压力测量仪表PPT课件

.,1,热工仪表及自动控制,主讲教师：张玉成,材料与冶金学院,.,2,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,1热辐射测温基本原理,利用被测温物体的热辐射能量与其温度有一定关系，通过测量热辐射能量来显示被测物体温度。普朗克定律：黑体的单色辐射强度M0与波长和温度T之间的关系：M0C1-5（eC2/T-1）-1kcal/m2.h.mC1=3.1710-16kcal.m2/h（普朗克第一辐射常数）C2=1.438810-2m.k（普朗克第二辐射常数）维恩公式：M0=C1-5e-C2/T（用于3000k以下的温度）是光学高温计的理论依据。,.,3,一、热工测量仪表,辐射测温仪表,1热辐射测温基本原理,普朗克定律和维恩公式是黑体的理论公式，实际存在的物体并非黑体,其辐射强度M0对波长的分布与普朗克定律不同，上两式不适用，必须加以修正：M（）M0其中（）为物体的光谱发射率（单色辐射黑度）。其值在0与1之间，它与温度，物体的性质和表面情况有关，其数值由实验方法测定。,.,4,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,2光学高温计,物体在高温状态会发光，具有一定亮度，其亮度和辐射强度成正比，即LCMC为比例常数。由于M与T有关，所以受热物体的亮度大小也反映了物体温度的高低，但因为各种物体的黑度是不同的，因此即使它们的亮度相同，其温度也是不相同的，这就使得按某一物体的温度刻度的光学高温计不可以用来测量黑度不同的另一物体的温度。,.,5,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,2光学高温计,为解决此问题，仪表按黑体的温度刻度，当测量实际物体的温度时，所测量出的结果，不是物体的真实温度，而是相当黑体的温度，即物体的亮度温度，然后通过修正求得被测物体的真实温度。,.,6,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪,2光学高温计,亮度温度：当物体在辐射波长为，温度为T时的亮度L，和黑体在辐射波长为，温度为Ts时的亮度L0相等，则将TS称为该物体在波长为时的亮度温度。,令其亮度相等，则：,其中，为单色辐射波长，通常用0.65m的红光；C2为普朗克第二辐射常数；()为黑度系数。,.,7,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（1）测温工作原理,普朗克定律只给出了绝对黑体单色辐射强度随温度变化的规律，若要得到波长从0之间的全部辐射能量的总和，可将M0对进行积分即全辐射能量为：,Kcal/m2h,其中：为：斯蒂芬玻尔兹曼常数（4.9610-8kcal/hm2k4）,此式称为绝对黑体全辐射定律（斯玻定律）。它说明绝对黑体全辐射能量和绝对温度的四次方成正比。,对于实际物体必须进行修正为全辐射黑度（物体的发射率），其值在01之间。,.,8,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,WFT-202型全辐射感温器,1-对物透镜；2-外壳；3-补偿光栏；4-座架；5-热电堆；6-接线柱；7-穿线套；8-盖；9-目镜,.,9,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,热电堆,热电堆由云母环、靶心、引出线和热电偶组成。按辐射高温计的起点不同，热电堆分别由16对或8对直径为0.050.07mm的镍铬-考铜热电偶串联而成，每对热电偶的热端焊在瓣形镍箔上，其冷端由考铜箔串联起来，最后一端由考铜箔代作引出线，整个热电堆固定在环形云母架上。,.,10,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,全辐射高温计是将被测物体的全辐射能量通过热电堆转换为热电势，然后送入显示仪表。物体的全辐射能量由物镜聚焦后经光栏使焦点落在热电堆上。热电堆测量端感受热量，输出热电势送到二次仪表，由二次仪表指示或记录被测物体的温度。,.,11,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,光栏是用来拦除外界杂散光，并对热电堆的冷端温度实现自动补偿，它是采用控制孔径的装置，它由四个补偿片和四个双金属片组成。当环境温度升高时，双金属片的自由端因升温向四周伸展，带动四片补偿片各自向外移动，于是光栏孔扩大，辐射到热电堆上的能量增加，使输出热电势不致因冷端温度升高而减小，起到了补偿作用。,.,12,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,全辐射高温计是按黑体被测对象进行刻度的，需要对测量结果进行换算，获得实际物体的温度。,辐射温度：当被测物体的真实温度为T时，其辐射强度（全辐射能量）M等于黑体在温度Tp时的辐射强度度M0，温度Tp称为被测物体的辐射温度。,式中：全辐射黑度（发射率），其值随物体的化学成分，表面状态，温度和辐射条件不同而不同，且难准确测定，测量误差较大。,.,13,一、热工测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,使用注意事项：使用时应尽可能准确地确定被测物体的黑度，或人为地创造黑体辐射的条件。安装时正对着砌在炉膛侧壁内封底陶瓷管的底部，以提高测量准确度。测量时要使高温计的铂箔片正好被整个被测对象的像覆盖，否则测量值是不准确的。,.,14,一、热工测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,使用注意事项：全辐射高温计和被测物体之间的中间介质如水蒸汽、CO2等会吸收辐射能量，使高温计接收到的辐射能减少而引起误差。由于中间介质对不同波段辐射能的吸收程度不同，中间介质吸收全辐射能比吸收单色辐射能要多，所以全辐射高温计受中间介质的影响更大些。为了减小误差，高温计与被测物体之间的距离不可太大。,.,15,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,使用注意事项：全辐射高温计与被测物体间的距离往往较小，高温计在物体热辐射的影响下温度逐渐升高，会使其中热电偶冷端温度升高，增加测量误差。故，当环境温度过高时（100），则需在高温计外装设冷却水套，以降低仪表工作温度。