热工仪表与测量2- 压力测量

1、第三章第三章 压力测量压力测量 下节课讨论内容 nA9 热线风速仪在化工流体输送过程中的 应用 nB9 锅炉烟气中硫化物和氮氧化物在线监 测系统（原理和主要设备） 一、压力测量的意义一、压力测量的意义 安全性 经济性 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。 在国际单位制（在国际单位制（SI）和我国法定计量单位）和我国法定计量单位 中，压力的单位是中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称 “帕帕”，符号为，符号为“Pa”。 即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的面积上所的面积上所 形成的压力值为形成的压力值为1Pa。 212 2 2 kgm 1Pa1N/

2、m11kgm s m s 过去采用的压力单位过去采用的压力单位“工程大气压力工程大气压力” （kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHg）、）、“毫米毫米 水柱水柱”（mmH2O）、）、“标准大气压标准大气压”（atm）、）、 “巴巴”（bar）、）、“PSI”等均应改成法定计量等均应改成法定计量 单位帕。单位帕。 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa 1mmH2O = 0.980710Pa 1 mmHg = 1.332102Pa 1atm = 1.01325105Pa 1bar=105Pa 1PSI=6.89103Pa 压力表示方式压力表示方式 u绝对压力绝对压力P1 u

3、大气压力大气压力Pamb u表压力表压力Pe Pe= P1Pamb u真空度真空度PZ（负压）（负压） PZ Pamb P1 三、常用压力测量仪表的分类三、常用压力测量仪表的分类 压力检测方法压力检测方法 1.平衡法平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力：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相平衡的原理测量压力 2.弹性法弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负：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.电气式电气式：用压力敏感元件直

4、接将压力转换成电阻、电荷量等电：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电 量的变化量的变化 压力测量仪表的分类压力测量仪表的分类 u压力传感器从其原理及结构来看可分为：压力传感器从其原理及结构来看可分为：液柱液柱 式、机械式及电气式式、机械式及电气式 u测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分 为四类：为四类： 液柱式液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换：根据流体静力学原理，把被测压力转换 成液柱高度成液柱高度 活塞式活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被：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测压力

5、转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量 机械式机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测：根据弹性元件受力变形的原理，将被测 压力转换成位移压力转换成位移 电气式电气式：将被测压力转换成各种电量，：将被测压力转换成各种电量， 如电感、电容、电阻、电位差等，依如电感、电容、电阻、电位差等，依 据电量的大小实现压力的间接测量据电量的大小实现压力的间接测量 压力分类 n静定压 n变动压 n脉动压 水锤 n又称水击。水(或其他液体)输送过程中，由于 阀门突然开启或关闭、水泵突然停车等原因， 使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波 动的现象。 n因开泵、停泵、开关阀门过于快速,使水的速度 发生急剧变化,特

6、别是突然停泵引起的水锤,可 以破坏管道、水泵、阀门,并引起水泵反转,管 网压力降低等。压力冲击将使管壁受力而产生 噪声，犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效 应。 第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 u利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压 力相平衡的力相平衡的原理原理，通过液柱高度来反映被测，通过液柱高度来反映被测 压力的大小压力的大小 u优点：优点：结构简单，使用方便，有相当高的准结构简单，使用方便，有相当高的准 确度确度 u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻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；测量范围不大璃管容易损

7、坏及读数不方便；测量范围不大 u采用水银或水为工作液，用采用水银或水为工作液，用U形管或单管进形管或单管进 行测量，常用于低压、负压或压力差的检测行测量，常用于低压、负压或压力差的检测 u被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、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风道各段压力、通风空调系统各段压力的测 量量 一、一、U形管压力计形管压力计 测气体测气体 P=P1P2 =g(h1+h2) 提高工作液密度将提高工作液密度将 增加压力的测量范增加压力的测量范 围，但灵敏度要降围，但灵敏度要降 低。低。 3-2 n式3-11适用于平衡液体上传压介质是气 体。若不

