中国石油大学化工检测仪表第三章-压力测量

第三章压力测量,基本概念弹性式压力计（就地指示）压力、差压变送器（远传）压力仪表的选用与校验小结,第一节概述,从这一章开始介绍石油、化工生产过程常用的四大参数：压力、物位、流量、温度的测量仪表,在石油、化工、炼油、储运过程中，经常会遇到压力的测量与控制，其中包括比大气压高很多的高压测量和比大气压低很多的真空度测量。例如：（1）油田开采晚期的注水工艺的压力为十几个MPa；（2）钻井的泥泵出口的压力在25MPa左右；（3）高压聚乙烯工艺压力高达280MPa；（4）而减压塔要低于大气压几百个mmHg（典型值为真空度93.1Kpa）。,一、压力的定义,国际单位:PaKPaMPa，其它单位在工程上仍有许多应用：巴、毫米水拄、毫米汞拄、标准大气压、工程大气压等。,垂直而均匀地作用在单位面积上的力,二、压力的几种表示方式,大气压:大气自重产生的压力地球上面的空气层密度不是相等的，靠近地表层的空气密度较大，高层的空气稀薄，密度较小。海拔越高，大气压强越小在海拔3000m之内，每上升1m大气压强约减小10Pa。,标准大气压强:1.01325105Pa=101.325KPa，1个大气压,按压力的基准不同，压力的几种表示方式可分为：绝压、表压、真空度（负压）。,大气压:大气自重产生的压力,绝压:以绝对真空作为它的基准,真空度:低于大气压的压力,（）,（）,当绝对压力大于大气压时，一般用表压表示；绝对压力小于大气压时，一般用真空度表示。,表压:以大气压作为它的基准，工程上最常用。,基本概念,三、压力仪表分类：根据信号传输方式,1.就地指示式：液柱式、弹管压力表,2.远传信号式：电阻式、电容式、霍尔式、电感式等,第二节就地指示压力测量仪表,3.2.1液柱式压力计3.2.2弹性式压力计,一、U型管压力计,g重力加速度；PA相对较低的压力或大气压；P相对较高的压力。,若PA为大气压，被测介质为气体，x,第二次放大(中心齿轮),两齿轮啮合，走过弧长相等：,实现转角的放大(弧长不变)。,OAr,实现弧长的放大。,自由端,第三次放大（指针）,转过的角度相等：,实现弧长的放大（转角不变）。,结论：,指针位移（弧长）与压力成正比。,讨论：,()零点调整,改变指针初始位置或表盘位置（标准表可调整表盘位置）。,()量程调整,当材料、结构固定后，可通过调整OB，改变B点位置实现。,量程由k1、R、r、OA、OB决定，其中k1、R、r、OA由厂家定，用户可通过OB调整，改变B点调整螺钉的位置。,O,B,（4）游丝,克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。,在普通弹簧管压力表的基础上附加两个静触点1和2，触点位置可根据要求的压力上、下限数值设定。,指针3为测量值，是动触点，在动、静触点之间接入电源。,压力超限时，动、静触点闭合，报警回路接通，信号灯亮（蜂鸣器响）发出报警信号。,还可经中间继电器实现某种信号联锁控制或位式控制。,三、电接点压力表,（四）常用压力表型号,YX-电接点压力表YB-标准表,YO-氧用压力表,YY-乙炔压力表YA-氨用压力表,YN-耐振压力表,优点：简单可靠；价格低廉；精度高，测量范围宽（-0.1103MPa）；,缺点：只能就地显示或报警。,但很多情况需要将压力信号传送到控制室，作为记录、显示、控制、报警等用。需要远传时，要采用电气式压力计，下一节，主要介绍用于远传的电容式压力变送器。,第三节远传式压力测量仪表,3.3.1概述3.3.2电阻式压力计3.3.3电容式压力计3.3.4电感式压力计3.3.5其它压力计,将各种非电量的工艺变量转换成为各种电量信号。,将各种非电量的工艺变量转换成便于远传的统一标准信号。