压力检测仪表及其应用.doc

压力检测仪表及其应用压力测量仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型。液压式压力测量仪表常称为液柱式压力计，它是以一定高度的液柱所产生的压力，与被测压力相平衡的原理测量压力的。大多是一根直的或弯成 U形的玻璃管，其中充以工作液体。常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。因玻璃管强度不高，并受读数限制，因此所测压力一般不超过0.3兆帕。它的特点是。液柱式压力计灵敏度高，因此主要用作实验室中的低压基准仪表，以校验工作用压力测量仪表。由于工作液体的重度在环境温度、重力加速度改变时会发生变化，对测量的结果常需要进行温度和重力加速度等方面的修正。弹性式压力测量仪表是利用各种不同形状的弹性元件，在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同，可分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。这类仪表的特点是结构简单，结实耐用，测量范围宽，是压力测量仪表中应用最多的一种。负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计，它是直接按压力的定义制作的，常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。由于活塞和砝码均可精确加工和测量，因此这类压力计的误差很小，主要作为压力基准仪表使用，测量范围从数十帕至2500兆帕。电测式压力测量仪表是利用金属或半导体的物理特性，直接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等，将弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。代表性产品有压电式、压阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测量仪表。精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。压阻式压力传感器是利用半导体材料硅在受压后，电阻率改变与所受压力有一定关系的原理制做的。用集成电路工艺在单晶硅膜片的特定晶向上扩散一组等值应变电阻，将电阻接成电桥形式。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，应变使电阻值发生与被测压力成比例的变化，电桥失去平衡，输出一电压信号至显示仪表显示。一.常用压力检测仪表1.液体压力计基本原理：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一般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行压力测量的常用于低压、负压和差压的检测液体压力计具有直观、数据可靠、准确度高等优点，它不仅能测表压、差压、还能测负压、是科学研究和实验研究中常用的压力检测工具。用U形管只能测量较低的压力或差压（不可能将玻璃管做得很长），另外它只能现场指示，压力值须通过读数并进行计算得到，使用不太方便水、酒精和水银是常用的液体测量范围： 0-16KPa精度： 1%液体压力计的使用 当地重力加速度修正压力计应垂直安装使用。如果不能垂直安装，应对读数进行修正应根据被测介质的特性和压力的测量范围选择合适的工作液 在使用时，被测压力的瞬时值不能超过测量范围2. .弹性式压力检测仪表基本原理：用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表弹性式压力检测仪表组成环节如下图所示弹性元件是核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形在弹性元件与指示机构之间是变换放大机构，其作用是将弹性元件的变形进行变换和放大指示机构(如指针与刻度标尺)用于给出压力示值调整机构用于调整零点和量程。弹性元件同样的压力下，不同结构、不同材料的弹性元件会产生不同的弹性变形。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管、薄膜等。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压或真空度的测量弹性元件常用的材料有铜合金、弹性合金、不锈钢等，各适用于不同的测压范围和被测介质弹簧管压力表弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压（可达1000MPa），仪表的准确度等级最高为0.1级 被测介质的性质和被测介质的压力高低决定了弹簧管的材料。对于普通介质，当p20MPa时，则采用不锈钢或合金钢。对于腐蚀性介质，一方面可采用隔离膜和隔离液；另一方面也可采用耐腐蚀的弹簧管材料。如测氨介质时须采用不锈钢弹簧管，测量氧气压力时，则严禁沾有油脂，以确保安全使用 。3. 波纹管差压计和弹簧管压力表相比，波纹管压力表的测量范围较小，一般为0-0.4MPa，仪表的准确度等级为1.5-2.5级,可以测量差压。其它弹性式压力表膜盒压力表主要用于测量较低压力或负压的气体压力，压力测量范围为20-40kPa，仪表的准确度等级一般为1.5-2.5级。膜片压力表的工作原理与膜盒压力表相近，测量准确度也差不多，但膜片压力表的可测压力范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表。 4.电远传式压力检测仪表基本原理：也是利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元件（或装置）和转换电路能将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传。