压力压差测量及仪表2.ppt

第五章压力检测及仪表,主讲人：王海军,垂直而均匀地作用在单位面积上的力,式中压力（Pa）均匀垂直作用力（N）受力面积（m2）,单位:牛顿/米2（N/m2），简称“帕”，用符号“Pa”,一、压力的基本概念,压力的表示绝对压力单位面积所受到的力相对压力（表压）绝对压力与大气压之差真空度大气压与绝对压力之差,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,压力的表示与单位,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,图绝对压力、表压、负压（真空度）的关系,工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。,压力单位,二、测压仪表,1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。1847年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。,二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。60年代以后，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。,根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的位移进行测量。弹簧管/膜片/波纹管(3)电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成电量进行测量的。电势、电阻。(4)活塞式压力检测根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。测量精度很高，允许误差可以小到0.050.02。标准仪表。,工业压力表的分类,测量原理根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,1、液柱式压力计,形管压力计,当被测介质的压力px大于大气压力p时，管1中的工作液体液面下降，管2中的工作液体液面上升，一直到两液面差的高度h产生的压力与被测压力相平衡时为止。,如果被测介质是气体，可得到被测压力值px为Px=gh式中：-工作液体的密度（kg/m3）；g-重力加速度（m/s2）。如果被测介质是液体，平衡时还要考虑被测介质的密度，被测压力为Px=h(-x)g式中：x-被测介质的密度（kg/m3）,液柱式压力计的特点,结构简单、使用方便、价格便宜，在一定的条件下比较容易得到较高的精度，目前还有广泛的用途。但是由于它不能测量较高的压力，也不能进行自动的指示和记录，所以它的应用范围受到限制。一般可作为实验室中低压的精密测量方法以及用于仪表的检定校验。,液柱式压力计使用注意事项,为减小毛细现象，U型管的内径一般为5-20mm,内径最好不小于10mm使用时保持垂直减小两次读数误差，读数时眼睛与液面平齐，以封液弯月面顶部切线为准读取液面高度。应选择密度小的封液，以增大左右管液体的高度差，减小读数误差。（水，汞，四氯化碳）常用于低压、负压或压力差的检测,广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。,某些介质的隔离液,液柱压力计安装位置应避开过热、过冷和有震动的地方。由于液体的毛细现象，在读取压力值时，视线应在液柱面上，观察水时应看凹面处，观察水银面时应看凸面处。,单管式压力计,原理：大容器中封液的减少等于管中封液的增加h2f=h1A（f,A,分别为管子截面积和大容器的截面积),所测差压：,三、斜管式微压计,特点：因为l比h2放大了1/sin倍，所以读数得相对误差小改变可改变k值，但不得小于150，倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液拉长且易冲散，读数较困难，误差增大。斜管式微压计应用范围：一般1002500pa,测量原理P=G/S所以G=PS精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计,2、活塞式压力计,YS/YU-6，60，250，600活塞式压力计,一、原理将被测压力转换成弹性元件变形的位移二、根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：弹簧管式压力表薄膜式压力表波纹管式压力表,3、弹性式压力计,三、弹性元件,弹性元件是弹性压力表的敏感元件，测压范围不同，所用的弹性元件亦不同。常用的弹性元件有弹簧管式、薄膜式和波纹管式。,（1）弹簧管式弹性元件,弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管。,（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。膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(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。,（3）波纹管式弹性元件,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(般不超过1Mpa)。,弹性元件结构和特点,当弹性元件在轴向受到外力作用时，就会产生拉伸或压缩位移，即,S,P,式中F轴向外力S位移C弹性元件的刚度系数,式中A弹性元件承受压力的有效面积P被测压力,弹簧管压力表,弹簧管压力表的工作原理,弹簧管压力表主要由弹簧管、齿轮传动机构、指示装置（指针和分度盘）以及外壳等几个部分组成,弹簧管压力表,电接点压力表,2,4,3,5,弹簧管压力计特点,结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽及有足够的精确度。可实现压力的记录、远传、信号报警和自动控制等。是工业上应用最广泛的测压仪表。,弹簧管压力计使用安装中注意事项,（1）仪表应工作在正常允许的压力范围内，在静压力下一般不应超过测量上限的70%，在波动压力时，不应超过测量上限的60%；（）工业用压力表应在环境温度为-4060，相对湿度不大于80%的条件下使用；（）仪表安装处与测量点间的距离应尽量短，以免指示迟缓；（）在振动情况下使用仪表时要装减振装置；,（5）测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器；（6）仪表必须垂直安装，无泄漏现象；（7）仪表的测定点与仪表的安装处应处于同一水平位置，否则将产生附加高度误差，必要时需加修正值；（8）测量爆炸、腐蚀、有毒气体的压力时，应使用特殊的仪表，氧气压力表严禁接触油类，以免爆炸；（9)仪表必须定期校验，合格的表才能使用。,膜式压力计精度等级一般为2.5级，是用于生产过程的工业仪表。膜盒压力表测量范围一般在一4000040000Pa；膜片适用于真空或06x106Pa。,波纹管,波纹管是一种轴对称的管状波纹薄壳，受到轴向作用力时，在其线性特性内能产生较大的位移。波纹管可分为两类：无缝波纹管，有缝波纹管,4、电气式压力计,电气式压力计的原理,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。通常把将弹性元件感受到的位移变化转换为与压力相对应的电信号输出。,电气式压力计的结构,传感器,测量线路,指示器记录仪控制器,辅助电源,压力,电量,电气式压力计一般有压力传感器、测量电路和信号处理装置组成。,感受压力，并把被测压力转换为电信号，送到测量电路进行测量。,把传感器输出信号转换成适应显示装置输入要求信号。,标准信号：直流电流420mA、空气压力0.020.1MP。我国当前还有一些变送器以直流电流010mA为输出信号。,按测量原理不同分为霍尔片式压力传感器应变式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力变送器力矩平衡式压力变送器智能型压力变送器,电气式压力计传感器分类,一、霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力测量。霍尔片是一种半导体转换元件。,霍尔效应：将一个半导体薄片放置在一磁场B中，在薄片两端垂直于磁场方向通以电流I，则在垂直于磁场和电流方向薄片的另外两侧会产生一个电势UH，此电势的大小与电流、磁场强度成正比，这种现象称霍尔效应。,霍尔元件是一种四端元件,霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流，磁感应强度以及霍尔片的的几何尺寸等因素有关。