8、是气体而是另外一种液体，其 密度0，则公式中用-0代替。 n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。 单管压力计单管压力计 由于由于U形管压力形管压力 计需两次读取液面高计需两次读取液面高 度，为使用方便，设度，为使用方便，设 计出一次读取液面高计出一次读取液面高 度的单管压力计。度的单管压力计。 3-3 因因 故故 由于由于 Dd，所以，所以 P =gh1 1 2 2 2 44 hdhD )1 ( 2 2 1 D d ghp 问：问：U形管压力计两肘管的内径分别为形管压力计两肘管的内径分别为d1 = 6mm，d2 = 6.5mm，管内封液为水，被测，管内封液为水，被测

9、压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降压力作用于较细肘管，使水柱从零位下降 195mm。如果以该值的。如果以该值的2倍作为被测压力倍作为被测压力 值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱值，试确定由于没有读取较粗肘管的水柱 从零位的升高值而造成的测量误差。从零位的升高值而造成的测量误差。 解：解： %100 P PP % 0 0 1 Pg 2h 012 Pg(hh ) 22 1122 d hd h 2 1 21 2 2 d hh d %99. 7 hh hh % 21 21 斜管微压计斜管微压计 主要用于测量微小压力、负压和压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差，它将

10、单管液柱压力计的测量管倾斜 放置，这样可以提高灵敏度，减少读数放置，这样可以提高灵敏度，减少读数 相对误差。相对误差。 2 1 1 1 B12 2 2 A Pg (hh )g (s hlsi in)l A hl A n A 1 2 倾斜角度越小，倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；越长，测量灵敏度就越高； 但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难， 误差增大。误差增大。 这种这种倾斜管液柱式压力计倾斜管液柱式压力计可以测量到可以测量到0.98Pa 的微压。为了进一步提高微压计的精确度，的微压。为了进一步提高微压计的精确度， 应选用密度小的酒精作为工作液

11、体。应选用密度小的酒精作为工作液体。 倾斜式微压计 液柱式压力计的测量误差及其修正液柱式压力计的测量误差及其修正 1. 环境温度变化环境温度变化 2. 重力加速度变化重力加速度变化 3. 毛细管现象毛细管现象 t0t0 hh1tt n g1 0.00265cos 2 g 2H 1 B n n g hh g 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压 力测量仪表称为力测量仪表称为弹性式压力计弹性式压力计。弹性元件受压。弹性元件受压 后产生的形变输出（力或位移），可以通过传后产生的形变输出（力或位移），可以通过传 动机构直接带动

12、指针指示压力（或压差），也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。（或压差）信号的远传。 优点：量程范围广（4mmH2O1500MPa） 结构简单，结实耐用，价格低 国产压力表型号 头字母用Y 弹性元件在弹性弹性元件在弹性 限度内受压后会产生限度内受压后会产生 变形，变形大小与被变形，变形大小与被 测压力有关。测压力有关。 C PA C F x CxF PAF 一、弹簧管压力计一、弹簧管压力计 1弹簧管测压原理弹簧管测压原理 截面为非圆形（椭圆截面为非圆形（椭圆 形或扁圆形），并弯形或扁圆

13、形），并弯 成圆弧状的空心管子成圆弧状的空心管子 一端为封闭（自由一端为封闭（自由 端），一端为开口端），一端为开口 （固定端）（固定端） 经验公式 n在一定的压力下位移取决于 n弹簧管材料（弹性模量E和泊松系数u） n壁厚h n圈径R n截面半径a b 恒弹合金 b a 2弹簧管压力计的弹簧管压力计的 结构结构 u结构简单，使用方便，结构简单，使用方便， 价格低廉，使用范围广，价格低廉，使用范围广， 测量范围宽测量范围宽 u可测负压、微压、低压、可测负压、微压、低压、 中压和高压中压和高压 u精度有精度有0.5、1.0、1.5、 2.5等等 电远传式弹簧压力仪电远传式弹簧压力仪 表表 u霍尔

14、压力传感器霍尔压力传感器 u电感式压力传感器电感式压力传感器 二二. 膜片膜片 u按剖面形状分为平膜片和波纹膜片按剖面形状分为平膜片和波纹膜片 u可与其他转换元件合用可与其他转换元件合用 u电容式压力传感器电容式压力传感器 u光纤式压力传感器光纤式压力传感器 u力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器 三、膜盒式微压计三、膜盒式微压计 n膜片和膜盒图片 n膜盒式微压计常用于膜盒式微压计常用于 火电厂锅炉风烟系统火电厂锅炉风烟系统 的风、烟压力测量及的风、烟压力测量及 锅炉炉膛负压测量。锅炉炉膛负压测量。 n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） 三三. 波纹管波纹管 u优

