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压力测量及仪表 压力的概念及压力测量仪表分类 一 压力的基本概念定义 垂直作用于单位面积上的力 在工程上称为压力 而在物理学中称为压强 表示 压力可用绝对压力 大气压力 表压力和压力差表示 在工程上所说的压力一般都是指表压力 即用压力仪表测压时仪表的示值压力 表压力 绝对压力 大气压力 当绝对压力高于大气压力时 表压力为正压力 简称正压或压力 当绝对压力低于大气压力时 表压力为负压力 简称负压或真空 度 单位 在国际单位制中 压力的单位是牛顿 米2 N 称为帕斯卡或简称帕 Pa 工程大气压 at 定义 1工程大气压 1公斤力 厘米2 kgf cm2 标准大气压 atm 定义 在标准状态下 760mmHg对底面积的静压 毫米汞柱 定义温度为0 的纯汞 汞柱高1mm对底面积的静压力 mmHg 毫米水柱 定义温度为4 的纯水 水柱高1mm时对底面积的静压力 mmH2O 沿用的CGS制 压力单位是达因 厘米2 dyn 2 简称巴 bar 欧美常用磅力 英寸2 psi 作为压力单位 压力单位的换算 1mmHg 1mm 0 g 10 3 13595 1kg m3 9 80665m s2 10 3 13595 1 9 80665kgf m2 10 3 13595 1 9 80665 10 4kgf cm2 1 36 10 3kgf cm2 压力单位换算表 二 压力仪表的分类 1 液柱式压力计它是依据重力与被测压力平衡的原理制成的 可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量 例如 U型管压力计 单管压力计以及斜管压力计等 2 弹性式压力计它是依据弹性力与被测压力平衡的原理制成 弹性元件感受压力后会产生弹性变形 形成弹性力 当弹性力与被测压力相平衡时 弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小 据此原理工作的各种弹性式压力计在工业上得到了广泛的应用 如 弹簧管压力计 波纹管压力计以及膜盒式压力计等 弹性元件结构和特点 3 压力传感器它是利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压 一些物质受压后 它的某些物理性质会发生变化 通过测量这种变化就能测量出压力 据此原理制造出的各种压力传感器 往往具有精度高 体积小 动态特性好等优点 成为近年来压力测量的一个主要发展方向 常用的压力传感器有电阻应变片式 电容式 压电式 电感式 霍尔式等 4 活塞式压力计它是根据水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 它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性式压力计 压力表的精度等级 标准仪表 0 05 0 1 0 16 0 2 0 25 0 35工业用 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 液柱式压力计 原理 液柱式测压仪表是根据流体静力学原理 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 用途 液柱式压力计多用于测量低压 负压和压力差 结构 U型管压力计 单管压力计和斜管微压计 一 U型管压力计 P Pamb与封液液柱高度h间有如下关系 二 单管压力计 若F1 F2 则 四 液柱式压力计的测量误差及其修正 一 环境温度变化的影响环境温度偏离规定温度后 封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为 二 重力加速度变化的修正 三 毛细现象造成的误差封液为酒精 管子内径d 3mm 水 水银作封液 d 8mm 四 其它存在刻度 读数 安装等方面的误差 弹性式压力计 工作原理 利用各种弹性元件弹性变形产生的弹性力与被测压力产生的力相平衡 通过测量弹性元件的弹性变形量来测量压力 根据感受压力的弹性元件不同 弹性式压力计可分为 弹簧管压力计 膜式压力计和波纹管式压差计等 弹性元件变形产生的位移较小 往往需要把它变换为指针的角位移或电信号 气信号 以便显示压力的大小 一 弹簧管压力计 由弹簧管1 齿轮传动机构3 4 5 6 指针9 刻度盘8等组成 弹簧管的结构 弯曲的弹簧管是一根空心的管子 其自由端是封闭的 固定端焊在仪表的外壳上 并与管接头相通 弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形 单圈弹簧管压力表的精度 普通的是1 4级 精密的是0 l 0 5级 测量范围从真空到109Pa 注意 为了保证弹簧管压力表的指示正确和能长期使用 应使仪表工作在正常允许的压力范围内 对于波动较大的压力 仪表的示值应经常处于量程范围的1 2附近 被测压力波动小时 仪表示值可在量程范围的2 3左右 但被测压力值一般不应低于量程范围的1 3 另外 还要注意仪表的防振 防爆 防腐等问题 并要定期校验 电接点压力计 二 膜式压力计 膜片压力计 用于测量腐蚀性介质或非凝固 非结晶的粘性介质的压力 敏感元件是膜片 膜盒压力计 用于测量气体的微压或负压 敏感元件是膜盒 一 膜片压力计膜片可分为弹性膜片和挠性膜片两种 膜片呈圆形 一般由金属制成 常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片 它的四周被固定起来 二 膜盒压力计为了增大膜片的位移量以提高灵敏度 可以把两片金属膜片的周边焊接在一起 形成膜盒 也可以把多个膜盒串接在一起 形成膜盒组 三 波纹管式压差计 1 连接轴 2 单向受压保护阀 3 推板 4 摆杆 5 扭力管 6 心轴 7 量程弹簧 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 弹性式压力计的误差及改善途径弹性式压力计的误差主要来源于以下几个方面1 