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第三章压力 流量测量 一 压力的概念及单位 1 定义 均匀而垂直作用于单位面积上的力称为压力 即压强 2 公式 式中 F为均匀而垂直作用的力单位 牛顿 N A为受力面积单位 平方米 P为压力单位 帕斯卡 Pa 3 压力的单位在工程技术上 表达压力的单位 常用的有以下几种 工程大气压 帕斯卡 标准大气压 毫米汞柱 毫米水柱 4 压力单位间的换算关系 第一节压力的概念及压力测量仪表的分类 过去采用的压力单位 工程大气压力 kgf cm2 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 标准大气压 atm 巴 bar PSI 等均应改成法定计量单位帕 1kgf cm2 0 9807 105Pa1mmH2O 0 9807 10Pa1mmHg 1 332 102Pa1atm 1 01325 105Pa1bar 105Pa1PSI 6 89 103Pa 二 压力表示方式 表压 绝对压力 真空度 大气压力间的关系 1 绝对压力 以绝对真空为基准的压力表达 又称总压力或全压力 常用P表示 2 大气压力 地球表面的空气柱重量所产生的压力表达 常用表示 用较易 3 表压力 又称表压 一般测压仪表所指示的压力常以p表示 当绝对压力大于大气压力时 它等于绝对压力减大气压力之差 即 在被测介质的绝对压力大于大气压力时 表压 绝对压力 大气压力4 负压或真空度 又称疏空压力 即在被测介质的绝对压力低于大气压力时的一种压力表达 在被测介质的绝对压力低于大气压力时 真空度 接近真空的程度 大气压力 绝对压力即真空度等于大气压力减绝对压力之差 前提被测的绝对压力低于大气压力 常用Pa表示 指出 在压力测量中 以上所说到的表压 绝对压力 大气压力和真空度都是经常用到的表达方式 它们之间的相互关系可用下图表示 大气压力也可能不恰为1个atm 三 常用压力测量仪表的分类 压力检测方法1 平衡法 通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力2 弹性法 利用各种形式的弹性元件 在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小3 电气式 用压力敏感元件直接将压力转换成电阻 电荷量等电量的变化 压力测量仪表的分类 压力传感器从其原理及结构来看可分为 液柱式 机械式及电气式测量压力的仪表 按信号原理不同 大致可分为四类 液柱式 根据流体静力学原理 把被测压力转换成液柱高度活塞式 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机械式 根据弹性元件受力变形的原理 将被测压力转换成位移 电气式 将被测压力转换成各种电量 如电感 电容 电阻 电位差等 依据电量的大小实现压力的间接测量 第二节液柱式压力计 利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理 通过液柱高度来反映被测压力的大小优点 结构简单 使用方便 有相当高的准确度缺点 量程受液柱高度的限制 体积大 玻璃管容易损坏及读数不方便 测量范围不大 采用水银或水为工作液 用U形管或单管进行测量 常用于低压 负压或压力差的检测被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 一 U形管压力计 测气体 P P1 P2 g h1 h2 提高工作液密度将增加压力的测量范围 但灵敏度要降低 3 2 式3 1适用于平衡液体上传压介质是气体 若不是气体而是另外一种液体 其密度 0 则公式中 用 0代替 必须分别读出h1和h2 再相加得出液面高度差 故读数误差大 单管压力计 由于U形管压力计需两次读取液面高度 为使用方便 设计出一次读取液面高度的单管压力计 3 3 斜管微压计 主要用于测量微小压力 负压和压差 它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置 这样可以提高灵敏度 减少读数相对误差 倾斜式微压计 第三节弹性式压力计 用弹性传感器 又称弹性元件 组成的压力测量仪表称为弹性式压力计 弹性元件受压后产生的形变输出 力或位移 可以通过传动机构直接带动指针指示压力 或压差 也可以通过某种电气元件组成变送器 实现压力 或压差 信号的远传 优点 量程范围广 4mmH2O 1500MPa 结构简单 结实耐用 价格低国产压力表型号头字母用Y 一 弹簧管压力计 常用的弹性元件有弹簧管 膜片和波纹管 相应的有弹簧管压力计 膜式压力计和波纹管式压差计 