第三章+压力测量.ppt

第三章压力及差压测量第一节压力测量的基本知识在生产过程中 压力是工质状态的一个参数 在火电厂中 压力是热力过程的重要参数 如要使锅炉 汽轮机以及辅机设备等安全 经济地运行 就必须对生产过程中的水 汽 油 空气等工质的压力进行检测 以便于对火电生产过程的监视和控制 一 压力的概念与表示方法1 压力的概念工程技术中的压力是物理学中的压强 即垂直作用在物体单位面积上的力的大小 2 压力的表示方法压力的表示方法以其参考零点压力的不同而不同 可以分为绝对压力和表压力 1 绝对压力以参考零点 所表示的压力称为绝对压力 2 表压力以大气压力为参考零点所表示压力称为表压力 由管道或容器中直接取出的两个绝对压力值的差值 通常称为差压 二 压力的单位压力的单位是一个导出单位 由压力的定义可知压力的单位会有多种 三 压力测量仪表在生产过程中和实验室里使用的压力仪表种类很多 对压力仪表可以从不同的角度进行分类 如按被测压力可分为 压力表 真空表 绝对压力表 真空压力表等 如按压力表使用的条件可分为 普通型 耐震型 耐热型 耐酸型 禁油型 防爆型等压力表 如按压力表的功能可分为 指示式压力表 压力变送器 如按压力表的工作原理可分为 液柱式压力计 弹性式压力计 物性式压力计 活塞式压力计等 四 压力标准与量值传递压力标准分为 基准 一等标准 二等标准 三等标准 能够实现基准和各级标准的仪器是基准器和标准器 基准器是国家最高的压力标准器 它又可以分为基准器和工作基准器 基准器用于进行国际比对 还将压力基准传递给工作基准器 工作基准器可复制多套保存在全国各地的主要部门 由它将压力工作基准传递到一等标准器 再由一等标准器传递到二等标准器 然后由二等标准器传递到三等标准器 最后由三等标准器传递到工作压力仪表 基准器 工作基准器及各级标准器目前多采用活塞式压力计和液柱式压力计 第二节液柱式压力计工作原理 液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力 而用相应的液柱高度去显示被测压力的 特点 这类压力计结构简单 显示直观 使用方便 精确度较高 价格便宜 由于结构和显示上的原因 液柱式压力计的测压上限不高 一般显示的液往高度上限为1 2m 液柱是水银时 其测压上限可达到2000mmHg 液柱式压力计适用于小压力 真空及差压的测量 种类 有U形管压力计 单管压力计 多管压力计 斜管微压计 补偿式微压计 差动式微压计 钟罩式压力计 水银气压计等 一 U形管压力计1 结构与工作原理U形管压力计如图所示 它的结构组成有三部分 U形的玻璃管 标尺及管内的工作液体 称为封液 U形管的两个平行的直管又称为肘管 精密的U形管压力计尚有游标对线装置 水准器 铅锤等 根据流体静力学原理 当管内的工作液柱产生的压力与被测压力平衡时 则有实际测量中 如果封液上面的介质是气体 则可忽略封液上面的介质的影响 则有如果被测量的是差压 则有2 使用与测量误差U形管压力计的型号为YYU 测压范围可达0 266kPa 其允许误差可达2 0 2 测量时要进行两次读数 读数时要注意液体表面的弯月面情况 要求读到弯月面顶部位置处 使用计算式计算被测压力或差压值时 要注意封液的密度是测量状态下的密度 重力加速度是当地重力加速度 如果测量要求较高 则要考虑封液的密度 毛细现象 重力加速度 U形管不竖直状态等对测量的影响 二 单管压力计单管压力计是U形管压力计的变形仪表 又称杯形压力计 可测量小压力 真空及差压等 1 结构与工作原理单管压力计的结构如图所示 单管压力计是由一个宽容器 杯形容器 一支肘管 标尺 封液等构成的 标尺可以是单独的 也可以是直接刻在肘管的玻璃上 作为实验室仪表 一般都是把分度线刻到肘管的玻璃上 其工作原理与U形管压力计是相同的 根据流体静力学 读数是在肘管上读数 宽容器上不能读数 由于所以可得到 由于肘管内径远小于宽容器的内径 所以 1 在测量要求不高时 可忽略项而直接读出h1即可 2 使用单管压力计在测量正压力时 宽容器接被测压力 肘管通大气 测量负压力时 肘管接被测负压 宽容器通大气 测量差压时 