测控基础(2)-1压力

第二章压力测量及变送第一节概述压力是工业生产中的重要参数，在生产过程中，对压力的检测是保证工艺要求、设备和人身安全并使设备经济运行的必要条件。例如氢气和氮气合成氨气的压力32MPa；而炼油厂中的减压蒸馏，则要在比大气压低约93kPa的真空下进行。压力测量仪表简称压力计或压力表。它根据生产工艺过程的不同要求，可以有指示、记录和带有远传变送、报警、调节装置等。被测压力的显示方式多采用指针机械位移，也有的采用数字显示形式。

工程上所说的压力即压强，是垂直作用于物体单位面积上的力。压力的单位：帕斯卡，1帕斯卡=1牛顿／米2，符号：pa压力的表示方法：表压、绝对压力、负压或真空度第一节概述（续）工程上所用的压力指示值，大多为表压（绝对压力的指示值除外）。表压是绝对压力和大气压力之差，即：

当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示，它是大气压力对于绝对压力之差。以绝对压力零线作起点计算的压力称为绝对压力第一节概述（续）P表压=P绝对压力-P大气压力P真空度=P大气压力-P绝对压力常用的测压仪表液柱式压力计－根据流体静力学的原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。如：U型管压力计、单管压力计弹性式压力计－将被测压力转换成弹性形变的位移进行测量。如：弹簧管压力计、波纹管压力计、薄膜式电气式压力计—将被测压力通过机械和电气元件转换成各种电量（电压、电流等）进行测量。如：电容式、应变片式、电感式第一节概述（续）第二节液柱式压力计（1）∪型管压力计A—∪型管内孔截面积；ρ—∪型管内所充工作液的密度；P大—大气压力；h—左右两边液面高度差，h＝h1＋h2P—作用在2-2截面处液面上的被测压力

PA＝（hρg+P大）A

液体密度(kg/m3)和重力加速度(m/s2)为常数，被测压力与液面高度差成正比。在玻璃管外设置刻度标尺，便可直接读出表压力p测的值，如：mmHg或mmH2O。

液柱式压力计常用于测气体压力，气体密度远小于液体，故管内气柱的重力影响可以忽略。

U型管里的液体可以选择：酒精、水、四氯化碳、汞。第二节液柱式压力计（续）（2）单管压力计在压力差（P－P大）的作用下，右边杯内工作液体积减小，并始终与左边管内工作液体积的增加量相等，所以右边液面的下降将远小于左边液面的上升（即h2≤h1）。即可求出液面高度差h和压力p的大小为：

第二节液柱式压力计（续）（3）斜管压力计

将单管压力计的直管倾斜放置，就成为斜管压力计。上式说明在同样的压力差（P－P大）条件下，斜管压力计的读数l比单管压力计

的读数h1大倍。读数标尺同单管一起倾斜放置，使刻度标尺的分度间距放大。第二节液柱式压力计（续）

在同样压力差（p-patm)条件下，斜管压力计的读数l比单管压力计的读数h1大倍。一般可用于测量到十分之一毫米水柱的微压。液柱式测压原理有难以克服的缺点：（1）量程受到液体密度限制（2）不适合测量剧烈变动的压力（3）对安装位置和姿势有要求但在科学实验中仍较常用，因为它简单、灵敏、精确。第二节液柱式压力计（续）弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。这种仪表结构简单、牢固可靠，价格低廉，测量范围宽（10－2～109

MPa），精度可达0.1级，并且易与现代测量、控制系统配合，实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。

第三节

弹性式压力计一、弹性元件

弹性元件不仅是弹性式压力计的感测元件，也是常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件，应用较广。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样，常用的几种弹性元件如下。

（1）弹簧管式弹性元件（2）薄膜式弹性元件（3）波纹管式弹性元件弹性式压力计（续）（1）弹簧管式弹性元件

单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子,它的截面积做成扁圆形或椭圆形，当通入压力后，它的自由端就会产生位移。这种单圈弹簧自由端位移量较小，测量压力较高，可测量高达1000MPa的压力。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管。弹性元件（续）