电远传式压力仪表常称压力传感器；如果输出的电信号为标准的电流或电压信号，则称为压力变送器。力平衡式压力变送器力平衡是力矩平衡的简称。根据输出信号的不同有气动压力变送器和电动压力变送器。气动压力变送器使用140kPa的空气压力作为气源，其输出为20-100kPa的空气压力信号。（气动单元组合仪表QDZ)电动压力变送器又有（电动单元组合仪表）DDZ型和DDZ型两种，前者使用220V交流电压，输出为0-10mA的电流信号；后者使用24V直流电源，输出为4-20mA的电流信号电容式基本原理：电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。 式中为电容极板间介质的介电常数；A为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。变极距式电容压力传感器变面积式电容压力传感器电容式计主要由测量膜片（金属弹性膜片）、镀金属的凹形玻璃球面及基座组成。测量膜片左右空间被分隔成两个室，其中充满硅油。测量膜片在焊接前加有预张力，当两边的压力相等时，处于中间平衡位置，此时定极板左右两电容的电容值完全相等。测量电路差动变极距式电容压力传感器 改变电容两平行板间距 d 的测量方式有较高的灵敏度，但当位移较大时非线性严重。采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因受温度影响引起的不稳定性结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度高，其精确度可达0.25-0.05；可以测量压力和差压。变面积式电容压力传感器霍尔式测压原理：利用霍尔片式传感器实现压力-位移-霍尔电势的转换。霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电流I，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差VH，此电位差称为霍尔电势。电感式 首先用弹性元件将被测压力转换成弹性元件的位移，再用电学的方法将位移转换成自感或互感系数的变化，最后由测量电路转换成与被测压力成正比的电流或电压输出。在压力测量中，差动变压器应用比较广泛。一般采用直接把两个二次线圈反向串接的方法，这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差。测量电路谐振式 依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号。根据谐振原理的不同，谐振式压力传感器有振弦式、振膜式及振筒式几种 振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率取决于其长度、材料密度和内应力。 T张力，l 振弦长度，振弦线密度5.物性型压力检测仪表基本原理：基于物质定律基础上的，敏感元件感受被测压力，并将压力的大小转换成敏感元件的某个物理量输出。由于该物理量常常是一种电量信号，因此这类传感器也是电远传式的。主要有应变式压力传感器、压阻式压力传感器和压电式压力传感器等。应变式 电阻应变片能将元件所受的应变转换成电阻的变化。利用应变片作为敏感元件的压力传感器称为应变式压力传感器测量电路单一式为了使应变片能在受压力作用时产生应变，应变片一般要和弹性元件一起使用电阻温度系数补偿由于应变式压力传感器的响应速度较快，故这种压力传感器较多地用于一般要求的动态压力检测。压阻式 当半导体应变片受力作力产生应变时，其电阻值的变化主要是压阻效应（电阻率的变化）引起的，这种半导体应变片也称压阻元件，由此构成的压力传感器称压阻式压力传感器。压阻式压力传感器的特点:体积小，结构简单，易于微小型化，目前国内生产出直径1.8-2mm的压阻式压力传感器灵敏度高，频率响应高测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60MPa的 高压 精度高，工作可靠，其精度可达0.2-0.02 需进行温度补偿，固态压力传感器，集成压力传感器压电式 压电元件受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。利用压电元件构成的压力传感器称为压电式压力传感器 压电式压力传感器特点:体积小，结构简单紧凑，工作可靠测量范围宽，可测100MPa以下的压力测量精度较高线性度好频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。智能差压（压力）变送器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二.仪表的选用1)仪表类型的选择压力检测仪表的选用是一项重要工作.类型的选择必须从生产工艺要求、被测介质的性质、使用环境条件等方面综合考虑，要考虑生产工艺是否要求压力信号现场指示、远传、报警、自动记录;被测介质有无腐蚀性、温度大小、温度与压力高低、易燃易爆情况、是否易结品等;现场环境条件如振动、电磁场、腐蚀性、高低温等问题.正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及生产安全进行的主要前提，如果选用不当，不仅不能正确、及时地反映被测对象压力的变化，还可能引起事故.所以选用时应根据具体情况，全面考虑，并本着节约的原则合理地考虑仪表的览程、精度、类型等。选用时主要应考虑以下几个方面。(1)仪表的材料.压力检测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。