,UH=RHBI,霍尔电势,磁感应强度,电流强度,霍尔常数,霍尔片式压力传感器组成,磁钢,霍尔片,弹簧管,霍尔片压力传感器主要由两个部分组成：一部分是感受压力的弹性元件及固定在弹性元件自由端上的霍尔元件；另一部分是产生非均匀磁场（线性梯度磁场）的磁极组。,UH=RHBI,二、应片式压力传感器,应变式压力传感器的组成,应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路三部分组成。,应变式压力传感器的原理,应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。被测压力引起弹性元件应变，通过粘贴在弹性元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化，最后通过测量电路把电阻值变化成电压或电流的变化。,金属导体在外界力的作用下产生机械应变时，其几何尺寸和电阻率都要发生变化，从而引起导体电阻值发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,原理演示,金属丝式应变片的内部结构,箔式应变片的外形,WFXB悬臂式张力传感器(WFXB),利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：,当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。,应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。,r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。,图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。,是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。,不受压时r1=r2=r0R3=R4=r,若应变片受压，则：r1=r0+r1；r2=r0+r2(r1r2),由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥有较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。,结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.51.0左右。,三、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是基于单晶硅的压阻效应而工作的。当压力变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,压阻式压力传感器,1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,电容式压力变送器是将压力的变化转化为电容量的变化，然后进行测量的变送器。电容式压力变送器是一种开环检测仪表。具有结构简单、过载能力强、测量精确度高、体积小、重量轻、使用方便等特点。,四、电容式压力变送器,工作原理,图3-14电容式差压变送器原理图,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,测量原理,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的。,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，提高抗干扰能力（如电源电压、环境温度等）常常做成差动的形式。,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,小结,变送器的概念,变送器(传感器)这一词是指将被测的某一物理量按照一定转换规律转换成另一种已知的物理量的一种转换装置。它是一个用于检测控制变量(信息)的器件,它具有检测,转换,传输信息的功能。近来把传感器直接定义为:能感知,并检测出被测对象之信息的机器。也就是说,传感器能够代替人的五官(视、听、嗅、味、触)来完成某些功能的机器。同时,即使人的五官不能感知的现象(例如红外线、电磁波、超声波等)也能感知。,常见压力传感器外形,测量部分,填充液（硅油）,测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等.测量原理:将被测压力的变化转换成电容量的变化。,电容式差压变送器,五、力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，他利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度。,力平衡式压力变送器,1低压室2高压室3测量元件（膜盒、膜片）4轴封膜片5主杠杆6过载保护片7静压调整螺钉8矢量机构9零点迁移弹簧10平衡锤11量程调整螺钉12检测片（衔铁）13差动变压器14副杠杆15放大器16反馈动圈17永久磁钢18电源19负载20调零弹簧,力矩平衡式压力变送器是按力矩平衡原理制成的,主杠杆,矢量机构将F1分解成F2和F3，,副杠杆平衡：,在普通压力传感器上增加微处理器特点具有远程通讯的功能依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定变送器各种参数使用维护方便长期稳定工作，每5年才需校检一次。,六、智能压力变送器,3051C型智能变送器原理图,传感膜头内存修正系数膜头信号,A/D转换器,温度传感器,电容传感器,微处理器传感器线性化重设量程诊断工程单位通信,电子板内存量程值变送器组态信息,本机量程和零点调整,数字通信,D/A转换,420mA,手操器,传感膜头,电子线路板,以3051C为例：组成：传感膜头：被测压力-A/D转换-数字信号电子线路板：对信号进行修正，线性化处理-D/A转换-420mA信号,某台空压机的缓冲器，其工作压力范围为1.11.6MPa，工艺要求就地观察罐内压力，并要求测量结果的误差不大于罐内压力的5%，试选择一台合适的压力计（类型，测量范围，精度等级），并说明其理由。,解：空气压缩机的缓冲器中的压力类型为平缓压力；且只需要就地观察，不需要远传变送，所以选择普通单圈弹簧管压力计（类型）；测量上限：工作压力范围1.11.6MPa；,如果没有特殊要求，压力表下限选择0MPa；所以该压力计的量程为02.4MPa；且工作压力下限大于量程的13，小于量程的23，符合要求；,精度等级的确定：,压力计的选用及安装,1.压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定。同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1/2测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试选择合适的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为0AMPa，则,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016MPa这就要求所选仪表的最大相对百分误差为：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,根据工作压力的要求：,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,举例,例某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）压力变送器的安装（流量检测这节内容中介绍）,2.压力计的安装,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点：压力仪表必须经检验合格后才能安装压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰,压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正导压管的粗细合适，一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量高温（60以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b),测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生以外。测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