工业仪表与工程测试第4章压力测量.ppt

第四章 压力测量,1、概述：压力单位、压力检测仪表的分类； 2、液柱式压力计：原理和结构、液柱式压力计的测量误差及其修正； 3、活塞式压力计：简单活塞式压力计、差动活塞式压力计； 4、弹性压力表：弹性元件、弹性压力计的误差及改善途径； 5、应变式压力传感器：电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器、力平衡式压力传感器（参照第二章自学）； 6、测压仪表的选择和安装：压力仪表的选择、压力表的校验、压力表的安装；,4.1概述,4.1.1 压力测量的目的 确定流体输送管路的阻力； 为选择流体机械设备提供依据； 测定压力容器内部压力，保证容器安全工作。 4.1.2 压力单位 工程技术中的压力实际上是指物理学中的压强，即物体表面单位面积上所受的法向作用力。 压力表示方法: 绝对压力(P); 大气压力(p);负压或真空度(p);压力差(p) 压力单位: atm; Pa(MPa); mmH2O; mmHg,如水泵，等,确定沿程阻力,4.1.3 压力测量仪表（传感器）种类,(1)机械压力测量仪表（传感器） 1) 压力使管内液柱升高（或降低），当液柱产生的重力与被测压力达到平衡时，根据液柱高度及其比重即可表示出压力（液柱压力计）； 2）若物体由于压力作用发生弹性变形，当弹性力与压力形成的力达到平衡时，变形值即可反映压力大小（弹性压力表）； 3）当一定压力的液体通过活塞升举一定重量的物体并达到平衡时，物体的重量除以液体作用于活塞有效面积即表示液体的压力（活塞式静重压力计）。,（2）电子压力测量仪表（传感器） 有的物体受压力作用后，其某种电气性能会发生变化。测出该电气参数的变化值即可测知压力。 1）压电现象（piezoelectricity） 晶体发生机械变形时产生相应的面电荷或体电荷的现象； 2）压阻效应（pressure-resistance effect） 物体在压力作用下发生的电阻率变化。 机械式压力传感器的特点：结构简单，使用方便，技术成熟。但体积大，动态特性差，只适用于作就地指示仪表，不易于信号远传。 电气式压力传感器的特点：体积小，灵敏度高，动态特性好，便于远传,4.2 液柱式压力计,封液1，1,封液2，2,介质，,特点：结构简单， 使用方便，用于 测量小于1000mmHg 的低静压。 缺点：体积大， 读数不便， 玻璃管易损。,液柱式压力计是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用的液体叫做封液，常用的封液有水、酒精、水银等。,4.2.1 液柱式压力计的原理和结构 当被测压力与封液液柱的压力相平衡时，水平面A-A处的静压力平衡方程：,封液1,1,封液2,2,介质，,若1 2，则上式简化为：,（1）,（2）,（3）,若1=2，则上式简化为：,上式说明，封液以上的介质相当于减小了封液密度，使仪表的测量范围减小，但灵敏度提高。利用此现象可设计测量微压的U形压力计。,注意：读数时应分别读取h1和h2，然后相加，以避免产生误差。,（4）,液柱式压力计的基本结构： 连通U形管、封液、标尺 封液的作用：隔离U形管二侧的介质，并形成一定高度的液柱，以平衡被测压力。 对封液的要求： （1）不与被测介质发生物理和化学反应； （2）流动性好； （3）液面清晰； （4）密度不同于被测介质：封液密度大，则测量上限高；密度小时，灵敏度高。 液柱式压力计阻尼特性较差，被测压力波动时，易发生振荡。