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第一篇压力测量 概述第一章非远传式压力测量仪表第二章远传式压力测量仪表第三章压力测量仪表的选择 校验和安装小结 返回 1 概述 压力 返回 下一页 压力单位换算关系 参见表1 1 1 其它原工程常用单位 工程大气压 kgf cm2 标准大气压 atm 毫米水柱 mmH2O 毫米汞柱 mmHg 垂直均匀地作用在单位面积上的力 即压强 P F AF 垂直作用力 A 受力面积 法定计量单位 N m2帕斯卡 以Pa表示 2 在压力测量中 有大气压力 绝对压力 表压和真空度之分 各种压力关系 返回 上一页 P表 P绝 P大气P真 P大气 P绝 若无特殊说明 仪表显示的测量结果均为表压或真空度 绝压 大气压 称表压或正压 绝压 大气压 称真空度或负压 3 第一章非远传式压力测量仪表 返回 第一节液柱式压力计第二节应用弹性变形测量压力 4 第一节液柱式压力计 U形管压力计单管压力计斜管压力计 返回 5 一 U型管压力计 A U形管内孔截面积 工作液的密度 被测介质的密度 g 重力加速度 h 左右两边液柱差 h h1 h2 PA 相对较低的压力或大气压 P 相对较高的压力 可得 返回 下一页 1 2 2 6 若PA为大气压 被测介质为气体 可忽略不计 则上式可表示为 上一页 浸润性工作液读取凹月面的最低点 非浸润性工作液读取凸月面的最高点 1 2 3 U型管压力计第二页 返回 因工作液不同 液柱表面会出现弯月现象 7 二 单管压力计 h1 大容器中工作液下降的高度 h2 玻璃管中工作液上升的高度 h1A1 h2A2 返回 A1 大容器截面 d 玻璃管直径 A2 玻璃管截面 D 大容器直径 1 2 4 若D d 压力P作用下 大容器内工作液下降的体积等于玻璃管内工作液上升的体积 即 8 三 斜管压力计 因D d 则h1 h2 h2 Lsin L 斜管内液柱的长度 斜管倾斜角 精确测量时 应考虑下降高度h1 返回 因L h2 则灵敏度高于单管 常用于微小压力测量 测量范围一般为0 2000Pa 9 第二节应用弹性变形测量压力 原理弹性元件弹簧管压力表讨论 返回 10 一 原理 基于弹性元件的弹性特性 当弹性元件在其轴向受到外力作用时 会产生拉伸或压缩位移 即 F 轴向外力 X 弹性元件的变形位移 C 弹性元件的刚度系数 因为 Ae 弹性元件的有效面积 P 被测压力 返回 则 1 2 9 1 2 10 1 2 11 若Ae C为常数 则X与P为线性关系 11 二 弹性元件 返回 弹性后效与弹性滞后现象 下一页 弹簧管 膜片 膜盒 波纹管 12 返回 上一页 13 E 弹簧管材料的泊松系数和弹性模量 h 弹簧管壁厚 弹簧管几何参数 与a b比值有关的参数 返回 1 测压原理 下一页 三 弹簧管压力表 利用椭圆或扁圆特殊截面 受压后长轴变短 短轴变长 从而引起自由端位移 14 2 弹簧管压力表结构 1 弹簧管扁平 中空 横截面为椭圆 一端固定 另一端为自由端 弧度270 返回 上一页 原理图 2 齿轮 杠杆传动机构 3 游丝 克服齿轮间的间隙 减少变差 4 指针 表盘显示 15 讨论 1 弹簧管压力表的量程与哪些因素有关 2 当弹簧管刚度 几何形状确定 量程应如何调整 弹簧管初始几何形状 角度 截面 刚度 材料 壁厚 改变放大机构的放大倍数 调整拉杆与扇形齿轮连接点 调整螺钉 3 具有均匀壁厚的圆形弹簧管能否作为测压元件 不能 上一页 返回 16 第二章远传式压力测量仪表 返回 概述第一节力平衡式压力变送器第二节电阻式压力传感器第三节电容式压力传感器第四节电感式压力传感器第五节其它压力传感器 17 概述 0 14MPa压缩空气220V 交流 24V 直流 返回 标准信号 气动20 100kPa电动0 