,.,16,一、热工测量仪表,1-2温度测量仪表,辐射测温仪表,3全辐射高温计,（2）全辐射高温计,使用注意事项：对不同型号的全辐射高温计，要求被测物体的直径D和被测物体与高温计之间的距离L之比有一定限制。当D/L太小时，被测物体在热电堆平面上成像太小，全辐射能不能完全充满热电堆十字平面，指示值偏低。而且距离太远，中间介质的影响增大，温度的指示值也偏低。,.,17,本章小结,常用测温方法,热膨胀：固体、液体、气体的膨胀位移。,电阻变化：导体或半导体受热后电阻值发生变化。,热电效应：两种不同性质的导体（或半导体）构成闭合回路，两接点温度不同时，回路中就产生电势。（帕尔贴效应）,热辐射：物体的热辐射能随温度的变化而变化。,.,18,热电偶,热电现象（热电效应或帕尔贴效应）：由两种不同的导体或半导体A、B组成的闭合回路中，如果使两个接点1、2处于不同的温度，回路就会出现电动势，这一现象即为热电现象。该电势即为热电势。Et=eAB(t)-eAB(t0),热电势由温差电势和接触电势组成。,冷端补偿电位差计,.,19,电阻温度计,利用某些金属导体或半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的性质来进行工作的。Rt=Rt0(1+t)其中:为电阻温度系数，即温度每升高一度时，材料电阻相对变化的数值。大多数金属，温度每升高一度，其阻值增加0.40.6%，而半导体则降低0.30.6%。,.,20,光学高温计,普朗克定律：M0C1-5（eC2/T-1）-1黑体的单色辐射强度M0与波长和温度T之间的关系：维恩公式：M0=C1-5e-C2/T（用于3000k以下的温度）是光学高温计的理论依据。实际物体：M（）M0其中（）为物体的光谱发射率（单色辐射黑度），其值在0与1之间。物体在高温状态会发光，具有一定亮度，其亮度和辐射强度成正比，即LCM，C为比例常数。亮度温度：当物体在辐射波长为，温度为T时的亮度L，和黑体在辐射波长为，温度为Ts时的亮度L0相等，则将TS称为该物体在波长为时的亮度温度。,.,21,全辐射高温计,黑体全辐射能量：,实际物体：为全辐射黑度（物体的发射率）,辐射温度：当被测物体的真实温度为T时，其辐射强度（全辐射能量）M等于黑体在温度Tp时的辐射强度M0，温度Tp称为被测物体的辐射温度。,.,22,课下总结,热电偶：基本原理、冷端补偿电位差计：工作流程、信号干扰光学高温计与全辐射高温计的设计思路,.,23,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,为什么要测量压力？,在工业生产过程中，压力是重要的操作参数之一。特别是在化工、炼油等生产过程中，经常遇到压力和真空度的测量：如高压聚乙烯，要在150MPa或更高的压力下进行聚合；炼油厂减压蒸馏，则要在比大气压低很多的真空下进行。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。压力测量的意义不仅局限于其自身，有些其他参数的测量，如物位、流量等，往往是通过测量压力或压差来进行的。,.,24,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,压力单位,压力，是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，可表示为：p=F/S单位：帕斯卡，简称帕（Pa）：1Pa=1N/m2帕所表示的压力较小，工程上经常使用兆帕（MPa）。1MPa=1*106Pa,一、热工测量仪表,.,25,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,绝对压力、表压、负压（真空度）,表压：是绝对压力和大气压力的差值：即p表=p绝p大气负压：是大气压力和绝对压力的差值：即p真=p大气p绝,压力设备和测压仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，所以，工程上常使用表压或真空度来表示压力的大小。,.,26,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表分类,液柱式压力计：是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱（汞柱、水柱）高度，主要有：U形管，单管，斜管等。结构简单、使用方便。但精度受工作液的毛细管作用、密度以及视差等因素的影响，测量范围较窄。一般用来测量较低的压力、真空度或压力差。弹性式压力计：是根据弹性件受力变形的原理，将被测压力转换成弹性元件的位移进行测量。有弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。,.,27,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表分类,电气式压力计：是通过机械或电气元件，将被测压力转换成各种电量（如电压、电流、频率等），依据电量的大小而实现压力的间接测量。例如各种压力传感器和压力变送器等。活塞式压力计：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上所加平衡砝码的质量来进行测量的。测量精度高，允许误差可小到0.05%0.02%。但结构复杂，价格较贵。一般作为标准型压力测量仪器，来检验其他类型的压力计。,.,28,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹性式压力计,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质的压力作用下产生弹性变形的程度（一般用位移的大小表示）来度量被测压力的大小。其结构简单、测压范围宽、计数清晰、有足够的精度、价格便宜、现场使用和维修方便。常用的弹性元件有：弹簧管（a-单圈，b-多圈）、c-膜片、d-膜盒、e-波纹管等。,.,29,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹性式压力计弹性元件,1弹簧管式弹性元件：其测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。有单圈和多圈之分。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，其截面做成扁圆形或椭圆形，当通入压力P后，其自由端会产生位移。