迟滞误差相同压力下 同一弹性元件正反行程的变形量不一样 产生迟滞误差 2 后效误差弹性元件的变形落后于被测压力的变化 引起弹性后效误差 3 间隙误差仪表的各种活动部件之间有间隙 示值与弹性元件的变形不可能完全对应 引起间隙误差 4 摩擦误差仪表的活动部件运动时 相互间存在摩擦力 产生摩擦误差 5 温度误差环境温度的变化会引起金属材料弹性模量的变化 造成温度误差 提高弹性压力计精度的主要途径有 1 用无迟滞误差或迟滞误差极小的 全弹性 材料和温度误差很小的 恒弹性 材料制造弹性元件 2 采用新的转换技术 减少或取消中间传动机构 以减少间隙误差和磨擦误差 3 限制弹性元件的位移量 采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等 4 采用合适的制造工艺 使材料的优良性能得到充分的发挥 压力表的使用及安装为了保护测压仪表 一般不允许压力计指针经常处于刻度上限处 如果被测压力是稳定的 则被测压力的正常值应在压力计测量范围的2 3处 如果被测压力经常变动 则其正常值应在压力计测量范围的1 2处 安装时应注意 取压口应与工质流速方向垂直 与设备内壁平齐 不应有突出物和毛刺 防止仪表感受件与高温或有害的被测介质直接接触 测量高温蒸气时在表计前要装设冷凝盘 测量含尘气体时表计前应装设灰尘捕集器 测量腐蚀性介质时应加装隔离容器 仪表与取压口如果不在同一水平上 则应注意校正由于两者高度差对仪表读数造成的额外误差 特别应注意在测量蒸汽介质差压时 必须保证两侧信号管路中凝结水液面在同一高度 并应使两信号管路中凝结水温度一致 压力取出口位置 对于测量气体介质的 一般在工艺管道上部 测量蒸汽的应在管道的两侧 测量液体的应在管道的下部 信号管路上在靠近取压口处应装有隔离阀以防止信号管路发生故障时迫使主要设备停止运行 信号管路的铺设应有一定的倾斜度 测量液体或蒸汽时在信号管路的最高处应有排气装置 测量气体时在信号管路的最低处应有排水装置 为了便于进行现场校验和冲洗信号管路 在靠近仪表处可装设三通阀 在投入仪表时应缓慢打开阀门 以防止仪表承受压力的突然冲击 对于差压计 在冲洗信号管路等操作时应特别当心防止仪表单向受压而损坏 电容式压力变送器 1 电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 如果不考虑边缘效应 其电容量为式中 电容极板间介质的介电常数 0 r 其中 0为真空介电常数 r 极板间介质相对介电常数 A 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的距离 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三种类型 定极板 弹性元件 动极板 被测压力 电容式压力变送器 一 电容式变送器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 如果不考虑边缘效应 其电容量为 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三种类型 2 变极距型电容传感器 当传感器的 r和A为常数 初始极距为d0时 由上式可知其初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值缩小 d 则电容量增大 C 应有 若时则 传感器的输出特性C f d 不是线性关系 则相对非线性误差灵敏度 变极距型电容式传感器电容量与极板间距的关系 为了提高灵敏度和减小非线性误差 一般做成差动式电容变换器 此时 两个电容量分别为 减小了非线性 灵敏度提高了一倍 3 电容式差压传感器 下图是电容式差压传感器结构示意图 这种传感器结构简单 灵敏度高 响应速度快 约100ms 能测微小压差 0 0 75Pa 它是由两个玻璃圆盘和一个金属 不锈钢 膜片组成 两玻璃圆盘上的凹面深约25 m 其上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板 而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极 则形成传感器的两个差动电容Cl C2 当两边压力pl p2相等时 膜片处在中间位置与左 右固定电容间距相等 因此两个电容相等 当p1 p2时 膜片弯向p2 那么两个差动电容一个增大 一个减小 且变化量大小相同 当压差反向时 差动电容变化量也反向 这种差压传感器也可以用来测量真空或微小绝对压力 此时只要把膜片的一侧密封并抽成高真空 10 5Pa 即可 4 测量线路 1 交流电桥法 2 双T网络法 3 差动电容脉冲调宽电路 T1 T2为C1 C2的充电时间 一般认为达到稳态值的95 所需要的时间 UQ为触发器输出的电位 1151电容式压力变送器 测量部分的结构原理位移 电容转换 差压 位移转换 S K1P 转换部分工作原理将电容比的变化转换成标准输出的电流信号 4 20mA 同时进行零点调整 零点迁移 量程调整 阻尼调整 线性调整等 包括测量电路和放大输出电路两部分 测量电路 由振荡器 解调器 振荡控制放大器组成 将转换为电流信号Ii 放大输出电路 由电流控制放大器 电流转换器 调零电路 调量程电路 电流限制器和电压调整器组成 将Ii转换为 mA 并有量程调整 零点调整 零点迁移和电流限制等作用 5 核电厂压力仪表的使用特点压力范围宽被测介质温度和一次变送器环境温度高 被测介质与周围介质多样化 由于辐射的影响 传感器电路电气绝缘电阻下降 在电路中产生感应 为了防止传感器损坏造成回路冷却剂的泄漏 传感器一般不直接接到工艺管道上 被测介质在管中振动等动态现象 使信息传递时易产生误差 本章内容结束 压力的几种表示形式 被测压力通常可表示为绝对压力 表压 负压 或真空度 刚度 产生单位变形所需要的力 灵敏度 单位作用力所产生的变形 弹性迟滞 当作用在弹性元件上的压力增大或减小时 对应同样的压力所产生的变形不一致的现象称为弹性迟滞 弹性后效 作用在弹性元件上的力撤掉之后弹性元件不能马上恢复原状的现象称为