Welcome to PL40,Pressure world!. The basic knowdage of PL 40. 压力产品的基础知识。

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1 Welcome to PL40,Pressure world!

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

3 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/m 2 什么是压力 ?

4 4Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun A) 官方定义的单位（ 1978 年 1 月 1 日 启用） - Pascal ( 帕斯卡 )1 Pa = 1 N/m 2 -bar1 bar = 10 5 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

5 5Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 不同压力单位间换算

6 6Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

7 7Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 表压 ( 相对压力 ) p rel 是以环境压力 p amb （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 -p amb... 无穷大, 也可以是负值 ( 负压 )  表压是差压的一种 “ 差压, 其中 p 2 = 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

8 8Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 绝压 p abs 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 p 2 = 真空 2. 绝压 例如 : 通过真空泵把一个容器抽真空

9 9Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 两个压力 p 1 和 p 2 间的差被称为差压  p = p 1 - p 2 p1p1 p2p2  p 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

10 10Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

11 11Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 abs0 mbar rel940 mbar abs0 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.

12 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

13 13Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 : DINPN 16(in bar) PN420(in bar) ANSIlbs 150(in psi) lbs 300(in psi) 公称压力 (PN)

14 14Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

15 15Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

16 16Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 rel 80 cmWS 10 m 供暖设备的压力 ? 约 1 bar rel

17 17Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2. 压阻应变片传感器2. 压阻应变片传感器 2.1 扩散硅 – 电阻应变片2.1 扩散硅 – 电阻应变片 2.2 薄膜式 - 电阻应变片2.2 薄膜式 - 电阻应变片 2.3 厚膜式 - 电阻应变片2.3 厚膜式 - 电阻应变片 2.4 电阻应变片传感器比较 2.4 电阻应变片传感器比较 3. 电容式压力传感器3. 电容式压力传感器 4. 电感式压力传感器4. 电感式压力传感器 5. 一览 / 比较5. 一览 / 比较 内容

18 18Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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, 金属合金, 半导体或厚膜电阻组成 电阻应变片可以是金属, 金属合金, 半导体或厚膜电阻组成 膜片大部分充当应变基体, 最简单的膜片是圆形的. 膜片大部分充当应变基体, 最简单的膜片是圆形的. 电阻应变片 电阻率 电阻丝长度 电阻丝横截面积

19 19Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun

20 20Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 R V ，Ｒ Ｌ ，Ｒ Ｐ１ ，Ｒ Ｐ２ 必须由检 测报告来确定

21 21Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 扩散硅电阻应变片 （压阻效应）

22 22Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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）

23 23Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun ２. １ 半导体－电阻应变片（压阻）

24 24Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun ２. １ 半导体－电阻应变片（压阻）

25 25Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 半导体组装机 半导体传感元 件 元件板

26 26Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 半导体元件组装机

27 27Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 连线机

28 28Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 压力传感器 温度传感器 连线 基座 (TO39) 压力传感元件

29 29Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 压力测量元件 不锈钢膜片 焊接环 基座

30 30Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

31 31Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 充油设备

32 32Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 惰性气体焊机

33 33Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 压力测量元件

34 34Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 ) ２. １ 半导体－电阻应变片（压阻）

35 35Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 0.0011000 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 0,250100 401000 0.040 1.6100 0.050 25 10.0005 测量范围 测量范围一览

36 36Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.2 薄膜式 - 电阻应变片

37 37Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.2 薄膜式 - 电阻应变片

38 38Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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. 2.2 薄膜式 - 电阻应变片

39 39Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 2.2 薄膜式 - 电阻应变片

40 40Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

41 41Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

42 42Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

43 43Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

44 44Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

45 45Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 ) 2.3 厚膜式 - 电阻应变片

46 46Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 0.0011000 p (bar) Piezoresistiv (1) 薄膜式 (2) 厚膜式 (3) 电容式 (4) 电感式 (5) 0.250100 401000 0.040 1.6100 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

47 47Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

48 48Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 结构 : 陶瓷电容压力传感器 CP-阳电极CP-阳电极 C R - 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

49 49Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

50 50Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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

51 51Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 外壳 波曼诺铁镍合 金块 膜片  压力 位移接收器 功能 4. 非接触式压力传感器

52 52Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun  压力 位移接收器 4. 非接触式压力传感器

53 53Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 4. 非接触式压力传感器

54 54Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 4. 非接触式压力传感器

55 55Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 5. 一览 / 比较

56 56Messwertgeber für Temperatur und Feuchte | Michael Braun 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 p02dTRANS p02 dTRANS p02 Keramik dTRANS p02 DELTA 一览 : 在 JUMO 压力变送器的应用

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