其位移量较小，能测量较高的压力。为增加自由端的位移，可制成多圈弹管。,.,30,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹性式压力计弹性元件,2薄膜式式弹性元件：弹性膜片是由金属或非金属做成的具有弹性的一张膜片，在压力作用下能产生变形。有时也可由两块金属膜片沿周口对焊起来成一薄壁盒子，内充液体（例如硅油），称为膜盒。3波纹管是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。这种弹性元件易于变形，而且位移可以很大，常用于测量微压与低压（一般不超过1MPa）。,.,31,测量原理：一根弯成圆弧形（2700）的金属空心管子。其自由端B封闭，管子的另一端固定在接头9上。当通入被测压力p后，截面涨成圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生向外挺直的扩张变形，使其自由端B会产生位移。输入的压力p与自由度B的位移成正比，只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹簧管压力计单圈弹簧管,1-弹簧管；2-拉杆；3-扇形齿轮；4-中心齿轮；5-指针；6-面板；7-游丝；8-调整螺丝；9-接头,.,32,位移放大：自由端B的位移一般很小，难以直接显示。B点的位移通过拉杆2使齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹簧管压力计单圈弹簧管,1-弹簧管；2-拉杆；3-扇形齿轮；4-中心齿轮；5-指针；6-面板；7-游丝；8-调整螺丝；9-接头,.,33,游丝7：用来克服因扇形齿轮3和中心齿轮4间的传动间隙而产生的仪表变差。调整螺丝8：通过改变8的位置（即改变机械传动的放大系数），来调整压力表的量程。由于自由端B的位移与被测压力之间具有正比关系，因此面板6上的刻度标尺是线性的。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹簧管压力计单圈弹簧管,1-弹簧管；2-拉杆；3-扇形齿轮；4-中心齿轮；5-指针；6-面板；7-游丝；8-调整螺丝；9-接头,.,34,弹簧管的材料：根据被测介质的性质、被测压力的大小而定。p20MPa时，选用不锈钢或合金钢。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,弹簧管压力计单圈弹簧管,.,35,一、热工测量仪表,下一页,章目录,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电接点信号压力表弹簧管压力表的改进,它是在弹簧管压力表上增加电接点形成的。在压力高于或低于规定范围时，压力表能发出灯光或音响信号，作报警或自动控制用。,.,36,工作原理：采用凹凸形的金属膜片作为弹性元件，金属膜片6被固定在上下两块金属盖中。当被测介质从接头传入膜室后，膜片6下部承受被测压力，上部为大气压，因此产生向上位移。此位移借助球铰链5和顶杆4传至齿形齿轮3，从而使中心齿轮2和指针1转动，在刻度盘上显示出相应的压力值。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,膜片式压力计,1-指针；2-中心齿轮；3-扇形齿轮；4-顶杆；5-球铰链；6-膜片,.,37,优点：可以测量黏度较大的介质的压力。如果膜片和下盖用不锈钢制作或涂以适当的保护层，还可以测量某些腐蚀介质的压力。,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,膜片式压力计,.,38,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。其测量范围较广，误差较小，可远距离传输，便于集中控制。它一般由压力传感器、测量线路、信号处理装置等组成。,.,39,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,1霍尔片式压力传感器,是利用霍尔元件将由压力引起的位移转换成电势，从而实现压力的间接测量。,霍尔元件是一块半导体（如锗）薄片。将其置于磁场中，并在垂直磁场的方向通以电流，可以发现垂直于磁场和电流方向导体的两侧会产生一个相应的电势，这一电势称为霍尔电势，这种现象称为霍尔效应。,.,40,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,1霍尔片式压力传感器,霍尔电势的大小，与半导体、所通过的电流（一般称为控制电流）、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可表示为：UH=RHBIRH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关。霍尔电势与磁感应强度和控制电流成正比。B和I都有一定的限度，一般B约为几千高斯，I为320mA，所得的霍尔电势约为几十毫伏数量级。,.,41,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,1霍尔片式压力传感器,导体也具有霍尔效应，但是导体的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。选定了霍尔元件，并保持控制电流恒定，则在非均匀的磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受的磁感应强度也将不同，这样就可以得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移与电势的线性转换。任何非电量只要能转换成位移量的变化，均可以利用霍尔式位移传感器的原理转化成霍尔电动势。,.,42,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,霍尔片式弹簧管压力传感器是将霍尔元件与弹簧管弹性元件组合在一起构成的。从弹簧管的固定端引入被测压力p，其自由端与霍尔片相连，霍尔片上、下方垂直安装两对磁极，形成非匀强磁场，霍尔片的四端引出四根导线，其中与磁钢2相平行的两根导线和直流稳压电源相连接，另两根导线用来输出信号。