,4.2.2 单管压力计和斜管微压计,4.2.2.1 单管压力计 对于不可压缩流体，根据质量守恒定律，有 F1h1=F2h2 h1=F2h2 /F1,当F1F2时，F2/F10，则,当F2/F1 0.01时，因只读h2引起的误差 1%,（5）,（6）,4.2.2.2 斜管微压计,测量微压（差）及负压时，液柱升高很小，此时读数和毛细现象误差较大。若使h2增大，则可减小误差。 当细管倾斜角度为时，液柱由h2变为l，读数为,注意： 一般不小于150, 否则读数困难。,（7）,4.2.3 液柱式压力计的误差及修正,4.2.3.1 毛细现象的影响 封液在管内的毛细现象使液柱产生附加的升高或降低（由管内径、弯曲液面的上凸或下凹决定）。 管内径不小于10 mm；单管压力计用水作封液时，常温下的毛细误差小于2mm；用Hg作封液时，小于1mm。 4.2.3.2 温度的影响,修正： 设温度为t 时，液柱指示值为h1+h2,有,标准状态时液柱指示值为h1+h2，则,（9）,t0t范围内封液的平均体膨胀系数，1/,4.2.3.3 重力加速度的影响,仪器使用地的重力加速度,仪器使用地的纬度,仪器使用地的海拔高度,地球半径,4.2.3.4 读数误差,4.2.3.5 仪器倾斜误差,二液柱的距离,仪器倾斜角度,（11）,4.3.1 简单活塞式压力计 平衡时，,4.3 活塞式压力计,活塞半径,注意： （1）活塞式压力计的使用温度：205 ； （2）测量时，活塞以30120r/min的角速度连续转动，以保持其与活塞缸间的油膜,活塞与活塞缸的径向间距,活塞、承重盘、砝码重之和,活塞有效面积,4.3.2 差动式活塞压力计 调零：关闭阀门1和2，打开阀门3，使系统与大气相通。 此时，未加砝码的盘6和7升至同一规定高度，达到零点。有,若不平衡，视盘6和7偏离规定高度的程度调整。 盘6超高时，打开阀4，调整调零容器8，减小p1,盘6降至规定高度时，关闭阀4； 盘7偏低时，打开阀5，调整调零容器8，使其中的油压入油管，增大gh，然后关阀5。 调零需反复几次。零位调好后，阀3、4、5均关闭。,1,2,3,4,5,6,7,8,阀门（1、2、3、4、5）,简单活塞压力计承重盘G1,差动活塞压力计承重盘G2,调零容器,被校表（9、10）,微调容器,油杯,简单活塞,差动活塞（14、15）,检验测量步骤：由阀1（或2）通入压力P，被校 表9、10有指示，盘7升高，盘6下降。在盘7上加砝码G2，使二盘回至规定位置。此时,式(14)式(13)得被测压力（表压）：,当由阀1（或2）通入的压力小于大气压力时，盘7下降，盘6上升。在盘6上加砝码G1，使二盘回至规定位置，有,（14）,（15）,（17）,（16）,1,6,5,4,3,2,7,8,9,式（16）（12）得,式（18）代入式（17） ，得,即,（18）,（19）,负压,（17）,（13）,这种活塞式压力计的技术规格为（以YU型为例）： 测量范围：真空0760 mmHg；压力02.5105Pa。 精度等级：二等标准仪器，误差按量程分12.55106Pa：0.05%；01.5105Pa：0.5mmH2O；80760mmHg：0.05%；080mmHg：0.04mmHg。 专用砝码：测量压力为5.5105Pa的有4个；1.5105Pa的有4个；5.5103Pa的有4个；测量真空为100mmHg的有7个；50mmHg的有2个。,弹性压力表 的第一个环节弹性压力传感器,4.4 弹性压力表,组成：弹簧管、齿轮传动机构、指针和刻度盘,弹性压力传感器的信号变换过程：,弹性压力表的第二个环节位移变换器： 用以显示变形，其输出是指针位移，亦可为气信号或电信号,4.4.1 弹簧管压力计,弯曲成圆弧形、螺旋形或S形等形状的管子。 管截面为非圆断面扁圆形或椭圆形，截面短轴方向与管弯曲的径向一致。 