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;氨用压力仪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;氧用压力仪表在结构和材质上可以与丹通压力仪表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸.(2)仪表的输出信号.对于只需要观察压力变化的情况，应选用如弹簧管压力表甚至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。(3)仪表的使用环境.对爆炸性较强的环境，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.事实上，上述压力表选型的原则也适用于差压、流量、液位等其他检测仪表的选型.2） 仪表量程的选择仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被侧对象进行测量的范围，它根据操作中需要测从的参数的大小来确定.为了保证敏感元件能在其安全的范围内可靠地工作.也考虑到被测对象可能发生的异常超压悄况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。一般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在被测压力波动较大或测脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于满量程的1/3当被测压力变化范围大，最大和最小工作压力可能不能同时满足上述要求时，选择仪表量程应首先要满足最大工作压力条件目前我国出厂的压力（包括差压）检测仪表有统一的量程系列，它们是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它们的10n倍数（n为整数）3）仪表准确度等级的选择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.另外，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，就不必追求过高精度的仪表.压力检测仪表的准确度等级主要根据允许的最大误差来确定，即要求仪表的基本误差应小于实际被测压力允许的最大绝对误差。精度等级愈高、价格愈贵，维护要求也愈高.所以，工程上应在满足工艺要求的前提下.选用精度较低的仪表.工业用压力仪表一般选1-4级，精密测量或校验用的压力仪表应在0.4级以上。另外，在选择时应坚持节约的原则，只要仪表的准确度能满足生产的要求，就不必追求用过高准确度等级的仪表准确度等级：，0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1,5,2.5,如何根据量程和精度选择压力表首先，是对量程的选择。标准表的使用，一般不得超过测量上限的75%（即全量程3/4刻度处）；标准表的测量上限应比被检表的测量上限高1/3，求算公式为 标准表的测量上限=被检表测置上限+1/3x被检表测量上限或写成标准表的测量上限=被检表测量上限(1+1/3)例： 被检压力表为10kgf/cm，应选用测量上限为多少kgf/cm的标准压力表？解：标准压力表的测量上限=10kgf/cmx（1+号）= 13.33kgf/cm答：应选用测量上限为16kgf/cm的标准压力表。由于求算后所得的数据与标准表量程的测量上限不符，实际工作中一般不进行计算，都选用比被检表大一档量程的标准表。其次是对精度等级的选择：按检定规程中规定：“标准器基本误差绝对值，不应超过被检压力表基本误差绝对值的1/3。”也就是说，标准表的精度应高于被检表3倍，标准表的级数应小于被检表的1/3。三.压力检测系统 一个完整的压力检测系统包括：取压口（在被测对象上开设的专门引出介质压力的孔或装置）；引压管路（连接取压口与压力仪表引压入口的管路，使被测压力传递到压力仪表）和压力检测仪表。取压口 取压口要具有代表性，能真实地反映被测对象压力的变化。取压口位置在选择时要尽可能方便引压管路和压力仪表的安装与维护，同时还应遵循以下原则：取压口位置要选在被测介质直线流动的管段或容器的壁面部分，不要靠近管路中有阻力件或容器的死角附近 取压口开孔的轴线应垂直被测设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，以保证测取的是流体的静压信号引压管路 引压管路的敷设应保证压力传递的实时、可靠和准确 引压管路的内径一般为6-10mm，长度不得超过50m。引压管路越长，介质的粘度越大（或含杂质越多），引压管的内径要求越大引压管路水平敷设时，要保持1：10-1：20的倾斜度。被测介质为液体时，从引压管到仪表方向向下倾斜；介质为气体时，则向上倾斜当被测介质为易冷凝易结晶易凝固流体时，引压管路需有保温伴热措施 压力(差压)检测仪表的检定和校准必需检定和校准。临时使用的仪表也应定期检定， 仪表在使用之前。其周期应视使用频繁水平和重点水平而定。当仪表带有远距离传送系统及二次仪表时，应连同二次仪表一起检定、校准。四.压力检测仪表的安装注意事项进行压力检测，实际上需要一个测量系统来实现。要做到准确测量，除对仪表进行正确选择和检定（校准）外，还必须注意整个系统的正确安装。如果只是仪表本身准确，其示值并不能完全代表被测介质的实际参数，因为测量系统的误差并不等于仪表的误差。系统的正确安装包括取压口的开口位置、连接导管的合理铺设和仪表安装位置的正确等。1取压口的位置选择（1）避免处于管路弯曲、分叉及流束形成涡流的区域。（2）当管路中有突出物体（如测温组件）时，取压口应取在其前面。（3）当必须在调节阀门附近取压 时，若取压口在其前，则与阀门距离应 不小于2倍管径；若取压口在其后，则 与阀门距离应不小于3倍管径。（4）对 于宽广容器，取压口应