宽容器接压力高一侧的压力 肘管接压力低一侧的压力 单管压力计的型号为TG 其精确度等级可达0 02 1级 当进行精密测量或用作标准仪表时 则要进行密度和重力加速度的修正 在火力发电厂测量风压或烟道负压时 常使用单管压力计的变形仪表 多管压力计 多管压力计在使用上与单管压力计的区别是它可以同时接入多个被测量的正压或多个被测量的负压 它的宽容器的内径比肘管的内径要大许多 可以忽略对肘管上被测压力示值的影响 封液多是带颜色的水 多管压力计的型号有 测量正压的YY型 测量负压的ZY型 测量正压和负压的YZY型 测压范围一般可达到2500Pa 4000Pa 6300Pa 三 斜管微压计斜管微压计是一种测量微小压力的测量仪表 它可以测量微小正压 负压及差压 它的一支肘管可以倾斜 使用方便 1 结构与工作原理斜管微压计由杯形容器 肘管 弧形支架 标尺 封液等组成 如图所示 其工作原理与U形管压力计相同 当被测压力与封液液柱产生的压力平衡时 有式中由于所以得到 肘管的倾斜角是可调节的 为使用方便 弧形支架板上设计了一些固定肘管的孔 在每个孔处刻有一数字 使用时读出液柱长度 mm 则斜管微压计的分度条件是 标准重力加速度和20 时确定密度 808 38kg m3 的酒精溶液 显然刻在弧形支架板上的数字为式中 4 时纯水的密度 不同的值对应着不同值 角度不宜太小 因为角太小时 读数困难且准确性差 一般角在20 60 之间 2 使用及示值修正斜管微压计的型号为KST 实际的斜管微压计还具有零位调整及水平调整机构 使用时通过零位调整机构可以调整杯形容器中封液液面 使之为零 通过水平调整螺丝和水平仪使仪表为水平 使用时要注意封液的密度是仪表标明的工作液密度 所以在分度条件下 被测差压 实际的测量经常是偏离仪表分度条件 而经常发生的是测量时温度不是20 而其他某个温度 在测量要求高的时候 则要对温度时的示值进行修正 把值修正分度温度时的示值 再使用仪表上给出的值计算得到测量值 示值修正系数式中 工作液 酒精 在20 对的密度 确定值 工作液 酒精 在工作温度时的密度 第二节弹性式压力计弹性式压力计是生产过程中使用最为广泛的一类压力计 特点 它的结构简单 使用操作方便 性能可靠 价格便宜 可以直接测量气体 油 水 蒸汽等介质的压力 其测量范围很宽 可以从几十帕到数吉帕 它可以测量正压 负压和差压 分类 可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类 不论哪一类压力计在结构上都有一弹性元件 弹性元件是压力计的核心器件 它把被测量的压力转换成弹性元件的弹性位移输出 当结构 材料一定时 在弹性限度内弹性元件发生弹性形变而产生的弹性位移与被测量的压力值有确定的对应关系 准确度 目前金属弹性式压力计的精确度可达到0 16级 0 25级 0 4级 工业生产过程中使用的弹性压力计 其精确度大都是1 5级 2 0级 2 5级 测量条件 弹性式压力表适用的也测量条件较广泛 有抗振型 抗冲击型 防水型 防爆型 防腐型等 一 弹性元件1 弹性元件的结构形式弹性式压力计中的弹性元件主要有膜片 膜盒 弹簧管 波纹管等 每种弹性元件在结构上又有不同的形式 如膜片分为平面膜片 波纹膜片和挠性膜片等 弹簧管结构示意图波纹管 筒 结构示意图 a 单圈弹簧管 b 盘旋形弹簧 a 波纹筒结构示意 c 螺旋形弹簧管 d 组合弹簧管 b 与弹簧组合使用的波纹筒 膜片结构示意 a 平面膜片 b 波纹膜片 c 挠性膜片 膜盒结构示意图 2 弹性元件的特性弹性元件是弹性压力计中的敏感元件 它的特性直接关系到压力计性能的好坏 弹性元件工作在弹性范围内 而且弹性元件工作的安全系数 弹性极限压力 工作压力的上限 一般在2以上 尽管如此 由于弹性元件的不完全弹性方面的特性 如蠕变 弹性迟滞 弹性后效以及温度特性等都将直接影响到压力计的性能 使测量产生误差 1 蠕变和疲劳形变弹性元件经过长时间的负荷作用 当负荷取消后 不能恢复原来的形态 这种特性称为弹性元件的蠕变 2 弹性迟滞弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合 