15、点优点：灵敏高，可测较低压力：灵敏高，可测较低压力 u缺点缺点：迟滞误差较大，精度一般只有：迟滞误差较大，精度一般只有1.5级级 三、电接点压力计三、电接点压力计 n电接点压力计可用电接点压力计可用 作电气发讯设备联作电气发讯设备联 锁装置和自动操纵锁装置和自动操纵 装置装置 n高低压给定指针 n指示指针 n电接点 四、压力表的安装与使用四、压力表的安装与使用 （一）压力表的选择（一）压力表的选择 1种类与结构形式种类与结构形式 u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力大小来考虑 u被测介质的性质被测介质的性质 u对仪表输出信号的要求对仪表输出信号的要求 u使用的环境使用的环境 被测压力较稳定

16、：最大工作压力不应超过被测压力较稳定：最大工作压力不应超过 仪表满量程的仪表满量程的2/3 u被测压力波动较大或测脉动压力：最大被测压力波动较大或测脉动压力：最大 工作压力不应超过仪表满量程的工作压力不应超过仪表满量程的1/2 u为保证测量准确度：最小工作压力不应为保证测量准确度：最小工作压力不应 低于满量程的低于满量程的1/3 u优先满足最大工作压力条件优先满足最大工作压力条件 2测压仪表的标尺上限测压仪表的标尺上限 3. 仪表的准确度等级仪表的准确度等级 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误差来确定，即要求

17、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。最大绝对误差应小于仪表的基本误差。 （二）压力表的安装（二）压力表的安装 取压口的选择取压口的选择 u在管道或烟道上取压在管道或烟道上取压 u测量流动介质的压力测量流动介质的压力 u测量气体，管道上部测量气体，管道上部 u 蒸汽，管道两侧蒸汽，管道两侧 u 液体，管道下部液体，管道下部 (三)压力表的校验 n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 n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。 n前者用来校验精度在1级以下的各种工业用仪 表，而

18、后者用于校验精度在0.5级以上的各种 标准表。 压力仪表的校验压力仪表的校验 u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通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，则认为校表规定的最大准许绝对误差时，则认为 被校表合格。被校表合格。 u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压是活塞式压力计，它由压 力发生部分和测量部分组成，它的精度等力发生部分和测量部分组成，它的精度等 级有级有0.02、0.05和和0.2级，可用来校

19、准级，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表，被校压力的最高值为60MPa。 压力发压力发 生部分生部分 测量测量 部分部分 1活塞式压力计 pA=G 式中A活塞8底面的有效面积； G活塞、托盘及砝码总重力。 p=G /A 2校验步骤 n准备工作 n选取标准表时 n标准表的测量上限一般应不低于被校表 测量上限，标准表的允许误差应不大于 被校表允许误差的1/3，或者标准压力表 比被校压力表高两个精确度等级。 n确定校验点 n对于1.0，1.5，2.0，2.5精确度等级的压 力表，可在5个刻度点上进行校验 n对于0.5

20、级和更高精确度等级的压力表， 应取全刻度标尺上均匀分布的10个刻度 点进行校验。 校验步骤 n（1）检查压力表校验器连接接头垫片的 良好情况，安装好并用扳手拧紧标准表 和被校表。 n（2）调节地脚螺钉，使水准泡位于正中。 n（3）开启油杯上的针形阀，注入变压器 油。逆时针旋转手轮，将油吸入手摇泵 内。顺时针旋转手轮，将油压入油杯， 观察是否有小气泡从油杯中升起，若有， 逆时针旋转手轮，再顺时针旋转手轮， 反复操作，直到不出现气泡。 n（4）关紧油杯上的针型阀，打开两表下的针 形阀，顺时针旋转手轮，平稳地升压，直到被 校压力表指示第一个压力校验点，读标准压力 表指示值。 n如果使用砝码，加上相应