一端封闭，另一端敞开。封闭端可自由运动，其位移作为输出信号；开口端固定于仪表外壳上，被测压力由此通入弹簧管内。,测量范围宽：0.2Pa(0.02mmH2O)10MPa,工作工程： 当它的内腔被接入被测压力后，在压力的作用下它会发生变形。短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受力也大。 当管内压力比管外的大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面区域更圆，产生弹性形变。由于短轴方向与弹簧管圆弧形的径向一致，变形是自由端向管子伸直的方向移动，产生管端位移量，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。 当变形引起的弹性力与被测压力产生的作用力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。,膨胀管,4.4.2 膜式压力计 分膜片压力计和膜盒式压力计，前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，后者常用于测量气体的微压和负压。他们的敏感元件分别是膜片和膜盒。膜片和膜盒的形状如图。,波纹膜片通常用于测量小压力，测压范围： 040000Pa(4000mmH2O)。 最大测压上限：6MPa,膜片分为弹性膜片和挠性膜片。使用时周边夹紧，输出为膜片中心的位移。,膜片压力计是利用金属胶片作为敏感元件。膜片是四周加以固定的冈形薄片，当膜片两侧面受到不同压力时，膜片将弯向压力低的一面，使其中心产生一定位移，通过传动机构使指针在度盘上转动，指示出被测压力值。 图3-7为一种膜片压力计的结构图，膜片1固定在两个凸缘2的中问，膜片下部承受被测压力，上部则为大气压，膜片中央固定着小杆3，当所测压力变化时，膜片就带动小仟3上下移动，因而也使淮杆4推动扇形齿轮6，从而使齿抡7及固定在它轴上的指针8转动，这样在刻度盘上就可读出相应的压力数值。,4是由两片有凹凸波纹的膜片组成的膜盒。该膜盒通过导压管17与需要测量压力的空间相通。当测压空间的压力变化时，膜盒受力也就发生变化，它的容积也就产生变化。由于膜盒变形，容积增大或缩小，焊在膜盒中心的梢钉7就推动杠杆12，杠杆11又借拉杆12和14的帮助把指针5推转一个角度。,图4-7膜盒式压力计 1-调零螺杆；2-基座；3-刻度板；4-膜盒；5-指针；6-调零板；7-限位螺丝；8-弧形连杆；9-双金属片；10-轴；11-杠杆架；12-连杆；13-指针轴；14-杠杆；15-游丝；16管接头；17-导压管,4.4.3 波纹管压力计 波纹管是外周沿轴向有深槽形状的波纹褶皱，可沿轴向伸缩的薄壁管子。它受压时的线性输出范围比受拉时的大，故常在压缩状态下使用。波纹管式压差计以波纹管为感压元件来测量压差信号，有单波纹管、双波纹管两种，主要用作流量和液位测量的显示仪表。,1-连接轴； 2-单向受压的保护阀； 3-推板； 4-摆杆； 5-扭力管； 6-心轴； 7-量程弹簧组；8-中心基座； 9-阻尼阀； 10-阻尼旁路；11-阻尼环； 12-填充液； 13-滚针轴承；14-玛瑙轴承；15-隔板； 16-平衡阀,连接轴1固定在波纹管B1，B2端面的刚性端盖上，B1、B2被刚性的连接在一起。B1、B2通过阻尼环11与中心基座8间的环形间隙，以及中心基座上的阻尼旁路10相通。量程弹簧组7在低压室，其两端分别固定在连接轴和中心基座上。接入被测压差后，B1，被压缩，其中的填充液通过环形间隙和阻尼旁路流向B2，B2伸长，量程弹簧7被拉伸，直至压差在B1、B2两个端面上形成的力与量程弹簧及波纹管产生的弹性力相平衡为止。