这种特性称为弹性迟滞 3 弹性后效当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时 弹性元件的形变并不是立即就完成 而是要经过一定的时间才完成相应的形变 这种特性称为弹性后效 a 弹性迟滞 b 弹性后效 c 弹性滞环 4 输出 输入特性目前只是通过实验和理论相结合的方法 得出弹性元件的输出 输入关系 对于膜片和膜盒 其输出 输入关系一般是非线性的 实用的平面膜片位移不超过0 1mm时 可以使输出 输入的关系达到较好的线性程度 即对于波纹膜片 其弹性位移与被测压力关系为对于弹簧管 经过精心设计制造加工后 在一定压力范围内 其输出 输出关系一般为线性 对于截面是扁圆结构的弹簧管 其自由端弹性位移与被测压力的关系为 5 温度的影响由于温度的变化 弹性元件材料的弹性模量相应变化 所以弹性元件的刚度发生变化 这将影响弹性元件的输出特性 很容易理念 温度升高 刚度减小 灵敏度增大 压力表示值将会偏离 由于温度对弹性元件输出特性的影响 所以弹性压力表的使用要注意它的适用温度范围 二 膜盒压力表膜盒压力表是用于生产过程的工业仪表 它适用于测量微小压力和真空 测量范围一般在一2000 4000Pa 精确度等级一般为2 5级 目前在生产过程中使用的国产膜盒压力表的型号有MW系列 YE系列 YEJ系列等 膜盒压力表的结构主要由膜盒 传动机构 调整机构 游丝指针 表盘等构成 膜盒风压表1一膜盒 2一刻度盘 3一零位调整 4一弧形架 5一指针 6一弹簧片 7一曲柄 8一调整螺丝 9一拉杆 10一拐臂 11一固定指针套 12一固定铀 13一形丝 14一引压管接头 三 弹簧管压力表弹簧管压力表是生产过程中和实验室应用非常普遍的测压仪表 它可以测量压力 也可以测量真空 按照使用的弹簧管的种类可分为单圈和多圈弹簧管压力表 按照适用的条件可分为耐振型 耐热型 耐腐蚀型 抗冲击防爆型以及专用压力表等 它们的工作原理是相同的 1 单圈弹分管压力表的结构及工作原理结构组成如图所示 它主要由弹簧管 传动机构 游丝 指针 表盘等组成 扇形齿轮 中心齿轮 游丝安装在彼此平行的夹板之中 中心齿轮和扇形齿轮能以各自的轴转动并相互啮合 指针固定在中心齿轮上 夹板固定在仪表的支架上 从自由端到扇形齿轮的尾端由拉杆连接 单圈弹簧管压力表1一表盘面 2一弹簧管 3一拉杆 4一扇形齿轮 5一指针 6一中心齿轮 7一接头 8一表壳 9一调整螺丝 10一曲柄 11一游丝 2 多圈 螺旋形 弹簧管压力表单圈弹簧管的自由端位移一般不大 所能提供的转动力矩也不大 所以单圈弹簧管多适用于指示型压力表 如要实现记录指示 则需要有较大的弹性位移和较大的转动力矩 这就要使用多圈弹簧管 在一定的压力范围内 多圈弹簧管自由端输出的角位移与被测压力是线性关系 多圈弹簧管压力表的内部结构如图所示 在测量状态下记录纸是随时间匀速运的 记录笔下的曲线代表压力随时间的变化 多圈弹簧管压力表结构示意1一引压管 2一螺旋弹簧管 3一轴 4一可调臂 5 调整螺丝 6一拉杆 7一记录笔 8一曲柄 9一弓形架 10一三角孔 四 双波纹管差压计双波纹管差压计在火力发电厂中主要用于流量和水位测量指示记录的二次仪表 如果用于流量测量 差压计往往还带有积算装置 各种功能的双波纹管差压计测量部分的作用原理都是相同的 测量的差压值上限可达0 4MPa 耐工作压力上限可达40MPa 精确度可达1 0 1 5级 双波纹管差压计主要由测量机构 传动机构 记录机构以及机械积算装置等部分组成 1 测量机构及工作原理 1一节流装置 2一导压管 3一阀 4一导压管 5一扭管 6一中心基座 7一低压波纹管 8一范围弹簧 9一低压测量室 10一填充液 11一摆杆 12一推板 13一阻尼阀 l4一高压波纹管 15一高压测量室 16一连杆 l7一补偿波纹管18 l9 单向阀 20一支撑板 第四节压力 差压 变送器弹性元件检测压力的输出只是机械位移信号 该信号可以就地显示 也可以变换为电信号以供远传 这种变换一般称为电变送 其方法很多 如电阻式 电感式 电容式 应变式 力平衡式 霍尔式 