输入上下限。
压力传感器的X围为0-1at,液位传感器的X围为0-5m。
6.改变液体的高度,每次改变10厘米水柱,分别记录压力传感器的数值和液位传感器的数值,记录液体的温度。
7.从玻璃塔下的放水阀往外放水,每次改变10厘米水柱,也分别记录压力传感器的数值和液位传感器的数值,记录液体的温度。
五、实验数据计算和处理
往有机玻璃塔内加水时记录的实验数据见表1。
表1实验数据
压力显示值〔at〕
液位显示值(m)
液体高度(m)
液体温度(℃)
液体密度〔Kg/m3〕
0
/
997.07
21
997.045
31
997.045
41
997.02
51
997.045
61
997.045
71
997.095
从塔内放水时记录的实验数据见表2。
表2实验数据
压力显示值〔at〕
液位显示值(m)
液体高度(m)
液体温度(℃)
液体密度〔Kg/m3〕
997.045
997.045
2
997.045
2
997.045
2
997.045
2
997.045
2
997.045
2
997.045
0
/
将在某一液位高度下记录的两组数据取平均值,结果见表3:
表3计算数据
压力显示值〔at〕
液位显示值(m)
液体高度(m)
液体温度(℃)
液体密度〔Kg/m3〕
0
/
997.045
22
997.045
32
997.045
2
997.045
52
997.045
62
997.045
72
997.045
997.045
1.压力传感器测量校正曲线:
把压力传感器测量的数值和用水的高度换算的数值,在直角坐标上作图,X轴为压力传感器测量的实际数值,Y轴为用水的密度、温度和高度换算出的水压力,这些点可以连接成一条直线,以后只要根据仪表读数,就可以知道真实的压力了。
根据P=ρgh,g=9.8N/Kg,ρ为液体在某一温度下密度,h为实际液位高度。
第一行数据忽略,对第二行数据:
P=997.045Kg/m3*9.8N/Kg*0.1*10-5=0.010at.
其余以此类推,得数据表格如下:
表2压力实际值计算数据
压力显示值〔at〕
32
42
52
62
72
81
压力实际值(at)
图3压力实际值与压力显示值曲线
2.液位传感器测量校正曲线:
把液位传感器测量的数值和用水的实际高度,在直角坐标上作图,X轴为液位传感器测量的数值,Y轴为水的实际测量高度,这些点可以连接成一条直线,以后只要根据仪表读数,就可以知道实际的液位高度。
表3液位实际值与显示值数据
液位显示值〔m〕
液位实际值(m)
图4液位实际值与显示值曲线
六、实验结果与讨论
1通过实际数据进展理论计算,将水压的理论值和实际值进展比照,做出校正曲线。
校正曲线为一条直线,说明此压力传感器的稳定性非常好;但是压力传感器的实测数据与理论数据有偏差,通过这种方式,使压力传感器得到了很好的校正。
2将液位的显示值和实际值进展比照,做出校正曲线。
校正曲线为一条直线,线性度非常高,说明此液位传感器的稳定性非常好;由数据可以看出,液位的显示值和实际值的偏差较小,说明此液位传感器的精度较好。
七、实验问题回答
1.压力传感器有哪几种主要测量原理?
答:
压力传感器主要有压阻式传感器,主要原理是:
将电阻膜片通过特殊的粘和剂严密的粘合在一个固定基体上,当基体受力发生应力变化时,膜片的电阻值也发生相应的改变,如果电路中有一个恒流源,从而使加在电阻上的电压发生变化。
通过用电桥放大后测量该电压值,就可以知道施加到膜片上的压力值。
电容式压力传感器:
将膜片和基片构成一个腔体,待测压力使得陶瓷膜片弯曲情形,如此就能改变组件的电容量,借着参加必须的电子电路,尽可能将此变形与压力之变化互成关系。
因此电容量的变化即比例于压力的变化。
半导体压力传感器:
此种装置也是应用压电效应与电桥电阻形式获得量测结果,在硅支撑物上利用扩散的方法,用以产生膜片,包含电桥电阻的单元以静电处理固定在支撑玻璃上。
所以,它就与外界形成机械性的隔离。
当硅质膜片偏向时,电桥的输出就随着改变。
2.液位传感器的安装有什么要求?
测量原理是什么?
答:
液位传感器必需安装在塔的上、下部位,并且上端不能低于液面的最高实验值。
当液位不同时,压力传感器测量到的压力不同,同样液位传感器测量的数值也不同。
通过不断的改变液体的高度,就可以按照下式〔1〕、〔2〕计算出压力和液位值:
液体压力=H〔液体高度〕+液体上方气体压力〔液柱高度〕〔1〕
液位值=低点的〔〔液体高度〕+液体上方气体压力〔液柱高度〕〕-高点的〔〔液体高度〕+液体上方气体压力〔液柱高度〕〕〔2〕
3.怎样使用压力校正曲线?
用实验数据举例说明。
4传感器的接线方式有那些?
有什么应用区别?
答:
对于压力传感器,信号的输出可以分成三线制和二线制两种方式。
一般三线制信号输出通常是电压信号,而电流信号的输出一般为两线制。
当压力传感器承受到不同的压力时,元件会发生电阻或电压的变化。
当在元件的两端接上一个直流电压时,也就是通常的电源,那么在回路中,就会产生对应力的电流。
如果把这个电流通过一个电阻,那么电阻两端就会产生一个固定的电压。
该电流或电压值,随压力的变化而变化,得到了准确的电压或电流值,就可以反算出元件承受的压力。
在三线制方式,通常一根是电源的正极,用红线表示,一根是电源的负极,一般用蓝色或绿色的线连接,第三根是信号线的正极,一般是黄色线,信号线的负极和电源的负极,是同一根线。
比如,一个三线制的压力传感器,电源电压为24V,压力测量的X围是,信号输出X围是0-5V,如此当信号电压为1V时,压力为。
在二线制方式,通常一根是电源的正极,用红线表示,一根是电源的负极,一般用蓝色或绿色的线连接,当压力发生变化时,该回路中的电流就发生相应的变化,一般是在回路中接一个电阻,再把电阻两端的直流电压引出来测量。
当然,也可以直接测量电路中的电流。
比如,一个二线制的压力传感器,电源电压为24V,压力测量的X围是,信号输出X围是0-20MA,如此当回路中电流测量值为10MA时,系统的压力为。
5.如何用液位传感器控制一个自动阀?
答:
先设定一个需要控制的高度,当液位传感器测量的液体高度大于仪表设定好的控制值时,仪表会驱动出水电磁阀打开,让液体排出;当塔内液体小于要求的高度时,会输出信号控制出水电磁阀会自动关闭,或者使进水电磁阀打开,保持在设定的液位。
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- 关 键 词:
- 压力 传感器 测量 实验