这时连接轴系统向低压侧有位移，挡板3推动摆杆4，带动扭力管5转动，使一端与扭力管固定在一起的心轴6发生扭转，此转角反映了被测压差的大小。,4.5 应变式压力传感器（自学）,分类： 1、电阻应变式压力传感器； 2、电容式压力传感器； 3、电感式压力传感器； 4、力平衡式压力传感器。 应用场合： 远距离传送压力信号。 特点 简单、可靠、维护量小、动态特性好、便于小型化。,4.5.1 电阻应变式压力传感器,组成：电阻栅、基底、覆盖层,工作原理：应变传感器变形时，由于电阻栅的几何尺寸和电阻率改变，导致其电阻值发生变化。,原理：电阻率变化引起电阻变化。,金属电阻应变片工作原理：压力引起尺寸变化，导致电阻变化。包括丝绕式和箔式。,设一段电阻栅长度为l ，截面积为A，在外力作用下长度变化为l,面积变化为A，电阻率变化为，则电阻栅的电阻值变化为,或,由材料力学知，材料横向应变与轴向应变的关系为,泊松系数,（26）,（27）,（28）,所以，式（27）可写为,电阻应变系数或应变传感器的灵敏系数,K的物理意义：单位应变引起的电阻值的相对变化。,K的数值可由实验确定，一般金属材料:K26；半导体材料: 可达180,可见，当Kconstant时，可用电阻的变化来反映轴向应变。,应变传感器常用材料的某些特性,4.5.3 电容式压力传感器,工作原理：弹性敏感元件作为感受压力的元件，并作为活动板，与固定在传感器壳体上的定极板形成电容器，当压力通过工作介质传递到动极板上时，膜片产生位移，改变电容量，因此可以通过测量电容量来测定压力大小。 电容大小为：,微分，得：,位移变化量必须严格限制。,为提高传感器的灵敏度，改善输出的非线形性，实际应用的压力传感器采用差动式，此时动极板在两个静极板之间，灵敏度可以提高1倍，非线形性大大降低。,图4-12电容式差压传感器,4.5.4电感式压力传感器,基本原理：利用自感和互感变化来测量压力的传感器。,分变气隙式、变截面和螺管式,图4-13电感传感器原理示意图 (a)气隙式； (b)螺管式 1-衔铁；2-铁芯；3-线圈,图4-14螺管式传感器原理图 (a)单线圈；(b)螺管式,一个螺管线圈和一个圆柱形衔铁，靠衔铁移动引起线圈电感值变化。,两个相同螺管和一个公共衔铁，靠衔铁移动引起线圈电感值变化。,4.6 测压仪表的选择和安装,4.6.1 测压仪表的选择 普通压力表的主要技术指标列于表4-1。压力表的选用应根据生产要求和使用环境作具体分析。在满足生产过程的技术要求的前提下，本着节约的原则，进行种类、型号、量程、精度等级的选择 ：,4.6.1 压力表的选择,（1）压力表的选择 （2）变送器、传感器的选择 （3）仪表量程的确定 （4）仪表精度的确定,变送器是利用电子感应元件将压力信号转变成标准的模拟信号，可以方便的被采集和远距离传送至仪表、PLC、和计算机系统，具有比较高的测量精度，使用时需要有供电并配置相应的显示仪表。,1) 压力表的选择 仪表种类和型号的选择要根据工艺要求、介质性质及现场环境等因素来确定。 在大气腐蚀性较强、粉尘较多和易喷淋液体等环境恶劣的场合，宜选用密闭式全塑压力表。 稀硝酸、醋酸、氨类及其它一般腐蚀性介质，应选用耐酸压力表、氨压力表或不锈钢膜片压力表。 稀盐酸、盐酸气、重油类及其类似的具有强腐蚀性的、含固体颗粒、粘稠液等介质，应选用膜片压力表或隔膜压力表。其膜片或隔膜的材质，必须根据测量介质的特性选择。, 结晶、结疤及高粘度介质，应选用膜片压力表。 在机械振动较强的场合，应选用耐震压力表或船用压力表。 在易燃、易爆场合，如需电接点讯号时，应选用防爆电接点压力表。 