,变送器：,传感器：,根据工艺变量不同,压力变送器、传感器差压变送器、传感器液位变送器、传感器流量变送器、传感器温度变送器、传感器成分变送器、传感器,一、变送器与传感器的区别,（R、C、L、I、V等）,3.3.1概述,二、变送器的作用,将被测参数（P、L、T、F）转换成标准统一信号（420mA、20100kPa、010mA等）远传，供显示、记录、控制、运算、报警等。,转换成标准统一信号,远传到控制室,3.3.1概述,三、变送器的输入输出关系,输入：XminXmax变送器测量范围,L=XmaxXmin变送器量程,输出：YminYmax输出信号范围,不同类型的变送器，其能源及输出的标准信号范围不同。,输出信号能源气动变送器：20100kPa140kPa70年代-80年代中电动变送器:电型010mA；220VAC80年代中-90年代初电型420mA24VDC90年代初-,变送器的输入X和输出Y为线性关系。,3.3.1概述,例2-1：一电型压力变送器，测量范围210MPa，在控制室测得信号为12mA时，所测压力是多少MPa?当所测压力为7.6MPa时，输出为多少mA?,变送器输出与测量值的换算：,测量值与变送器输出的换算：,各种输出与被测参数满足线性关系的变送器均可适用。,只要知道测量范围，就可对输入、输出进行换算。,3.3.1概述,（1）四线制,四根导线与变送器相连。两根为电源线，两根为信号线。电动电动电源：220VAC24VDC信号：010mA420mA,缺点：电缆成本高、故障率高。,3.3.1概述,四、变送器的连线方式,（2）二线制,两根导线与现场变送器相连。既是电源线又是信号线，电源与负载串联接入变送器。,电源：24VDC信号：420mA,3.3.1概述,（3）三线制,三线制变送器,现在有一部分仪表，由于传感器需要的供电电流较大，采用二线制的电流不够，所以采用三线制-将四线制的电源地与信号地共用一根线。,3.3.1概述,四、变送器的零点、量程调整,1零点调整(ZERO）,作用：使变送器输出的下限值与测量信号输入的下限值相对应。当X=Xmin时，使Y=4mA（0mA/20KPa）的调整，称作零点调整。通常可通过在变送器外部的标有“Z”调整螺钉调整零点。,例2-2：对于测量范围为200-600KPa的差压变送器，当输入差压为X=200KPa时，输出信号Y应为4.3mA，输出信号不是4mA，就需要对其进行零点调整，使输出信号Y=4mA。,零点调整，改变X0，不改变量程，改变测量范围。,3.3.1概述,五、变送器的零点、量程调整,（1）量程调整(SPAN）,作用：使变送器输出的上限值与测量信号输入的上限值相对应。当X0=Xmax时，使Y=20mA（10mA/100KPa）的调整，称作量程调整。可通过在变送器外部的标有“S”调整螺钉调整量程。,例2-3：对于测量范围为200-600KPa的差压变送器，实际要求测量范围是300-700KPa，或300-800KPa如何调整？,量程调整，有的改变K1，改变量程和测量范围，不改变零点。,量程调整，有的改变K2，改变量程和测量范围，也改变零点。,工作原理应变片（检测元件）电阻式压力传感器测量桥路常见完整测量电路常见应变压力计构成特点,3.3.2电阻式压力计,3.3.2电阻式压力计,一、工作原理,电阻率；L电阻的长度；A电阻的截面。,受到拉/压力作用，电阻变化率为：,因圆截面电阻A=D2/4,轴向应变，=dL/L,据材料力学：,dD/D金属电阻丝的径向应变；dL/L金属电阻丝的轴向应变；材料的泊松系数。,影响因素：,(1)受力后材料几何尺寸发生变化（应变效应）,(2)受力后材料电阻率发生变化（压阻效应）,（1）金属导体的应变效应,=1+2，导体应变灵敏系数。