,1-弹簧管；2-磁钢；3-霍尔片,.,43,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,电气式压力计,当被测压力引入后，在被测压力的作用下，弹簧管自由端产生位移，改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，从而输出霍尔电势。,1-弹簧管；2-磁钢；3-霍尔片,.,44,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,2应变片式压力传感器,电阻应变效应：被测压力使应变片发生机械形变（产生应变）时，若应变片产生压缩应变，其阻值减小；若应变片产生拉伸应变，其阻值增加。其阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其它记录仪表显示被测压力值。电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两类。,.,45,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,2应变片式压力传感器,结构：应变筒1的上端与外壳2固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片r1和r2用特殊胶合剂（缩醛胶等）贴紧在应变筒的外壁。,1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片,r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与筒体之间不发生相对滑动，并保持电气绝缘。,.,46,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,2应变片式压力传感器,作用过程：当被测压力p作用于膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩应变1，于是r1的阻值变小；而沿径向贴放的应力片r2，由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变2，于是r2阻值变大。,1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片,但是由于2比1要小，故实际上r1的减少量将比r2的增大量为大。,.,47,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,2应变片式压力传感器,输出桥路：应力片r1和r2与两个固定电阻r3和r4组成桥式电路。由于r1和r2的阻值变化，导致桥路失去平衡，从而获得不平衡电压U作为传感器的输出信号。,1-应变筒；2-外壳；3-密封膜片,当供给直流稳压电压为10V时，可得到最大U为5mV的输出，被测压力可达到25MPa。由于传感器固有频率在25000Hz以上，故具有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。,.,48,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,3压阻式压力传感器,根据单晶硅的压阻效应制成：半导体材料（如单晶硅和锗），掺杂形成P型和N型半导体。在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化，进而电阻发生变化。,利用半导体材料做成压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片传感器；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称为扩散型压阻传感器。,.,49,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,3压阻式压力传感器,作用过程：采用单晶硅片为弹性元件。利用集成电路工艺，在单晶硅的特定方向上扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。,当压力发生变化时，单晶硅膜片产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的点输出信号。,.,50,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,3压阻式压力传感器,扩散硅压力传感器：弹性元件与转换元件一体化，尺寸小，固有频率很高，可以测量频率范围很宽的脉动压力。,.,51,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,压力表的选用,1仪表类型的选用,仪表类型满足工艺生产的要求：例如：是否需要远传、自动记录或报警；被测介质的物理化学性质（如腐蚀性、温度高低、黏度大小、脏污程度、易燃易爆性等）；现场环境（如高温、电磁场、震动及现场安装条件等。普通压力计的弹簧管多采用铜合金；高压的也有采用碳钢的；氨用压力计的弹簧管则都采用碳钢，而不允许采用铜合金，因为氨气对铜的腐蚀极强；氧气压力计与普通压力计在结构和材质上完全相同，只是氧用压力计禁油，因为油进入氧气系统易引起爆炸。,.,52,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,压力表的选用,2仪表测量范围的确定,根据操作中需要测量的参数的大小来确定。为避免弹性元件因受力过大而损坏，压力表的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值；“化工自控设计技术规定”：测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限的1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限的3/5。被测压力最小值不低于仪表量程的1/3为宜。,.,53,一、热工测量仪表,1-3压力测量仪表,压力测量仪表,压力表的选用,3仪表精度级的选取,根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。一般而言，所选的仪表越精密，测量结果越精确、可靠；但是同时其价格也越高、操作和维护也越费事。