振弦式 光纤式等 目前工业生产使用的电变送后的压力信号都是标准化的电流或电压信号 其变送器都是定型的产品 一 1151系列电容式压力 差压 变送器1 概述1151系列电容式压力 压差 变送器是我国引进美国罗斯蒙特公司技术并自己开发生产的一类新型压力 差压 变送器 特点 它具有精确度高 性能稳定 单向过载保护性能好 调整方便 体积小 重量轻等一系列优点 应用 使用在电力 石油 化工等各领域的生产过程中 在火力发电厂使用1151电容式压力 差压 变送器几乎有一种替代其他种类压力 差压 变送器的趋势 组成 变送器由两部分组成 差动式压力 差压 电容转换和测量电路 差动式压力 差压 电容转换是将被测压力 差压 转换成差动变化的电容CL CH 其结构如图所示 部分1151电容式压力 差压 变送器 2 结构感压元件是膜片 它是能产生弹性变形的极板 两电容的固定极板为球面形结构 测量膜片位于两固定极板的中央 它与固定极板构成两个小室 称为室 两室结构对称 固定极板是将玻璃绝缘体磨成球形凹面 并在该表面镀上一层金属薄膜而成 金属薄膜和弹性膜片都接有输出引线 测量膜片与固定极板形成的电容在30 150pf范围内 室通孔与自己一侧隔离膜片腔室连通 室和隔离腔室内充有硅油 差动式压力 差压 电容转换关系1 2一固定电极 3一测量膜片 4 5 隔离膜片 6一隔离膜片 5一密封圆 7一绝缘体 8 硅油 11 外壳 10一电容引出线 4 测量电路及工作原理测量电路的任务是将电容变化量转换成4 20mA DC输出 输出特性是线性的 电路能实现仪表零点 量程 阻尼 线性等调整 1151系列变送器有三种测量电路 E型 普通型 J型 有开平方功能 F型 用于微差压测量 现以E型电路为例分析其转换工作原理 电路组成原理框图如图所示 变送器测量电路原理框图测量电路由解调器 振荡控制放大器 振荡器 基准电压电路 调零电路 量程调整电路 电流控制放大器 电流转换电路 电流限止电路 阻尼调整电路 反极性保护电路等组成 测量电路的作用 一是完成电容 电流的转换 转换成的电流为直流并与成正比 这由解调器 振荡器 振荡控制放大器完成 二是对转换成的直流电流信号进行控制放大使之成为4 20mA DC输出 并能实现零点 量程 阻尼调整等功能 这由调零电路 量程调整电路 电流控制放大器 电流转换电路 功率放大 阻尼调整电路等完成 三是输出电流限制和外接电压保护功能 这由电流限制电路和反极性保护电路完成 四是线性调整功能 这由线性调整电路完成 1 电容 电流转换将一个载有信号的电容转换成电流信号 在此采用的方法是对电容回路供以稳定的交流电压 当电容量变化时 流过电容的电流也随之发生变化 该电流即载有信号电流 显然这要求供电的交流电压应稳定 由于传感电容的电容量较小 30 150pF 只有供电电压频率较高时才可能获得大的信号电流 因此电容 电流的转换采用高频振荡器供电 为保证振荡器的输出电压稳定 采用了振荡控制措施 从控制角度看 这种控制是定值调节系统 在振荡控制放大器的输入端放置一定值电压 校调量是振荡器输出电压 输出电压反馈到振荡控制放大器的输入端作为控制信号 该信号是由解调器输出的共模电流在振荡控制放大器输出端的电阻网络上产生的 这是解调器完成的一个任务 完成的另一任务是输出差模信号电流 该电流代表 输出到电流控制电路进行控制放大 转换成4 20mA DC 以下分析解调器输出及振荡控制的工作原理 电路如图所示 设 为振荡电压正半周期时流过 的电流 为负半周流过 的电流 其电流方向如图3 21中所示 L3 L4 L5是振荡器的输出线圈 正半周期时 电流的流通路径为 L5的上端 V2 V6 C15 RS C14 L5的下端 电流的流通路径为 L4的上端 V3 V7 Cl5 R10 R11 L4的下端 的负半周期时 的流通路径为 L3的下端 R12 R13 C15 V5 V1 L3的上端 的流通路径为 L5的下端 RS C14 Cl5 V8 V4 L5的上端 2 电流控制放大及电流转换电流控制放大器及电流转换电路一起构成输出4 20mA DC电流的控制回路 它是深度负反馈的控制回路 如图3 