,影响因素：,(1)受力后材料几何尺寸发生变化（应变效应）,(2)受力后材料电阻率发生变化（压阻效应）,3.3.2电阻式压力计,利用导体材料的“电阻应变效应”：,导体材料的电阻率变化很小：,一般K=2.04.0,（2）半导体的压阻效应,影响因素：,(1)受力后材料几何尺寸发生变化（应变效应）,(2)受力后材料电阻率发生变化（压阻效应）,3.3.2电阻式压力计,压阻效应：当半导体材料沿晶轴方向受到机械应力作用时，其电阻率发生变化，这种性质称为压阻效应。,一般K=60200,E为晶体材的弹性模量,为压阻系数,为机械应力,应变片有丝式和箔式两种结构：,丝式应变片:由金属丝栅(敏感栅)、基底、引线、保护膜等组成。,箔式应变片:用厚度0.0030.01mm的金属箔经光刻、腐蚀等工艺制成。,表面积与截面积之比大。,电阻变化主要由几何尺寸变化所致，则,二、应变片（检测元件）,（1）金属电阻应变片,散热好，能承受较大电流和较高电压，输出灵敏度高。,3.3.2电阻式压力计,电阻变化主要由电阻率变化所致，则,=E，半导体灵敏系数，一般约为60200。,（2）半导体电阻应变片,灵敏度远大于导体电阻。,上一页,返回,3.3.2电阻式压力计,（3）金属导体与半导体电阻压力计特性对比,3.3.2电阻式压力计,三、电阻式压力传感器,（1）应变式（金属应变片）压力传感器,3.3.2电阻式压力计,a应变筒结构,（2）压阻式（半导体应变片）压力传感器,特点：,精度高、工作可靠；可达0.02%。,易于微小化；直径可为1.82mm。,传感器核心部分是一个周边固定扩散有硅应变电阻的硅膜片，称硅杯膜片。,圆形硅杯多用于小型传感器；方形硅杯多用于尺寸或输出较大的传感器。,测量范围宽；10Pa60MPa。,灵敏系数高；K比金属高50100倍。,滞后和蠕变小、适于动态测量,R1,R4,R2,R3,四、应变的测量桥路,单应变片的测量电路（单臂）：,（一）直流电压源供电,不考虑温度影响时：,缺点：,考虑温度影响时：,+,-,易受温度影响,分子项影响更大,分母项影响很小,非线性影响,双应变片的测量电路(半桥)：,灵敏度是单臂两倍，能消除分子项温度影响，不能消除分母项温度影响,不考虑温度影响时：,考虑温度影响时：,消除了非线性影响,上课时我们用叠加原理，有些同学不理解，这里重新推导,四应变片的测量电路（全桥）：,灵敏度是单臂四倍,不考虑温度影响时：,由上图可知，电桥的输出电压应为,缺点：恒压源供电存在的问题，但电桥的输出与温度有关，不能消除分母项温度影响。,优点：灵敏度是单臂四倍，能基本消除分子项温度影响，,考虑温度影响时：,恒流源供电的全桥电路,电桥的输出为,恒流源供电时，电桥如右图所示。设电桥两支路电阻相等，即,因之通过两个支路的电流相等，即,（二）直流恒流源供电,优点：电桥的输出与温度无关，这是它的主要。缺点：一个传感器需配备一个恒流源，这在使用中是不方便的。,五、常用的完整应变测量电路,（一）应变电桥的测量电路（直流激励）,（二）应变电桥的测量电路（交流激励）,锁相放大器,仪表放大器,六、常见电阻压力计,（1）只构成一个全桥，但不提供后续电路,提供的指标：,精度：0.1%,测量范围：0-100MPa,激励电压：5V，最大激励电压：10V,满量程输出：50mV,或,满量程输出：10mV/V最大激励电压：10V,（2）传感器封+专用信号调理集成芯片,专用信号调理集成芯片：AD693，XTR105，MAX1458,功能：提供电压源/电流源，信号放大，输出电压/电流,（3）构成完整的压力变送器,提供的指标：,精度：0.1%,测量范围：0-100MPa,输出：4-20mA,七、特点,（1）常用于测量压力；,（4）动态特性好；,（2）体积小，通常为压力（差压）传感器；,（3）精度高；,工作原理测压部件（检测元件）传送放大部分输入输出关系特点,3.3.3电容式压力（差压）计,平板电容器,极板间介质的介电常数；A两平行板覆盖面积；d两平行板之间距离。