弹簧管压力计 弹簧管是弹簧管压力计的主要测压元件 弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形 是一根空心的金属管 其一端封闭为自由端 另一端固定在仪表的外壳上 并与被测介质相通的管接头连接 当具有压力的介质进入管的内腔后 由于弹簧管的横截面是椭圆形或扁圆形的 所以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 当管内压力比管外大时 短轴要变长些 长轴要变短些 管子截面趋于更圆 产生弹性变形 使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张 在自由端产生位移 此位移经杆系和齿轮机构带动指针 指出相应的压力值 2 弹簧管压力计的特点结构简单 使用方便 价格低廉 使用范围广 测量范围宽可测负压 微压 低压 中压和高压精度有0 5 1 0 1 5 2 5等 电远传式弹簧压力仪表霍尔压力传感器电感式压力传感器 二 膜盒式微压计 膜片和膜盒图片 膜盒式微压计常用于火电厂锅炉风烟系统的风 烟压力测量及锅炉炉膛负压测量 当几个膜盒敏感元件叠放在一起后量测极微小的压力 毫巴级 三 电接点压力计 电接点压力计可用作电气发讯设备联锁装置和自动操纵装置高低压给定指针指示指针电接点 四 压力表的安装与使用 一 压力表的选择1 选择方法 从压力大小来考虑 小压力采用液柱式或膜盒式 较大的采用弹簧管 从被测介质来考虑 腐蚀性介质采用不锈钢材质 氧气 乙炔等介质采用专用的压力表 仪表量程的选择 在被测压力较稳定的情况下 最大工作压力不应超过仪表满量程的3 4 在压力波动较大时 不应超过仪表满量程的2 3 为保证测量的准确度 最小工作压力不应小于满量程的1 3 我国生产的压力表有统一的量程系列 它们是1 1 6 2 5 4 0 6 0kPa以及它们的10n倍数 2 测压仪表的标尺上限 3 仪表的准确度等级压力检测仪表的精度主要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 二 压力表的安装 1 取压口的选择 气上部防堵汽侧上部防堵 防液 防气液侧下部防堵 防汽 取压口位置稳定无涡流区 直线管段 避开拐弯 分叉等 除了被测介质以处 不接触其它物质不易堵塞取压孔形状孔径要小要与壁面垂直孔口应无毛刺 2 导压管的敷设为了使导压管正确传递压力或压差 应作到 导压管长度小于50m 内径为6 10mm 对于水平敷设 导压管要有1 10 1 20的坡度 测量液体介质时下坡 测量气体介质时上坡 3 当被测介质易冷凝或冻结 必须加装伴热管后再行保温 当测量腐蚀性介质时 应加装隔离罐 当测量高温蒸气压力时 应加装冷凝盘管 测量含尘气体时 应加装灰尘捕集器 测量高于60度的介质时 应加装环行圈 4 当测量液体压力时 在导压管系统最高处应安装集气瓶 当测量气体压力有可能有液体冷凝时 在导压管系统最低处应加装水分离器 当被测介质有可能产生沉淀时 应在仪表前安装沉降器 5 取压口与压力表之间应加装隔离阀 6 在测量较小压力时 若仪表与取压口不在同一水平高度 则应对测压进行校正 三 压力表的校验 比较法是将被校压力计 被校表 与标准压力计 标准表 在压力表校验台上产生的某一定值的压力或某一负压下进行比较重量法是被校表与活塞压力计上的标准砝码在活塞缸内的压力下进行比较 前者用来校验精度在1级以下的各种工业用仪表 而后者用于校验精度在0 5级以上的各种标准表 压力仪表的校验 校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力 比较它们的指示数值 如果被校表对于标准表的读数误差 不大于被校表规定的最大准许绝对误差时 则认为被校表合格 常用的校验仪器是活塞式压力计 它由压力发生部分和测量部分组成 它的精度等级有0 02 0 05和0 2级 可用来校准0 25级精密压力表 也可校准各种工业用压力表 被校压力的最高值为60MPa 压力发生部分 测量部分 第四节压力 差压 变送器 作用 弹性元件输出的位移或力变换成统一的电信号 送到远方 直接传送压力信号到较远地方的缺点 信号管道长 传递迟延大 消耗能量大 一旦管道泄漏 便很不安全 管道需防热 防冻 一 1151电容式压力 差压 变送器 一 概述1151系列电容差压 压力变送器具有悠久的历史 并依其设计新颖 品种规格齐全 安装使用简便 坚固耐振 长期稳定性好 单向过载保护能力强而著称 二 测量部分的结构原理 1 测量部分的结构被测介质的两种压力通入高 低两压力室 作用在敏感元件的两侧隔离膜片上 通过填充液传到预张紧的测量膜片两侧 