25所示 电流控制放大器的输入端信号 不论是同相端还是反相端 均以G点为参考点 加到反相端的输人信号有 C点与G点之间的电压信号Up Up是由分压电阻R14提供的 相对于G点Up是负值 加到同相端的输入情号有 解调器输出的差模电流Is 测量信号电流 形成的电压为RsIs Rs是等效电阻 输入放大器同相端的信号电压为 RsIs 相对于G点是负值 调零电路在放大器同相端产生的电压为KUU0 KU为分压系数 相对于G点为负值 以上三个电压是电流控制放大器的输入电压 整机输出电流I0通过量程电路反馈到电流控制放大器同相端的反馈电压为I0 3 电流限制电路电流限制电路由晶体管V2电阻R18 R19组成 电路的作用是限制功率放大器过大的输出 当功率放大器输出过大时 流过R34的电流变大 因此V2集电极电位下降 使V2达到饱和状态 从而增大了V2对功放的分流效果 使功率放大器的输出受到限制 电路设计使整机输出电流不会大于30mA DC 另外 电流限制电路还提供直流电压输出作为放大器Al A2 A3的电源电压 4 反极性保护电路稳压二极管V8构成外接电源极性反接的保护电路 当外接电源E极性反接时 V8构成顺向通路 这样不致于损坏仪表电路 5 阻尼电路阻尼电路由R31 R32 C18和电位器RP2构成 其作用是抑制被测介质信号脉动变化时而引起的输出电流过大的波动 该通路为信号交流负反馈通道 5 仪表的调整及使用 1 测量电路仪表的测量电路在结构上做成了插件板形式 有检测板 补偿板 调整板 放大电路板等 检测板装有解调电路的二极管 并接有检测变换电容CL CH 一般情况下 它不可随意拆下 补偿板上是量程补偿电阻R1 R2以及稳压温度电阻R25 R26 R27 调整板也是零点调整和量程调整电路 测量电路及其他电路均在放大电路板上 调整扳和放大电路板与其他型号的调整板子放大电路板可互换 互换后要对仪表进行全面的校验 2 零点与量程调整调整电位器RP3可以调整仪表的零点电流 当需要进行零点迁移时 应先对插孔SZ或EZ进行短接 粗调 之后再仔细调整RP3 使之达到要求 量程的调整是通过电位器RP4的调整实现的 改变RP4的滑动端即改变了系统的反馈系数 零点与量程的调整要反复进行几次才能最后确定 3 线性调整在放大电路板上有线性调整电位器 仪表出厂时已经按调整量程调到最佳状态 一般不需再进行调整 如果要求在某一特定的测量范围内有较好的线性特性时 则需要重新调整 4 阻尼调整调整放大电路板上的RP2可以改变仪器的阻尼特性 调整范围为0 2 1 66s 仪表出厂时调到0 2s状态 阻尼时间的调整可在现场进行 如果仪表输出波动较大 应进行增加阻尼时间的调整 5 仪表负载特性仪表运行的允许负载与使用的仪表电源电压有关 6 变送器的特点 1 变送器无机械传动和机械反馈机构 与力平衡式压力 差压 变送器比较起来 它结构简单 使用维护方便 精确度高 2 变送器的测量敏感部件采用平面膜片 两侧球面形极板为固定极板 结构对称 利用膜片受压后产生弹性位移 差动式改变两侧电容的变化 球面形对称性结构和微位移使输出有较好的线性特性 3 测量电路众多采用线性集成元件 线路简单 性能好 整机的调整均通过测量电路 调整方便 二 扩散硅压力 差压 变送器扩散硅压力 差压 变送器是一种半导体应变式变送器 其感压元件是用半导体材料 单晶硅 制成的硅杯成膜片 它利用集成电路工艺使半导体材料在感压元件上扩散制成半导体应变电阻来检测感压元件应变的大小 由于单品硅材料的弹性性能很高 其转换性能的滞后与蠕变很小 所以转换的精确度很高 我国80年代初研制成的集成式扩散硅压力变送器是将半导体应变电阻和测量电路集成在同一芯片上 或采用做成几个芯片再集成为一片的形式 所以变送器的体积小 而且轻便 扩散硅式压力 差压 变送器的精确度已达到0 5级 1 感压元件扩散硅压力变送器的感压元件是硅杯 差压变送时的感压元件是膜片 硅杯的结构形式如图所示 C形硅杯是在一片方形N型硅片上加工而成的 杯底呈圆形 是周边密封的膜片 在杯底用P型半导体材料扩散形成应变电阻 C形硅杯适用于较高压力的测量 E形和E1形硅杯则适用于微压测量 在硅