（2）薄膜式弹性元件

薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。如所示为膜片式弹元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜（有平膜片与波纹膜片两种形式），在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体（例如硅油），称为膜盒。弹性元件（续）

（3）波纹管式弹性元件

波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量或气动仪表的基本元件，不适合测高压力。

弹性元件（续）二、弹簧管压力表弹簧管压力表是工业生产中应用广泛的测压仪表，并以单圈弹簧的应用为最多。弹性式压力计（续）

单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管子，它的截面积呈扁圆或椭圆形，椭圆形的长轴2a与图面垂直,与弹簧管中心轴O相平行。

A为弹簧管的固定端，即被测压力的输入端；

B为弹簧管的自由端（封闭），即位移输出端；

γ为弹簧管中心角初始角，一般在2700左右；

为中心角的变化量；

R和r分别为弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径；

2a和2b为弹簧管椭圆截面的长轴和短轴。

弹簧管压力表（续）作为压力位移转换元件的弹簧管，当它的固定端通入被测压力P后，由于椭圆形截面在压力P的作用下将趋向圆形，其自由端就由B移到B‘（虚线所示），弹簧管的中心角随即减小。根据弹性变形的原理可知，中心角的相对变化值与被测压力P的关系可用下式表示：弹簧管压力表（续）如要求p与成正比关系，必须使式中其余各参数均为定值

式中：μ--弹簧管材料的泊松系数

E-弹簧管材料的弹性模数

h---弹簧管壁厚

K--弹簧管的几何参数

α、β---与a/b比值有关的参数

R0—为R1和r的平均值由上式可看出，增加椭圆短半轴b，加大壁厚，减少曲率半径R0，都会使测量上限压力增加，测高压的压力表其弹簧管断面较接近圆形，壁较厚，R0较小。

弹簧管压力表（续）弹簧管压力表的结构弹簧管压力表（续）弹簧管压力表1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺钉；9—接头被测压力由接头9通入后，弹簧管由椭圆形截面张大趋于圆形，由于变形，使弹簧管的自由端B产生位移，自由端的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。放大过程如下：自由端B的弹性变形位移通过拉杆2使扇形齿3作逆时针转动，于是指针5通过同轴的中心齿轮4带动而作顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出被测压力间有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。弹簧管的材料，一般在P＜20MPa时采用磷铜，P＞20MPa时采用不锈钢或合金钢。

弹簧管压力表的结构（续）（一）压力表的选用（1）仪表类型的选用：仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传、自动记录或报警；被测介质的性质（如被测介质的温度高低、粘度大小，腐蚀性，,是否易燃易爆等），是否对仪表提出特殊要求；现场环境条件（如湿度、温度、磁场强度、震动等）对仪表类型的要求等。因此根据工艺要求正确地选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。（2)仪表测量范围的确定：为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须根据被测压力的大小和压力变化的快慢，留有足够的余地，压力的上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值。第四节、压力表的选用、安装和校验

1、在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的2/3；

2、测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的1/2；

3、测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/5。

4、一般被测压力的最小值应不低于仪表测量上限值的1/3

从而保证仪表的输出量与输入量之间的线性关系，提高仪表测量结果的精确度和灵敏度。

压力表的选用（续）根据被测参数的最大值和最小值计算出仪表的上、下限后，还不能以此数值直接作为仪表的测量范围。应在标准系列中选取。我国的压力计测量范围标准系列有：－0.1～0.06、0.15；0～1、1.6、2.5、4、6，n×10mMPa，其中n、m为自然整数（可为正、负值）。（3）仪表精度的选取：根据工艺生产上允许的最大绝对误差和选定的仪表量程，计算出仪表允许的最大引用误差，在国家标准精确度等级系列中确定仪表的精度。并在满足工艺要求的前提下，尽量选用精度较低，价廉耐用的仪表。例题压力表的选用（续）思考为什么测量仪表的测量范围要根据被测量的大小来选取？选一只量程很大的仪表来测量很小的参数值可以吗？压力表的选用（续）（二）压力计的安装压力计的安装正确与否，直接影响到测量结果的准确性和仪表的使用寿命。（1）取压点的选择：取压点要有代表性，应能真实的反映被测压力的大小。为此必须注意以下几点。①为保证测量的是静压，取压管与容器壁要垂直，并要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其它易形成旋涡的地方。②取压管内端面与生产设备连接处的内壁保持平齐，不应有凸出物或毛刺。③测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。压力表的选用（续）（2）导压管铺设导压管应保证传递压力的精确性与快速性，因此必须做到：