,变间距型：改变d，灵敏度较高，可测量微米数量级的位移；,变介电常数型：改变介电常数常用于物位测量。,变面积型：改变A只适用于测量厘米数量级的位移；,一、工作原理,（1）变间距型电容传感器,d很小时，近似呈线性关系,电容C与极板间距d为非线性。,P=0：两极板间距为d0,P0：动极板位移间距减小d,式中Cx角位移为时的电容量，即被测压力对应的电容量。,当无被测压力时，=0，两极板面积重合，,当有被测压力时，0，则,角位移型：为被测压力引起的电容器动极板的角位移，改变极板相对覆盖面积A，从而改变了两极板之间的电容量。,（2）变面积型电容传感器,1为动极板，2为定极板,呈线性关系,由中心感压膜片(动电极)与正负压两侧弧形电极（固定电极）形成差动电容Ci1、Ci2。,P1=P2时：,感压膜片产生向右位移，Ci1，Ci2,实现由差压向电容的转换。,测压部件结构图,Ci2,Ci1,d2,d1,P=P1-P20时：,3.3.3电容式压力（差压）计,K1由电极面积与刚度决定的系数。,二、测压部件（采用变间距式差动平板电容）,差动电容的相对变化值与被测差压成正比。,三、传送部分（变送器）,任务是将转换成标准信号420mADC电流输出。,3.3.3电容式压力（差压）计,四、输入/输出关系,3.3.3电容式压力（差压）计,1151电容式压力/差压变送器,铭牌上标识测量范围、精度、型号、厂家等,铭牌上标识测量范围、精度、型号、厂家等,铭牌上标识测量范围、精度、型号、厂家等,3.3.3电容式压力（差压）计,+(H),-(L),3.3.3电容式压力（差压）计,五、特点,（1）适合测量差压（压力）；,（4）动态特性差，低频信号测量（电容充放电）；,（2）体积大，通常为差压（压力）变送器；,（3）精度高；,3.3.4电感式压力计,一、自感式传感器,N线圈匝数；RM磁路总磁阻。,当空气隙较小时，总磁阻为,导磁体导磁率；0空气导磁率；l导磁体长度；气隙长度；A1导磁体截面积；A气隙截面积。,一般:导磁体磁阻10MPa)：K=5/3,Pmax=KP测max,P测max被测压力最大值,在国家规定测量范围中,尽量选择接近值-0.10；-0.10.06、0.15MPa;01、1.6、2.5、4、6、1010nkPa(n为正、负自然整数),(1)上限选取：为保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠地工作，必须根据被测压力的变化范围和变化快慢，留有足够的余地。,根据工艺提供的被测压力的最大值求出仪表的测量上限。,（离心泵，储罐）,（压缩机,无缓冲罐）,（活塞泵）,2.精度等级的选择,国家规定的精度等级：0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5等。,根据工艺允许的最大绝对误差和选定的仪表量程，计算工艺允许的q工艺max，在国家规定的精度等级中确定精度。,所选精度等级加上“”、“”后应小于或至少等于工艺允许的仪表最大引用误差q工艺max。,q允q工艺max,尽量选择接近值,3.仪表类型的选择,仪表类型的选用必须满足工艺要求，才能保证仪表正常工作及安全生产。,（1）是否远传、自动记录或报警；,（2）被测介质性质（温度、粘度、腐蚀性、易燃易爆等）是否对仪表有特殊要求（弹簧管材料）；,例如：普通压力表的弹簧管多采用铜合金，适用测量无爆炸、不结晶、不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力；高压时采用合金钢；测量氨所用材料为碳钢或不锈钢，不允许用铜合金。因为氨对铜的腐蚀性很强。测氧用压力表结构和材料都一样，只是禁油。稀硝酸、醋酸及其它一般腐蚀性介质，应选用耐酸压力表或不锈钢膜片压力表。稀盐酸、盐酸气、等具有强腐蚀性、含固体颗粒、粘稠液等介质，应选用膜片压力表或隔膜压力表。