10mA4 20mA 变送器 将各种非电量的工艺参数 压力 流量 物位 温度等 转换成统一标准信号 传送到有关仪表进行显示或控制 传感器 将各种非电量的工艺参数 压力 流量 物位 温度等 转换成为各种便于远传的电量信号 18 第一节力平衡式压力变送器 测量部分 输入转换部分 转换部分工作原理 返回 19 返回 一 测量部分 输入转换部分 将被测压力通过弹性元件转换为作用在主杠杆上的力Fi 经主杠杆传递到转换部分 下一页 高压 弹簧管 中压 波纹管 低压 膜片 1 压力变送器 20 膜盒 基座 硬芯 膜片 硅油 密封圈 具有单向过载保护作用 高 中 低差压变送器采用膜盒 微差压变送器采用金属或橡胶膜片 2 差压变送器 硅油 温度系数小 凝固点低 40 作为力的传递媒质 并使膜片的运动受到阻尼作用 返回 上一页 21 二 转换部分 1 低频位移检测放大器 由低频位移检测放大器和电磁反馈机构组成 下一页 返回 组成 差动变压器 低频振荡器 整流滤波 功率放大器 作用 将衔铁的微小位移S转换成直流输出电流I0 即位移 电流转换器 22 1 差动变压器S UCD 衔铁 检测片 上罐形磁芯 磁芯的中心柱截面积等于其外环截面积下罐形磁芯 与上罐形磁芯结构相同 中心柱人为地磨去一固定气隙 0 76mm四组线圈 AB原边 同相连接 CD副边 反相连接 VCD相位取决于检测片位移是大于还是小于 2 VAB一定 VCD e2 e2 上一页 下一页 返回 S 2时 e2 e2 VCD 0 Se2 VCD 0 VCD与VAB同相 S 2时 e2 e2 VCD 0 VCD与VAB反相 23 2 低频振荡器 LAB和C4构成的并联谐振回路 振荡条件 S VCD VAB KVCD 3 整流滤波 4 功率放大器 将振荡器的输出进行整流放大 变为直流标准信号输出 下一页 上一页 返回 振幅 KF 1 F振荡器反馈系数 K放大器电压放大倍数 相位 要求VCD与VAB同相 即S 2 正反馈 VC VB VAB 24 2 电磁反馈机构 作用 将电流I0转换为反馈力Ff 组成 反馈动圈 导磁体 永久磁钢 Ff B I0 BDWI0 KfI0 Ff的方向由左手定则判定 上一页 返回 主导线长度 DWW 反馈动圈匝数 D 动圈平均直径 B 磁场强度 25 力矩平衡 力平衡 变送器输入与输出为线性关系 改变W或矢量角可改变量程 改变F0可调整零点或进行零点迁移 三 工作原理 返回 26 第二节电阻式压力传感器 工作原理应变片压力传感器 返回 27 一 工作原理 电阻率 L 电阻的长度 A 电阻的截面 返回 下一页 电阻受到拉力作用 电阻变化率为 对圆截面电阻A D2 4 则 轴向应变 dL L 据材料力学 dD D 金属电阻丝的径向应变 dL L 金属电阻丝的轴向应变 材料的泊松系数 电阻应变灵敏系数 28 半导体材料的压阻系数 纵向应力 E 半导体材料的弹性模量 纵向应变 1 金属导体 返回 上一页 1 2 16 1 2 17 E 半导体灵敏系数 2 半导体 1 3 7 1 2 导体应变灵敏系数 29 二 应变片 应变片 返回 30 三 压力传感器 返回 下一页 由图可得 1 3 8 应变筒 1 应变式压力传感器 31 桥路处于平衡时 应使Usc 0 即应满足 若四个桥臂电阻均为应变片 有压力作用时 设每个桥臂电阻变化 Ri 并且 Ri Ri 在桥路平衡的条件下 可得 1 3 9 1 3 10 返回 下一页 上一页 若R1 R2为应变片 R3 R4为固定精密电阻 R3 R4 0 且R1 R2 但 R1 R2 据应变原理 R1 R1 应变筒的轴向应变 R2 R2 应变筒的径向应变 32 则 桥路输出电压Usc与应变成正比 而与应变筒的轴向应变成正比 1 3 11 返回 上一页 Usc与被测压力P成正比 测得Usc可知P 