测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器 当两侧压力不一致时 致使测量膜片产生位移 其位移量和压力差成正比 故两侧电容就不等 通过检测 放大转换成4 20mA的二线制电流信号 采用差动电容的设计是为了提高灵敏度和改善非线性 采用 相对差动电容 则又可忽略极板面积A和介电常数对测量的影响 三 转换部分的工作原理 采用差动电容的设计是为了提高灵敏度和改善非线性 采用 相对差动电容 则又可忽略极板面积A和介电常数对测量的影响 测量电路 振荡器 解调器和振荡控制放大器 任务是将电容比转换成电流信号放大输出电路 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 其作用是将电流转换成直流4 20mA的统一信号 四 1151系列电容差压变送器的调校与使用 1 量程调整范围K4是放大输出电路的闭环放大倍数 调整电位器R32可以改变K4的大小 从而调整差压变送器的量程 2 零点调整范围3 零点和量程的调整4 改变量程时的调校方法 例 量程为0 100kPa的表 正迁移百分之五十后 就变为50 150kPA 这时50kPA对应4mA 150kPA对应20mA 缩小量程 复验零位 当输入为 0 压力时 输出应为4mA 若有偏差 可微调调零电位器 仍然输入为 0 压力 按顺时针方程调节量程电位器 使其在 0 压力输入时 输出为4mA 原来量程 所需量程 重调零位电位器 使其在 0 压力输入时 输出为4mA 校对测量上限的输出 如有必要则再细调量程和零位 使其满足新的使用规格 扩大量程 复验零位 当输入为 0 压力时 输出应为4mA 若有偏差 可微调调零电位器 输入原来量程的满量程压力 按逆时针方向调节量程电位器 使其在原来量程的满量程压力输入时 输出为 20mA 原来量程 所需量程 重调零位电位器 使其在 0 压力输入时 输出为4mA 校对测量上限的输出 如有必要则再细调量程和零位 使其满足新的使用规格 二 智能型压力变送器 微处理器 实现远程设定和数据传输 具有多种运算功能和自诊断功能通讯器 在中央控制室就可以对1500m以内的各个智能型压力变送器进行各种运行参数的选择和标定 1 敏感部件 其作用是将压力以及温度转换成电信号送入CPU 包括电容传感器 振荡器 温度传感器和存储器EEPROM 2 主电路 主电路板上有中央处理单元CPU 现场调整部分 调制解调器 D A转换器以及电源电路等 3 显示控制器 包括一个显示控制电路和一个微功耗的液晶显示器 第五节压力取样及管路敷设 导压管的铺设导压管是传递压力 压差信号的 对水平敷设的引压导管应有3 5 的坡度引压导管的长度一般不超过50 60m 一般内径为6 10mm当被测介质容易冷凝或冻结时 引压管路需有保温伴热措施 测量液体和蒸汽介质压力时 应考虑由于液柱所产生的压力误差 测量气体介质压力时 因气体的密度很小 产生的误差可忽略不计 第六节流量测量 一 流量分类流量是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量 质量流量 是单位时间内通过的流体质量 用qm表示 单位为kg s 重量流量 是单位时间内通过的流体重量 用qG表示 单位为kgf s 体积流量 是单位时间内通过的流体体积 用qV表示 单位为m3 s 流量有瞬时流量和累积流量之分 所谓瞬时流量 是指在单位时间内流过管道或明渠某一截面的流体的量 所谓累积流量 是指在某一时间间隔内流体通过的总量 该总量可以用在该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到 所以也叫积分流量 累积流量除以流体流过的时间间隔 即为平均流量 流量测量方法 1 速度式流量测量方法 直接测出管道内流体的流速 以此作为流量测量的依据 2 容积式流量测量方法 通过测量单位时间内经过流量仪表排出的流体的固定容积的数目来实现 3 通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数 工业上常用的流量计 按其测量原理分为以下四类 1 差压式流量计 主要利用管内流体通过节流装置时 其流量与节流装置前后的压差有一定的关系 属于这类流量计的有标准节流装置等 2 速度式流量计 主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转 叶轮的转速和流体的流速成正比 属于这类流量计的有叶轮式水表和涡轮式流量计等 3 容积式流量计 主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累积的原理 属于这类流量计的有椭圆齿轮流