①导压管粗细要合适，一般内径为6～10mm，长度应尽量短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用远传式压力计。②导压管水平安装时应保证有1∶10～1∶20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排除。③当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。④取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。压力计的安装（续）（3）压力计的安装：

①压力计应安装在易观察和检修的地方。②安装地点应力求避免振动和高温影响。③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触。图（a）所示。对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图(b）所示。压力计的安装（续）压力表安装示意图11—压力表；2—切断阀门；3—隔离罐；4—生产设备；ρ1、ρ2—中性隔离液和被测介质的密度压力计的安装（续）④压力表的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料作为密封垫片，以防泄漏。一般低于80℃及2MPa时，用牛皮或橡皮垫片；在450℃及5MPa以下用石棉或铝垫片；温度及压力更高时用退火紫铜或铝垫片。普通压力表普通压力表电接点压力表压力计的安装（续）（三）压力计的校验压力计在长期的使用中，会因弹性元件疲劳，传动机构磨损及化学腐蚀等造成测量误差。所以有必要对仪表定期进行校验；新仪表在安装使用前也应校验，以便更恰当的估计仪表指示值的可靠程度。

（1）校验原理：校验工作是将被校仪表与标准表处在相同条件下的比较过程。标准仪表的选择原则是，当被校仪表的允许绝对误差为△x时，标准仪表的允许绝对误差不得超过△x。这样可以认为标准仪表的读数就是真实值。为防止标准仪表超程损坏，标准仪表的测量范围应比被校仪表大一档次。比较结果若被校仪表的精确度等级高于仪表标明的等级，仪表合格。压力计的校验（续）（2）检验仪表—活塞式压力计：在一个密闭的容器内充满变压器油（6MPa以下）或蓖麻油（6MPa以上）。转动手轮使活塞向前推进，对油产生一个压力，这个压力在密闭的系统内向各个方向传递，所以进入标准仪表、被校仪表和标准器的压力是相等的。因此利用比较的方法便可得出被校仪表的绝对误差。

标准器由活塞和砝码构成。活塞的有效面积和活塞杆、砝码的重量都是已知的，这样，标准器的标准压力值就可根据压力的定义准确地计算出来。

活塞式压力计的精确度有0.05，0.2级等数种。如被校压力计的精确度不高，则不用砝码校验，而采用被校仪表与标准仪表比较的方法校验。这时要关闭针阀。压力计的校验（续）活塞式压力计示意图压力计的校验（续）（3）校验内容：

校验分为现场校验和实验室校验，校验内容包括指示值误差，变差和线性调整。具体步骤是：首先在被校表量程范围内均匀地确定几个被校点（一般为5～6个，一定有测量的下限和上限值），然后由小到大（上行程）逐点比较标准表的指示值，直到最大值。在推进一点点，使指针稍超过最大值，再进行下行程的校验。这样反复2～3次，最后依各项技术指标的定义进行计算，确定仪表是否合格。

压力计的校验（续）井下生产测试仪表是指用于测试井下压力流量温度等参数的仪表,井下压力流量温度等参数是我们在石油勘探开发过程中的重要资料,是研究油气层特性,了解油气田不同开发阶段规律,掌握油气田动态不可缺少的重要依据.井下参数的正确测试与测量,对我们准确估算地下储量和油井生产能力制定合理的开发工艺和调整挖潜方案具有十分重要的意义.