下列测量介质应选用专用压力表： 气氨、液氨：氨压力表、真空表、压力真空表；氧气：氧气压力表；氢气：氢气压力表；氯气：氯气压力表、压力真空表；乙炔：乙炔压力表；硫化氢：耐硫压力表；碱液：耐碱压力表、压力真空表。,2) 变送器、传感器的选择 以标准信号（420mA）传输时，应选普通变送器。 易燃易爆场合，选用气动变送器或防爆型电动变送器。 对易结晶、堵塞、粘稠或有腐蚀性的介质，优选法兰变送器。 使用环境好，测量精度和可靠性要求不高时，可选用电阻式、电感式、霍尔式远传压力表及传感器。 测压小于5kPa时，可选用为差压变送器。 (2)外形尺寸选择 在管道或设备上安装的压力表，Dg=100mm或150mm。 在仪表气动灌录的辅助设备上装压力表，Dg=60mm。 安装照度较低或较高，指示不易观察的压力表，Dg=200mm或250mm。,(3)仪表量程的确定 仪表量程根据最大被测压力的大小确定。对于非弹性式压力表一般取仪表量程系列值中比最大被测压力大的相邻数值，或按仪表说明书规定选用。对于弹性压力表，为了保证弹性元件在弹性变形的安全范围内工作， 在选择仪表量程时，必须考虑一定的预留量，一般在被测压力较为稳定的情况下，最大被测压力应不超过量程的2/3； 在被测压力波动较大时，最大被测压力应不超过量程的1/2；测量高压力时，最大被测压力应不超过量程的3/5。为了保证测量精度，被测压力值以不低于全量程的1/3为宜。按此要求算出仪表量程后，实取稍大的相邻系列值。 目前，我国生产的弹簧管压力表量程系列值为：0.1，0.16，0.25，0.4，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0，6.0，10，16，25，40MPa。,(4)仪表精度的确定 仪表的精度主要是根据生产允许的最大测量误差来确定，选择高精度等级会造成不必要的浪费。 一般就地显示用弹性压力表，选用1.0，1.5或2.5级，压力变送器类精度为0.2级0.5级。,4.6.2压力表的校验 在仪表使用以前或仪表使用一段时间后，都需要进行校验，看是否符合自身精度，如果误差超过规定的数值，就应该对该仪表进行检修。 校验就是将被校压力表与标准压力表通以相同的压力，比较它们的指示数值。在标准表的量程大于等于被校表量程情况下，所选用的标准表的绝对误差一般应小于被校仪表绝对误差的1/3，此时被校仪表的误差可以忽略不计，认为标准表的读数就是真实值。如果被校仪表对于标准仪表的基本误差小于被校仪表的规定误差，则认为被校仪表精度合格。 常用的压力校验仪器是活塞式压力计和压力校验泵。活塞式压力计是用砝码法校验标准压力表，压力校验泵则是用标准表比较法来校验工业用压力表。,4.6.3 压力表的安装,（1）取压口的选择 （2）导压管的安装 （3）压力表的安装,4.6.3压力表的安装 压力检测系统由取压口、导压管、压力表及一些附件组成，各个部件安装正确与否对压力测量精度都有一定影响。 （1）取压口的选择 取压口是在被测对象上引取压力信号的开口。选择取压口的原则是要使选取的取压口能反映被测压力的真实情况，具体选用原则如下： 1) 取压口要选在被测介质直线流动的管段上，不要选在管道拐弯、分岔、死角及流束形成涡流的地方。 2) 就地安装的压力表在水平管道上的取压口，一般在顶部和侧面。,3) 引至变送器的导压管，其水平管道上的取压口方位要求如下：测量液体压力时，取压口应开在管道横截面的下部，与管道截面水平中心线夹角范围在45度以内；测量气体压力时，取压口应开在管道横截面的上部；对于测量水蒸气压力，在管道的上半部及下半部，与管道截面水平中心线在45度夹角内。 4) 取压口处在管道阀门、挡板前后时，其与