结晶、结疤及高粘度等介质，应选用法兰式隔膜压力表、变送器。,（3）环境条件（湿度、温度、磁场强度、振动等）对仪表类型的要求等等。,在有剧烈振动的场合测量压力时，应选用耐震压力表或船用压力表。,例：需要就地测量某储罐的压力，被测介质的工作压力为6.0MPa，要求最大测量误差不能超过被测压力的2%，仪表应如何选择？,解：,普通弹簧管压力表。,测量范围选择：因为测量的储罐压力变化应比较平稳，则,精度选择：根据题意，工艺所允许的最大绝对误差为,工艺要求最大引用误差为：,仪表允许最大引用误差为：,选择结果：普通弹簧管压力表，测量范围010MPa,精度1.0级。,测量范围：010MPa,精度应为：1.0级,选择类型：作为就地指示表，没有其它特殊要求。,选择0.5级、0.2级或更高的表行不行？可以，但精度高，价格高，因此，从经济的角度考虑，只要满足工艺要求，尽量选择最便宜的表。,例：需要就地测量某储罐的压力，被测介质的工作压力为6.0MPa，要求最大测量误差不能超过被测压力的2%，仪表应如何选择？,解：,普通弹簧管压力表。,测量范围选择：因为测量的储罐压力变化应比较平稳，则,精度选择：根据题意，工艺所允许的最大绝对误差为,工艺要求最大引用误差为：,仪表允许最大引用误差为：,选择结果：普通弹簧管压力表，测量范围010MPa,精度1.0级。,测量范围：010MPa,精度应为：1.0级,选择类型：作为就地指示表，没有其它特殊要求。,选择0.5级、0.2级或更高的表行不行？可以，但精度高，价格高，因此，从经济的角度考虑，只要满足工艺要求，尽量选择最便宜的表。,3.5.2压力仪表的校验,概述标准表的选择校验方法校验步骤,一、概述,（1）标定：仪表出厂前，目的是确定仪表精度、重复性等；,（2）检验：仪表使用前或使用一段时间后，目的是验证仪表精度；,结论：合格或不合格。通常只需要单次测量，要求低,结论：精度的数值。通常需要多次重复测量、要求高,3.5.2压力仪表的校验,（1）信号发生器（用于提供和改变信号）,（2）提供真值测量用的标准设备,校验、标定前应准备好以下设备：,温度,液位,流量,压力,标准装置,或标准表,如何选择？,平衡关系为,A测量活塞截面积；W、W0砝码和测量活塞(托盘)重量；P被测压力。,校验仪器,活塞式压力计,活塞式压力计,精度选择：标准表允许绝对误差应小于等于被校表允许绝对误差的1/3。,二.标准仪表的选择原则：,测量范围：要求标准表的测量上限应比被校表大一档。,a标允（1/3）a被允,例2-4：010MPa、2.5级压力表，使用一段时间后，需检验其是否合格，请选用合适的标准表。,标准表：测量范围016MPa。,测量范围：要求标准表的测量上限应比被校表大一档。,精度选0.5级或更高。,精度选择：,在有条件的情况下，越高越好,三.校验方法,(1)标准压力法：,(2)标准表法：,将被校表的示值与标准装置提供的标准压力进行比较。,将被校表与标准表示值在相同条件下进行比较。,精度更高，作为真实值,精度更高，作为真实值,四.校验步骤,(2)在被校表的测量范围内均匀选择5点以上，并应包括上、下限;,(3)进行正、反行程校验;,(4)误差处理,最终按精度等级要求得出结论（是否合格）。,活塞式压力计,(1)选择合适的标准表;,推广到变送器？,例2-4：010MPa、2.5级压力表，使用一段时间后，需检验其是否合格，请选用合适的标准表。,例2-5：对上例的压力表进行校验的数据如下，判断是否合格？,标准表：测量范围016MPa，精度0.5级。,amax=0.04MPa,max=0.05MPa,满足q允qmax和q允hmax，则合格。,但是，若是标定过程，能否认为这个压力表的精度为0.5级？,例2-6：对上例的压力表进行标定的数据如下，判断是否合格？,如果标准表