21、压力的砝码，顺时针 旋转手轮，使油压力上升直到砝码盘逐渐抬起， 到规定高度时停止加压，轻轻转动砝码盘，读 被校压力表指示值。 n（5）均匀增压至刻度上限，保持上限压 力3min。 n（6）逆时针旋转手轮，均匀降至零压， 平稳地降压进行下行程校验。 n（7）实验中观察指示有无跳动、停止、 卡塞现象。求出被校压力表的基本误差、 变差、轻敲位移。 n（8）零位调整方法：用取针器取出被校 压力表指针，再按照零刻度位置轻轻压 下指针。 n（9）量程调整方法：用螺丝刀松开扇形 齿轮上的量程调节螺钉，改变螺钉在滑 槽中的位置，调好后固紧螺钉，重复上 述校验。调量程时零位会变化，因此一 般量程、零位需反复进行

22、调整。 n（10）待校验合格后，放掉检验器的压 力，拆下被校表，揩掉油污并装上盖子， 打好铅封，填写校验记录单。 第四节第四节 压力压力( (差压差压) )变送器变送器 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、一、1151电容式压力电容式压力(差压差压)变变 送器送器 (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

23、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420mA的二 线制电流信号， 2差压-位移转换 n设测量膜片位移为d，被测压差为p， 则有 n d=K1p (39) n其中K1是与膜片结构尺寸和材料性质有 关的比例系数。 3位移-电容转换 球面容器的特性近似于平行板电容器的特征 pKKdK d d CC CC HL HL 212 0 (

24、1)比值与被测差压p成正比； (2)比值与介电常数无关， n n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 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420mA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

25、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 n例：量程为0100kPa的表。正迁移百分 之五十后，就变为50150kPA,这时 50kPA对应4mA,150kPA对应20mA。 缩小量程 n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。 n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)。 n重调零位电位器,使其在“0”压力输入时,输出 为4mA。 n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 n复验零位,当输入为”0”压力时,

26、输出应为4mA, 若有偏差,可微调调零电位器。 n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)。 n重调零位电位器,使其在”0”压力输入时,输出 为4mA。 n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 n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 n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。 n(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

27、器、振荡器、 温度传感器和存储 器EEPROM。 n(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。 n(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 n导压管的铺设导压管的铺设 n导压管是传递压力、压差信号的。导压管是传递压力、压差信号的。 n对水平敷设的引压导管应有35的 坡度 n引压导管的长度一般不超过5060m，一 般内径为610mm n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 n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。 n测量气体介质压力时，因气体

28、的密度很 小，产生的误差可忽略不计。 n例：测量某管道内蒸汽压力，压力计位 于取样点下方6m处，压力管道内凝结水 的密度为992kg/m3，当地大气压为 0.10MPa，当压力表的示值为1.20MPa时， 蒸汽管道内的实际表压力为多少？实际 绝对压力又为多少？ 补充：电气式压力检测方法补充：电气式压力检测方法 u电气式压力检测方法一般是用压力敏感电气式压力检测方法一般是用压力敏感 元件直接将压力转换成电阻、电荷量等元件直接将压力转换成电阻、电荷量等 电量的变化。电量的变化。 u能实现压力电量转换的压敏元件主要能实现压力电量转换的压敏元件主要 有压电材料、应变片和压阻元件。有压电材料、应变片和压

29、阻元件。 压电式压力传感器压电式压力传感器 u压电效应原理压电效应原理：压电材料受压时会在其表面：压电材料受压时会在其表面 产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。 u压电材料压电材料：压电晶体、压电陶瓷、压电半导：压电晶体、压电陶瓷、压电半导 体体 u特点特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可 靠，线性度好，频率响应高，量程范围广靠，线性度好，频率响应高，量程范围广 Pierre Curie n膜片式主要由本体、膜 片和压电元件组成（见 图）。压电元件支撑于 本体上，由膜片将被测 压力传递给压电元件， 再由压电元件输出与被 测压力成一定关系的电 信号。这种传感器的特 点是体积小、动态特性 好、耐高温等。 P 引线端子 应变式压力传感器应变式压力传感器 u应变片应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元是基于应变效应工作的一种压力敏感元 件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片 的电阻值也将发生相应变化。的电阻值也将发生相应变化。 u应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及是由弹性元件、应变片以及 相应的桥路组成的。相应的桥路组成的。 n电阻应变片是一种将被测件上