井下生产测试仪表,为了适应井下工作和测量环境,在设计上有许多共同之处和特别设计.显著特点:

结构是细长筒形,以便于下入油套管内测量

都有类似的绳帽,用于连接录井钢丝吊挂仪表下井

尾锥,导向和防震作用

机械时钟和记录装置,记录井下参数大小井下生产测试仪表结构和检测元件与地上仪表有些差别,但基本测量原理是一样的.第五节井下测试工具之--井下压力计弹簧管式井下压力计一般由：绳帽、钟机系统、测量部分、记录装置和最高温度计五大部分组成。

1．压力计结构绳帽部分：用于穿引钢丝，吊挂压力计下井测试。在其端部车有齿形沟槽，以备钢丝被拔断造成压力计落井时，便于进行打捞。钟机系统：由钟机压紧接头、钟机、联轴器等组成。其中，钟机是给压力计记录装置提供动力的装置，采用常规发条摆轮式机械时钟，其输出轴转角与时间成正比。顺时针旋转其输出轴，给钟机上满发条后装入钟机外壳里，钟机输出轴即逆时针匀速旋转，驱动记录装置。一、弹簧管式井下压力计

测量部分：由隔离波纹管、传压毛细铜管、多圈螺旋弹簧管组成。它们形成一个封闭系统，内充工作液，(通常甲苯、乙基苯等液体)。波纹管的作用有：一是传递被测压力给弹簧管；二是起隔离作用，不让被测井液直接作用于弹簧管内腔，以免弹簧管被污物堵塞；螺旋弹簧管一端固定在中间接头上，并连结毛细管，与波纹管相通，承受被测压力。另一端封闭，为自由端，并通过笔杆承套固定记录笔杆。弹簧管在被测压力作用下产生变形时，其自由端带动记录笔杆旋转相应的角度。

记录装置：由螺杆、记录纸筒、记录笔等组成。螺杆通过联轴器在钟机带动下逆时针方向转动，使得内壁装记录纸的记录筒由上往下匀速移动。记录笔杆下端与弹簧管自由端连接，上端固定带有弹簧片的记录笔。记录笔压在记录纸上并随弹簧管自由端绕轴转动。

弹簧管式井下压力计井下压力计所使用的记录纸，是在纸基上涂敷一层墨粉后，再涂上一层白色蜡膜而制成的防水纸。当记录笔尖划去白色蜡膜后，就在记录纸上留下一条黑色印痕来。最高温度计部分：由温度计和尾锥组成。最高温度计装在金属护套内，其两端装有橡胶垫圈及弹簧减震装置。最高温度计是玻璃棒水银温度计。经过特殊处理后，象医用体温计一样可以测出在测量过程中仪表所遇到的最高温度。使用过程中，为了减小热惯性、加快传热速度，通常在压力计外壳与温度计之间灌入机油或金属屑。整个压力计外壳用不锈钢制成，各段均用螺纹连接。各段之间用橡胶垫圈和“O”型密封圈密封。在仪器外壳制有网纹滚花或铣有两平面，以便于拆装。弹簧管式井下压力计工作原理：压力计下入井内后测量，井内液体有进液口通过滤网、毛细管、进入波纹管，被测压力作用于波纹管上。由于整个波纹管、毛细管和弹簧管所组成的封闭系统内的工作液具有不可压缩性，此压力经毛细管后传递给弹簧管，多圈弹簧管的自由端将产生一个与被测压力成正比的中心角位移。弹簧管自由端的角位移，通过与之固连的记录比杆，带动纪录笔旋转，并在纪录筒内纪录纸上划出线段痕迹。此线长度与被测压力成正比。记录筒通过螺杆，在钟机带动下匀速向下移动，移动距离与时间成正比。在展开的记录纸上，就形成了以时间-压力为直角坐标系的记录曲线CY613–A型井下压力计

CY613-A型井下压力结构图1-绳帽子2-钟机压紧接头3-钟机4-钟筒5-摩擦轮6-螺杆上支撑7-记录装置外壳8-记录筒固定套9-螺杆10-支撑螺丝11-记录筒12-记录笔13-固定螺钉14-记录笔杆15-记录笔杆承套16-螺旋弹簧管17-外壳18-心脏主体19-皱褶盒20-滤网21-温度计22-温度计外壳23-金属护套24-尾椎工作原理：该仪器采用多圈弹簧管做为压力测量元件