33 2 压阻式压力传感器 返回 特点 易于微小型化 灵敏系数高 测量范围宽 精度高 工作可靠 34 返回 第三节电容式压力传感器 工作原理压力 差压 变送器压力传感器变送器输出与被测参数的换算关系 35 平行板电容器 极板间介质的介电常数 A 两平行板覆盖面积 d 两平行板之间距离 改变d能够获得较高灵敏度 可测量微米数量级的位移 改变介电常数 常用于物位测量 改变A只适用于测量厘米数量级的位移 一 工作原理 返回 下一页 36 无压力时 初始电容为 动极板平行位移 x时 线性 增加b或减小d 可提高灵敏度 改变a会如何呢 有压力时 0 返回 下一页 上一页 初始电容为 1 变面积式 37 电容量C与极板间距d为非线性 P 0时 动极板位移x 0 两极板间距为d 电容量为 P 0时 动极板位移 间距减小x 当x d时 可近似为 返回 上一页 2 变间隙式 改变d 38 变面积式压力传感器 返回 39 根据变送器的测量范围 工作能源 输出信号范围可由下式求得 I0 变送器的输出信号值 x 被测参数的测量值 单位量纲应与变送器量程一致 I上 I下 变送器输出的上限值 下限值 lmin 变送器测量范围的下限值 各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用 返回 四 变送器输出与被测参数的换算关系 40 第四节电感式压力传感器 自感式传感器互感式传感器 返回 41 一 自感式传感器 N 线圈匝数 RM 磁路总磁阻 当空气隙 较小时 总磁阻为 导磁体导磁率 0 空气导磁率 l 导磁体长度 气隙长度 A1 导磁体截面积 A 气隙截面积 返回 一般 导磁体磁阻 空气隙磁阻则前项可略 线圈电感可为 下一页 1 工作原理 42 衔铁上移 0 对应电感为 衔铁下移 0 对应电感为 同理 当 0 1时 上式可展开成级数形式 忽略二次项以上的高次项 则有 下一页 返回 上一页 43 2 差动式自感传感器 返回 下一页 对高Q值差动式传感器 Q L0 R0 上一页 44 差动式自感压力传感器 返回 上一页 45 返回 二 互感式传感器 次级绕组通过互感系数的变化得到不同的输出电压 多采用差动形式 又称差动变压器 LP RP 初级线圈电感及损耗电阻 M1 M2 互感系数 UP 激励电压 激励电压角频率 输出由互感M1和M2大小所决定 相位反映铁芯移动方向 幅值反映铁芯移动距离 1 工作原理 下一页 46 2 压力传感器 传感器的工作原理 如何实现压力测量 将铁心与可产生位移 变形 的弹性元件连接 返回 上一页 P 弹性元件 铁芯位移 M变化 U0变化 47 第五节其它压力传感器 压电式压力传感器霍尔式压力传感器谐振式压力传感器 返回 48 一 压电式压力传感器 1 压电效应 返回 下一页 压电效应 某些物质沿一定方向施加外力 受压或受拉 发生机械变形时 它的两个表面上会产生异性电荷 当外力去掉后 会重新回到不带电的状态 此现象称 压电效应 49 Ax确定 测出qx即可得压力P 上一页 返回 纵向压电效应 在x轴方向施加作用力Fx 则x方向产生的电荷为 横向压电效应 在y轴方向施加作用力Fy 则x方向产生的电荷为 a 压电厚度 b y方向长度 因轴的对称性 则压电系数k1 k2 k 下一页 可视为一个电荷发生器 若在两受力面上加上电极 又可视为平行板电容 压电材料的介电常数 A 极板面积 d 压电元件厚度 1 2 12 50 为提高测量灵敏度 可采用串并联组合方式 类似电容串并联 串联 U串 2Uq串 qC串 C 2 输出电压大 电容小 适宜以电压作输出信号 且要求测量电路输入阻抗要高 并联 U并 Uq并 2qC并 2C 输出电荷大 电容大 适宜以电荷作输出信号 上一页 返回 因产生电荷只有在无泄漏情况才可保存 需测量回路输入阻抗无穷大 不适宜静态及缓变参数的测量 2 常用结构形式 51 三 谐振式压力传感器 1 基本原理 任意机械振动系统中振子的谐振频率可按下式计算 f0 谐振元件的固有频率 C 谐振元件材料的刚度 谐振元件的质量 与量纲有关的常数 返回 下一页 可采用间歇激振或连续激振方式使谐振元件产生振动 常用谐振元件 振弦 振膜 振筒 振梁等 52 2 压力传感器 返回 下一页 上一页 1 振弦式压力传感器 53 2 振膜式压力传感器 返回 上一页 54 第三章压力测量仪表的选择 校验和安装 返回 第一节压力仪表的选择第二节压力仪表的校验第三节压力表的安装 55 第一节压力仪表的选择 测量范围选择准确度等级选择仪表类型选择 返回 56 一 测量范围的选择 稳定压力 K 3 2脉动压力 K 2高压 K 5 3 返回 根据被测压力的最大值和最小值计算求出仪表的上 下限 P KP测 P测 被测压力值 国家规定的压力仪表测量范围 0 1 0 0 1 0 06 0 15MPa 0 1 1 6 2 5 4 6 10 10nkPa n为正 负自然整数 即Pmax P 且P测min 1 3 Pmin Pmax 根据计算值 在国家规定的测量范围中选择大于或等于P值 且应满足被测压力最小值不应低于仪表测量范围的1 3 57 二 准确度等级的选择 国家规定的准确度等级 0 01 0 02 0 05 0 1 0 16 0 2 0 25 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5等 根据工艺允许的最大绝对误差和选定的仪表量程 计算仪表的最大引用误差qmax 在国家规定的准确度等级中确定准确度 三 仪表类型的选择 所选准确度等级加上 后应小于或至少等于工艺允许的仪表最大引用误差qmax q允 qmax 根据被测介质的性质 是否提出特殊要求 是否需信号远传以及现场环境条件等对仪表类型进行选择 返回 下一页 58 某测温仪表的测量范围为0 1000 据工艺要求 温度测量误差不允许超过 7 应如何选择仪表准确度才能满足要求 返回 上一页 结论 q允 qmax q允 qmax且q允 hmax 根据工艺要求选择仪表准确度等级 将仪表的允许误差去掉 号与 号 此值介于0 5级和1 0级之间若选择等级为1 0级的仪表 其允许误差为 1 0 超过了工艺要求的允许误差 故应选择0 5级的准确度才能满足要求 仪表允许的最大引用误差应为 例2 根据仪表校验数据确定准确度等级 59 第二节压力仪表的校验 校验方法活塞式压力计校验注意的问题 返回 60 一 校验方法 1 标准表允许绝对误差应小于或等于被校表允许绝对误差的1 3 1 将被校表的示值与标准压力比较 标准仪表的选择原则 返回 2 要求标准表的测量上限应比被校表大一档 Y标允 1 3 Y被允 2 将被校表的示值与标准表的示值在相同条件下进行比较 61 二 活塞式压力计 力平衡关系为 A 测量活塞1的截面积 W W0 砝码和测量活塞 包括托盘 的重量 P 被测压力 返回 活塞式压力计 62 三 校验注意的问题 1 在被校仪表的测量范围内均匀选择5点以上 2 确保得到正 反行程误差 3 为减小读数误差 误差值应在标准表上读取 4 根据校验数据处理 最终按准确度等级要求得出结论 返回 63 第三节压力仪表的安装 取压位置的选择导压管的安装压力仪表的安装 返回 64 一 取压位置的选择 1 对管路压力的测量 应避开死角 拐角及旋涡区 返回 气体取于管道截面上半部分 液体取于管道截面下半部分 3 对水平管路取压点位置 2 管路中不应有突出物 若存在时 取压点应在其之前 65 二 导压管的安装 返回 1 导压管不要超过50m 一般内径为6 10mm 2 水平敷设的导压管应有1 10 1 20的倾斜度 液体引压管下倾 气体引压管上